一种锂离子电池及其应用
阅读说明：本技术 一种锂离子电池及其应用 (Lithium ion battery and application thereof ) 是由 李跃飞 刘金成 刘建华 于 2021-01-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种锂离子电池及其应用,所述锂离子电池中正极耳的材质包括铝,所述正极耳的材质还包括锰和/或硅；所述正极耳中锰的质量分数为0.01～0.1wt％；所述正极耳中硅的质量分数为0.5～1wt％,通过在正极耳中掺杂锰和/或硅,进而降低熔点,实现了在电池内阻和倍率放电性能不受影响的前提下,及时反应熔断,提升了锂离子电池在低线阻短路过程中的安全性能,可用于功率型电池中。(The invention provides a lithium ion battery and application thereof, wherein the material of a positive lug in the lithium ion battery comprises aluminum, and the material of the positive lug also comprises manganese and/or silicon; the mass fraction of manganese in the positive tab is 0.01-0.1 wt%; the mass fraction of silicon in the positive tab is 0.5-1 wt%, and the melting point is reduced by doping manganese and/or silicon in the positive tab, so that timely reaction fusing is realized on the premise that the internal resistance and the rate discharge performance of the battery are not affected, the safety performance of the lithium ion battery in the low-line-resistance short-circuit process is improved, and the lithium ion battery can be used in a power battery.)
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池及其应用。
背景技术
由于锂离子电池具有能量密度高、功率密度高、循环使用次数多、存储时间长等优点，在移动电话、数码摄像机和手提电脑等便携式电子设备上得到了广泛使用，同时在电动汽车、电动自行车等电动交通工具及储能设施等大中型电动设备方面有着广泛的应用前景，成为解决能源危机和环境污染等全球性问题的关键。
锂离子电池在使用之前需要经过短路测试，验证电池的安全性能。通常电池在盖帽上有CID和VENT安全装置，在短路过程中内部产生大量热量和气体，电池内部压强增大CID和VENT打开，从而通过测试。在低线阻短路过程中，短路电流过大，短时间产生的热量过大，CID和VENT安全装置无法及时报告，导致电池短路测试失效。
CN201229959Y公开了一种具有防短路功能的锂离子电池，包括外壳和设置在外壳上的正、负极耳，所述正、负极耳之间覆盖有防短路胶纸，所述胶纸粘贴在正、负极耳的侧表面上，但在电池应用中增大内阻，存在负面影响。
CN207624793U公开了一种防短路锂电池极耳改进结构，包括第一极耳，第二极耳，在第一极耳腔室中的第一电连接片，以及第二极耳腔室中的第二电连接片，与第一电连接片和第二电连接片固定连接的热膨胀电连接桥片，该所述热膨胀电连接桥片与第一电连接片和第二电连接片电连接，所述第一电连接片和第二电连接片都为弓形片，但对电池的内阻和大倍率放电温升都有负面的影响。
CN210778793U公开了一种新型锂离子电池防短路极耳，包括锂电池及保护连接器，所述保护连接器包括热敏电阻本体、第一连接引脚及第二连接引脚，所述第一连接引脚的固定端和第二连接引脚的固定端分别与所述热敏电阻本体电连接，第一连接引脚的连接端与所述第一极片的接触端连接，所述第二连接引脚的连接端与所述第二极片的接触端连接，但对电池的内阻和大倍率放电温升都有负面的影响。
因此，有必要开发一种在电池内阻和倍率放电性能不受影响的前提下提升低线阻短路性能的电池，从而提升电池的安全性能，提高产品竞争力。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的材质包括铝；通过在正极耳中添加锰和/或硅，进而降低正极耳的熔点，从而使得锂离子电池在低线阻短路性能测试中，及时反应熔断，实现了在电池内阻和倍率放电性能不受影响的前提下提升了安全性能，所述锂离子电池可用于功率型电池。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的材质包括铝；所述正极耳的材质还包括锰和/或硅；所述正极耳中锰的质量分数为0.01～0.1wt％；所述正极耳中硅的质量分数为0.5～1wt％。
其中所述正极耳中锰的质量分数为0.01～0.1wt％，例如可以是0.01wt％、0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％或0.1wt％等。
所述正极耳中硅的质量分数为0.5～1wt％，例如可以是0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％或1wt％等。
本发明所述锂离子电池中，正极耳设置在电池外壳一端，通过在正极耳中添加锰和/或硅，降低正极耳的熔点，其中既可以只添加锰、也可以只添加硅，也可以同时添加锰和硅，对熔点的影响不同，均可使得锂离子在底线阻短路过程中，当短路电流过大，短时间产生的热量过大的情况下，能够及时熔断，提高了安全性能，同时通过添加锰和/或硅，锰的质量含量为0.01～0.1wt％，硅的质量分数为0.5～1wt％，既能够达到降低正极耳熔点，起到短路安全保护的作用，又能够避免硅和锰比例调整过大导致的极耳硬度变化，影响极耳的焊接效果，极耳的规格无变动，电池内阻和倍率放电性能不受影响，对生产影响小。
优选地，所述正极耳中锰的质量分数为0.05～0.1wt％，例如可以是0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％或0.1wt％等。
优选地，所述正极耳中硅的质量分数为0.6～0.9wt％，例如可以是0.6wt％、0.65wt％、0.7wt％、0.75wt％、0.8wt％、0.85wt％或0.9wt％等。
优选地，所述锂离子电池中负极耳的材质包括镍或铜镍合金。
锂离子电池的负极耳材质通常采用镍或铜镍合金，当采用铜镍合金时，铜与镍的质量比包括1:1、3:7或7:3等。
优选地，所述正极耳的厚度为0.1～0.15mm，例如可以是0.1mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm或0.15mm等。
优选地，所述正极耳的宽度为3～6mm，例如可以是3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm或6mm等。
优选地，所述正极耳的熔点为500～660℃，例如可以是500℃、520℃、530℃、550℃、560℃、580℃、590℃、600℃、620℃、630℃或660℃等。
优选地，所述锂离子电池在短路测试中的短路电流为180～250A，例如可以是180A、190A、200A、210A、220A、230A、240A或250A等。
优选地，所述锂离子电池在短路测试中的持续时间为≤5s，例如可以是1s、2s、3s、4s或5s等。
第二方面，本发明提供第一方面所述的锂离子电池的应用，所述锂离子电池应用在功率型电池中。
本发明中锂离子电池通过在正极耳中添加锰和/或硅，调整正极耳的熔点，从而使得锂离子电池在低线阻短路性能测试中，及时反应，电池内阻和倍率放电性能在不受影响的前提下提升了安全性能，能够应用于功率型电池中，可承受300W以上的功率作业中。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的锂离子电池，通过在正极耳和负极耳中掺杂锰和/或硅，改变熔点的方式，提升锂离子电池在低线阻短路过程中的安全性能，短路持续时间≤4.5s；
(2)本发明提供的锂离子电池，极耳规格均无变动，电池内阻和倍率放电性能不受影响，对生产影响小。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
一、实施例
实施例1
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为99.13wt％的铝、0.07wt％的锰和0.8wt％的硅，厚度为0.13mm，宽度为4.5mm，熔点为600℃；负极耳的材质为镍。
实施例2
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为98.99wt％的铝、0.01wt％的锰和1wt％的硅，厚度为0.15mm，宽度为6mm，熔点为660℃；负极耳的材质为铜镍合金，其中铜镍合金中铜和镍的质量比为1:1。
实施例3
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为99.4wt％的铝、0.1wt％的锰和0.5wt％的硅，厚度为0.1mm，宽度为3mm，熔点为500℃；负极耳的材质为镍。
实施例4
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为99.93wt％的铝和0.07wt％的锰，其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为99.2wt％的铝和0.8wt％的硅，其余均与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为99.19wt％的铝、0.01wt％的锰和0.8wt％的硅，其余均与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为99.1wt％的铝、0.1wt％的锰和0.8wt％的硅，其余均与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳和负极耳的组成均为99.15wt％的铝、0.05wt％的锰和0.8wt％的硅，其余均与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为99.43wt％的铝、0.07wt％的锰和0.5wt％的硅，其余均与实施例1相同。
实施例10
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为98.93wt％的铝、0.07wt％的锰和1wt％的硅，其余均与实施例1相同。
实施例11
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为99.33wt％的铝、0.07wt％的锰和0.6wt％的硅，其余均与实施例1相同。
实施例12
本实施例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为99.03wt％的铝、0.07wt％的锰和0.9wt％的硅，其余均与实施例1相同。
二、对比例
对比例1
本对比例提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中正极耳的组成为未经改性的铝，其余均与实施例1相同。
本对比例中未经改性的铝表示未添加锰或硅的铝。
三、测试及结果
锂离子电池低线阻短路过程的测试方法：将锂离子电池按照标准充电制式满充后，根据需要焊接成串并联的电池包进行短路测试，外接10m的Ω线组进行外部短路测试。
以上实施例和对比例的测试结果如表1所示。
表1
持续时间(s)
实施例1
2.2
实施例2
4.3
实施例3
3.6
实施例4
4.5
实施例5
4.2
实施例6
3.9
实施例7
2.1
实施例8
2.3
实施例9
3.5
实施例10
3.4
实施例11
2.4
实施例12
1.7
对比例1
11
从表1可以看出以下几点：
(1)本发明提供一种锂离子电池，通过在所述锂离子电池的正极耳中添加锰和/或硅，进而降低正极耳的熔点，从而使得锂离子电池在低线阻短路性能测试中，及时反应熔断，提升了安全性能，具体而言，实施例1～12中锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间≤4.5s；
(2)结合实施例1和实施例6～8可知，实施例1和实施例7～8正极耳中锰的质量分数分别控制为0.07wt％、0.1wt％和0.05wt％，相较于实施例6正极耳中锰的质量分数控制为0.01wt％而言，实施例1和实施例7～8中锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间分别为2.2s、2.1s和2.3s，实施例6中锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间为3.9s，由此表明，将锂离子电池的正极耳中锰的质量分数控制在0.05～0.1wt％范围内，能进一步减少锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间，提升安全性能；
(3)结合实施例1和实施例9～12可知，实施例1和实施例11～12正极耳中硅的质量分数分别控制为0.8wt％、0.6wt％和0.9wt％，相较于实施例9～10正极耳中硅的质量分数分别控制为0.5wt％和1wt％而言，实施例1和实施例11～12中锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间分别为2.2s、2.4s和1.7s，实施例9～10中锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间分别为3.5s和3.4s，由此表明，将锂离子电池的正极耳中硅的质量分数控制在0.6～0.9wt％范围内，能进一步减少锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间，提升安全性能；
(4)结合实施例1和对比例1可知，实施例1中正极耳中添加锰和硅，相较于对比例1正极耳中不添加锰和硅而言，实施例1中锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间为2.2s，对比例1中锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间为11s，由此表明，在锂离子电池的正极耳中添加锰和硅，能减少锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间，提升安全性能。
综上所述，本发明提供的锂离子电池，通过在所述锂离子电池的正极耳中添加锰和/或硅，进而降低正极耳的熔点，提升了锂离子电池在低线阻短路性能测试中的安全性能，锂离子电池在低线阻短路过程中的持续时间≤4.5s。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。