一种提高电池安全性能的结构件和电池及制备方法
阅读说明：本技术 一种提高电池安全性能的结构件和电池及制备方法 (Structural component for improving safety performance of battery, battery and preparation method ) 是由 李娟� 刘妮娜 马艳 邱扬 孙延先 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高电池安全性能的结构件和电池及制备方法,属于锂电池技术领域。该结构件由中间基材层及设置在基材层两面的粘接剂层组成,或者仅由粘接剂层组成,粘接剂层包括粘接剂或粘接剂和添加剂,粘接剂为聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚酰胺、聚氨酯、环氧树脂、丁苯橡胶、丁腈、聚氧化乙烯、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺中的一种或两种以上；添加剂为增稠剂；结构件上设置供极耳和电解液穿过或通过的空位。本发明还公开了结构件的制备方法和电池及制备方法。本发明的结构件不仅可以避免电芯入壳时极片和隔膜翻折,还可以提高振动、撞击和跌落过程中的稳定性避免极片和隔膜错位,提高电池的电化学性能和安全性能。(The invention relates to a structural component for improving the safety performance of a battery, the battery and a preparation method, and belongs to the technical field of lithium batteries. The structural member consists of an intermediate base material layer and adhesive layers arranged on two surfaces of the base material layer, or only consists of the adhesive layers, each adhesive layer comprises an adhesive or an adhesive and an additive, and the adhesive is one or more than two of polyvinylidene fluoride, polyacrylate, polyacrylic acid, polyamide, polyurethane, epoxy resin, styrene butadiene rubber, butyronitrile, polyethylene oxide, polypyrrole, polythiophene and polyaniline; the additive is a thickening agent; the structural member is provided with a vacancy for the pole lug and electrolyte to pass through or pass through. The invention also discloses a preparation method of the structural member, a battery and a preparation method. The structural member of the invention can not only prevent the pole piece and the diaphragm from being folded when the battery cell is placed into the shell, but also improve the stability in the processes of vibration, impact and falling, prevent the pole piece and the diaphragm from being misplaced and improve the electrochemical performance and the safety performance of the battery.)
技术领域
本发明涉及一种提高电池安全性能的结构件和电池及制备方法，属于锂电池技术领域。
背景技术
锂离子电池具有工作高电压、高比能、长循环寿命、低自放电率、无污染等优势，现已广泛用于移动电话、便携式计算机、数码产品等小型电子设备，并已在电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)等交通工具上展现出广阔的应用前景。
随着锂离子电池(LIBs)在电动汽车和储能领域的应用数量和规模越来越大，其安全问题日益凸显。其中，耐振动、撞击和跌落过程是影响锂电池安全性的重要指标。该过程中电芯结构易出现松散，极片与隔膜界面阻抗增大，锂晶枝易产生，最终导致隔膜刺穿、内部短路；此外极片与隔膜容易错位，使正负极接触，形成内部短路，严重影响锂电池安全性能。
CN106733487A专利提供了一种芯片涂胶装置及方法，包括底板、加热装置、第一电机、压平装置、承载台、第二电机、第一传动件、测量仪、真空罩和推料架，在加热装置上加热承载盘内的承载片及胶液至特定温度，通过推料架将承载盘推放至承载台上，第一电机通过第一传动件驱动压平装置旋转，并通过第一传动件与测量仪控制胶层的厚度，第二电机带动承载台上的承载盘旋转，压平装置与承载台相配合进行旋转压合过程，且旋转压合过程中处于真空负压状态，可以防止气泡产生，保证胶层的均匀性，保证芯片磨削后图形完整，提高设备的可靠性及稳定性。缺点是涂胶设备复杂，成本高，开发时间长；此外涂胶过程需将胶液加热，使其具有一定流动性，再喷涂或刮涂在卷芯底涂，然后自然或人工冷却。但在喷涂或刮涂至卷芯底部时，流动的胶液由于自身流动性部分会进入卷芯内部，阻碍锂离子的迁移，影响电池整体的电化学性能。
CN205810981U专利提供了一种锂离子电池卷芯贴胶结构，包括正极极片、隔离膜和负极极片依次层叠后沿同一方向卷绕而成的卷芯，其特征在于：还包括平贴胶纸，所述平贴胶纸粘贴在所述卷芯的底端；在垂直于卷芯卷绕的方向上，所述隔离膜底边超出所述负极极片底边0.2～0.6mm，所述负极极片底边超出所述正极极片底边0.1～0.5mm；所述平贴胶纸同时粘住所述正极极片和所述隔离膜。该方法可以解决电芯在封装过程中因正负极、隔膜外翻而引起的内部短路等安全问题。但由于电芯和壳体未粘附在一起，在振动、跌落等测试中电芯在壳体中来回晃动，易出现极耳焊接脱落，铝塑膜封装失效，电芯内局部错位、松动，最终影响其电化学性能和安全性能。
发明内容
为上改善现在技术中存在的问题，本发明提供一种提高锂离子电池安全性的结构，包括电芯顶部组装结构和电芯底部组装结构，可以提高振动、撞击和跌落过程中电池的电化学性能和安全性能。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种提高电池安全性能的结构件，由中间基材层及设置在基材层两面的粘接剂层组成，或者仅由粘接剂层组成，所述的粘接剂层主要由粘接剂或粘接剂和添加剂等构成，所述的粘接剂为聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚酰胺、聚氨酯、环氧树脂、丁苯橡胶、丁腈、聚氧化乙烯、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺中的一种或多种，或其他具有耐电解液性能和粘性的有机物；所述的添加剂为增稠剂；所述的结构件上设置供极耳和电解液穿过或通过的空位(孔洞)。
所述的中间基材层为PET膜、PP膜、PE膜、无纺布或其他可起到支撑作用的聚合物。所述的增稠剂为羧甲基纤维素钠(CMC)等。
所述的中间基材层和粘接剂层可以根据电池大小进行厚度调整；优选的，对于有中间基材层的结构件来说，中间基材层的厚度为0.025-0.08mm，粘接剂层的厚度(双边)为5-15μm。对于无中间基材层的结构件来说，粘接剂层的厚度为15-45μm。
本发明提高电池安全性能的结构件包括顶部结构件和底部结构件，分别组装于电芯的顶部和底部；所述的顶部结构件上设置供极耳穿过的极耳位和供电解液通过的电解液通道；所述的底部结构件上设置供电解液通过的电解液通道。
所述的极耳位为单极耳或多极耳，可根据铝塑膜单坑或铝塑膜双坑电池进行位置和形状调整。
所述的电解液通道为圆形、椭圆形、方形或其他任意形状；同时可根据电池大小进行面积和形状调整。
优选的，所述的顶部结构件的中部设置两个极耳位，两端各设置一个电解液通道一，极耳位与电解液通道一之间分别对称设置两个电解液通道二；所述的底部结构件的两端各设置一个电解液通道三，中间设置六个电解液通道四。
一种提高电池安全性能的结构件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将粘接剂、溶剂和增稠剂等混合均匀，得到混合液；所述的粘结剂为聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚酰胺、聚氨酯、环氧树脂、丁苯橡胶、丁腈、聚氧化乙烯、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺中的一种或多种，或其他具有耐电解液性能和粘性的有机物；所述的溶剂为水、乙醇、丙酮或乙酸乙酯等极性溶剂；所述的增稠剂为羧甲基纤维素钠(CMC)等；
(2)将所得的混合液涂覆在基材的两面或一面上，得到粘结剂层，烘干后进行收卷；
(3)再用模具机，将烘干后卷料进行冲切成形，得到电池结构件；或者在冲切成型后将粘结剂层从中间基材上剥离，得到无中间基材的电池结构件。
步骤(1)中，在粘接剂、溶剂和增稠剂组成的混合液中，所述的粘接剂占整体混合液质量的5-15％，所述的溶剂占整体混合液质量的84-95％，增稠剂占整体混合液质量的0-1％。
步骤(2)中，制备粘接剂层采用的涂覆方式为凹版涂布方式、喷涂机或刮刀涂布机涂覆等，涂布速度为10-30m/min；烘干温度为55-90℃。
步骤(2)中，所述的基材为PET膜、PP膜、PE膜、无纺布或其他可起到支撑作用的聚合物。基材的厚度为0.025-0.08mm；对于有中间基材层的结构件来说，粘接剂层的双边厚度为5-15μm。对于无中间基材层的结构件来说，粘接剂层的厚度为15-45μm。基材和粘接剂层可以根据电池大小进行厚度调整。
一种采用上述提高电池安全性能的结构件的电池。
一种电池制备方法，包括如下步骤：
(1)采用上述的结构件，分别将顶部结构件和底部结构件的一面粘附在极耳焊接后卷绕或叠片的电池顶部和底部，得到电芯；
(2)将电芯放置在冲坑好的铝塑膜中，顶部结构件和底部结构件的另一面粘附在铝塑膜上，使电芯稳定固定在铝塑膜内部，防止振动、撞击或跌落过程中隔膜与极片错位，同时还可以避免隔膜或极片的翻折，提高电池良率；
(3)然后将电池进行封装、注液，电解液从顶部结构件的电解液通道以及底部结构件的电解液通道进入电芯内部，并浸润每一层极片，电池不易出现发软现象；
(4)最后将电池进行化成和分选。
本发明不仅限于顶部和底部电芯组装结构，也可以为其他任意可满足粘附性和电解液有效浸润极片的结构。
本发明的优点：
本发明提高锂离子电池安全性的结构件，包括电芯顶部组装结构件和电芯底部组装结构件。不仅可以避免电芯入壳时极片和隔膜翻折，还可以提高振动、撞击和跌落过程中的稳定性避免极片和隔膜错位，提高电池的电化学性能和安全性能。
附图说明
图1为本发明提高电池安全性能的结构件的侧面结构示意图。
图2为电芯顶部结构件的结构示意图。
图3为电芯底部结构件的结构示意图。
主要附图标记说明：
11 中间基材层 12 粘接剂层
21 电解液通道一 22 电解液通道二
23 极耳位 24 粘结部分
31 电解液通道三 32 电解液通道四
33 粘结部分
具体实施方式
如图1所示，为本发明结构件的侧面结构示意图，该结构件由中间基材层11及设置在基材层两边的外层粘接剂层12组成，或者仅由粘接剂层12组成。中间基材层11和粘接剂层12可以根据电池大小进行厚度调整；其中中间基材层11可有，可无，可以是PET膜、PP、PE，也可以无纺布，也可以是其他能起到支撑作用的聚合物；粘接剂层12主要包括粘接剂，或者粘接剂层12主要包括粘接剂和少量添加剂(增稠剂)，粘接剂可以为聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚酰胺、聚氨酯、环氧树脂、丁苯橡胶、丁腈、聚氧化乙烯、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺一种或多种混合物，也可以是其他任意具有耐电解液性能和粘性的有机物；添加剂为增稠剂，可为羧甲基纤维素钠(CMC)等；结构件上设置供极耳和电解液穿过或通过的空位或孔洞。
本发明提高电池安全性能的结构件包括用于电芯顶部的顶部结构件和用于电芯底部的底部结构件。顶部结构件上设置供极耳穿过的极耳位和供电解液通过的电解液通道；底部结构件上设置供电解液通过的电解液通道。极耳位可以为单极耳、多极耳、铝塑膜单坑或铝塑膜双坑电池进行位置和形状调整；电解液通道一、二、三、四可以为圆形，椭圆形，方形，也可以为其他任意形状；同时可根据电池大小进行面积和形状调整。
如图2所示，为电芯顶部组装结构示意图，其中顶部结构件为结构A，结构A的中间位置设有一排两个长方形的极耳位23，两端各设一个椭圆形的电解液通道一21，极耳位23与电解液通道一21之间分别设有一列两个椭圆形的电解液通道二22，对称分布；结构A上除极耳位23和电解液通道以外为粘结部分24。其中电解液通道一21和电解液通道二22能保证电解液从电芯顶部进入电芯每一层，并对极片进行浸润。
如图3所示，为电芯底部组装结构示意图，其中底部结构件为结构B，结构B的两端各设置一个椭圆形的电解液通道三31，中间设置三列六个椭圆形的电解液通道四32，结构B上除电解液通道以外为粘结部分33。其中电解液通道三31和电解液通道四32能保证电解液从电芯底部进入电芯每一层，并对极片进行浸润。
上述提高电池安全性能的结构件的制备方法，包括如下步骤：
(1)将粘接剂、溶剂、增稠剂等混合，得到混合液；粘结剂为聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚酰胺、聚氨酯、环氧树脂、丁苯橡胶、丁腈、聚氧化乙烯、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺中的一种或多种，或其他具有耐电解液性能和粘性的有机物，占整体混合液的5-15％(重量)，溶剂可以为水、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等极性溶剂，占整体混合液的84-95％，增稠剂可以为CMC等有机物，也可以不添加，占整体混合液的0-1％。
(2)制备粘接剂层：将混合液涂覆在基材的两面上，可采用凹版涂布方式进行粘结剂层涂覆，也可以采用喷涂机、刮刀涂布机或其他涂覆方式。涂布速度10-30m/min，烘烤温度55-90℃。烘干后进行收卷。
(3)再用模具机，将烘干后卷料进行冲切成形，得到电池结构件。
采用本发明的结构件进行电池组装，具体实施步骤如下：
(1)分别将图2所示的结构A和图3所示的结构B的一面粘附在极耳焊接后卷绕(或叠片)电池顶部和底部，得到电芯；
(2)将电芯放置在冲坑好的铝塑膜中，结构A和结构B另一面能粘附铝塑膜上，使电芯能稳定固定在铝塑膜内部，防止振动、撞击或跌落过程中隔膜与极片错位，同时还可以避免隔膜或极片的翻折，提高电池良率。
(3)然后将电池进行封装、注液，电解液从顶部组装结构的电解液通道一和二以及底部组装结构的电解液通道三和四进入电芯内部，并浸润每一层极片。电池不易出现发软现象。
(4)最后将电池进行化成和分选。
本发明不仅限于如图所示的顶部和底部电芯组装结构，也可以为其他任意可满足粘附性和电解液有效浸润极片的结构。
实施例1
取一定量混合液(聚丙烯酸酯6％，乙醇94％)于涂布罐中，采用凹版涂布机将其涂覆于PET基材(厚度0.030mm)两面上，涂布速度28m/min，烘烤温度75℃。烘干后双边涂层厚度6μm。对涂覆后的PET基材进行模切冲型。
将冲切成型的结构件(如图2-3所示的结构A和结构B)的一面粘附在电池顶部和底部，得到电芯。并将该电芯放置在带坑铝塑膜中，结构件另一面粘附在铝塑膜内壁上。然后将电池进行顶侧封、注液、二封、静置、化成和分选，得到LIB1电池。
按上述相同制程工艺制备得到无结构件基准电池LIB0。
最后，对该电池LIB1和基准电池LIB0进行跌落、振动等安全测试。
实施例2
取一定量混合液(聚氨酯8％，丙酮92％)于涂布罐中，采用凹版涂布机将其涂覆于PET基材(厚度0.045mm)两面上，涂布速度25m/min，烘烤温度60℃。烘干后双边涂层厚度9μm。对涂覆后的PET基材进行模切冲型。
将冲切成型的结构件(如图2-3所示的结构A和结构B)用于电池上，制备方法同实施例1，并对该电池LIB2进行跌落、振动等安全测试。
实施例3
取一定量混合液(环氧树脂10％，丙酮90％)于涂布罐中，采用凹版涂布机将其涂覆于PET基材(厚度0.060mm)两面上，涂布速度25m/min，烘烤温度65℃。烘干后双边涂层厚度15μm。对涂覆后的PP基材进行模切冲型。
将冲切成型的结构件(如图2-3所示的结构A和结构B)用于电池上，制备方法同实施例1，并对该电池LIB3进行跌落、振动等安全测试。
实施例4
取一定量混合液(聚丙烯酸15％，水84.2％，CMC 0.8％)于涂布罐中，采用凹版涂布机将其涂覆于PET基材(厚度0.060mm)上，涂布速度25m/min，烘烤温度90℃。将烘干后的样品冲切成形，并将PET基材表面的涂层进行剥离，得到厚度35μm无中间基材层的结构件。
将冲切成型的结构件(如图2-3所示的结构A和结构B)用于电池上，制备方法同实施例1，并对该电池LIB4进行跌落、振动等安全测试。
表1实施例1-4电池的性能测试结果
备注：LIB0为电池未添加本发明所述结构件。实验电池尺寸3.8mm*62mm*83mm。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
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