电池极片、电池、电动交通工具及储能装置的制作方法

1.本发明涉及一种电池极片、电池、电动交通工具及储能装置。


背景技术：

2.锂离子电池具有比能量大、自放电率低的优点，被广泛应用于便携式电子设备和电动汽车等领域。随着锂离子电池的大范围应用，其安全性问题也逐渐显露，大多数表现在电池的内部短路上，内部短路主要是电池内部正极片与负极片直接接触而发生短路。
3.正负极极片之间通常会设置隔膜防止正极与负极接触，但正极极耳在制作过程中会在极片边缘产生出很多毛刺，在受到压力时这个毛刺会刺穿隔膜与负极接触形成内部短路，造成电池物理自放电，自放电的不一致性使电池组内各个电池性能不一致，影响电池组使用，而且严重的内部短路还会引起热失控等安全性问题。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种电池极片，所述电池极片包括集流体、以及设置在集流体上的活性物质层和绝缘层，所述集流体上未设置活性物质层和绝缘层的集流体本身为空箔区，空箔区位于集流体远离活性物质层的一侧，后续可作为电连接部；活性物质层设置于集流体的至少一个表面上，绝缘层与所述活性物质层相邻设置，所述绝缘层位于所述活性物质层与所述空箔区之间，所述绝缘层可以避免因极片边缘毛刺穿透隔膜或隔膜收缩导致正极片与负极片发生接触；所述绝缘层包括膨胀型阻燃材料，当电池着火时，绝缘层会发生膨胀增大正负极之间距离，并释放氨气、水蒸气、二氧化碳等不燃气体隔绝氧气阻止燃烧，增加电池安全性。
5.在某些实施例中，所述膨胀型阻燃材料包括酸源、碳源和气源，所述酸源包括聚磷酸铵、聚磷酸酯和磷酸氢铵中的一种或多种，所述碳源包括季戊四醇、双季戊四醇和氯化石蜡中的一种或多种，所述气源包括三聚氰胺尿酸盐、尿素、三聚氰胺和聚酰胺中的一种或者多种。
6.在某些实施例中，所述膨胀型阻燃材料为季戊四醇双磷酸酯三聚氰胺盐；或者所述膨胀型阻燃材料为碳源、以及三聚氰胺焦磷酸盐、磷酸三聚氰胺中的一种或者多种，所述碳源包括季戊四醇、双季戊四醇和氯化石蜡中的一种或多种。
7.在某些实施例中，所述酸源和所述碳源质量比为(55-85)：(15-45)，或者为(60-80)：(20-40)，或者为(65-75)：(25-35)；和/或所述酸源和所述气源的质量比为(55-85)：(15-45),或者为(60-80)：(20-40)，或者为(65-75)：(25-35)。
8.在某些实施例中，所述绝缘层还包括阻燃助剂，所述阻燃助剂包括红磷、硼酸锌、草酸铝、氢氧化铝、氧化锑和硫化锌中的一种或多种。
9.在某些实施例中，所述膨胀型阻燃材料与所述阻燃助剂的质量比为(85-100)：(0-15)，或者为(90-95)：(5-10)，或者为(85-95)：(5-15)。
10.在某些实施例中，所述绝缘层还包括粘结剂，所述膨胀型阻燃材料与所述粘结剂
的质量比为(60-90)：(10-40)，或者为(80-90)：(10-20)，或者为(70-85)：(15-25)。所述粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯中的一种或多种。
11.在某些实施例中，所述活性物质层的厚度为h1，所述绝缘层的厚度为h2，所述h1与所述h2的关系为：0.5≤h2/h1≤1.2，或者0.5≤h2/h1≤1。
12.在某些实施例中，所述活性物质层的厚度为h1，所述绝缘层的厚度为h2，所述h1的范围为30-120μm，或者40-100μm，或者60-80μm；所述h2的范围为15-120μm，或者30-100μm，或者45-80μm。
13.在某些实施例中，绝缘层与集流体直接接触的宽度为w2，活性物质层与集流体直接接触的宽度为w1，绝缘层的宽度w2被设置的范围是0.5-5mm，或者1-3mm，或者1-2mm。
14.本技术中可以采用涂覆、热压等方式在集流体上形成活性物质层，可以采用涂覆方式形成绝缘层，所述集流体可以为铜箔、铝箔、复合集流体或者泡沫金属。
15.在某些实施例中，所述活性物质层包括活性材料，所述活性材料包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂和镍钴铝酸锂中的一种或多种。所述活性物质层还包括导电剂和/或粘结剂，导电剂包括炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨、石墨烯和金属粉末中一种或多种；粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯和聚四氟乙烯中的一种或多种。
16.本技术还提供一种电池，包括前述的电池极片。
17.本技术还提供一种电动交通工具，包括前述的电池。
18.本技术还提供一种储能装置，包括前述的电池。
附图说明
19.图1是某些实施例中极片宽度方向的侧视图。
20.图2是某些实施例中极片的俯视图。
21.图3显示某些实施例中集流体上的绝缘层在电解液中浸泡前后的示意图(a-浸泡中，b-取出后)。
22.其中，1-集流体，2-活性物质层，3-绝缘层。
具体实施方式
23.下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本技术，但不以任何方式限制本技术。
24.见图1及图2，所述电池极片包括集流体1、以及设置在集流体1上的活性物质层2和绝缘层3，所述集流体1上未设置活性物质层2和绝缘层3的集流体1本身为空箔区，空箔区位于集流体1远离活性物质层2的一侧，后续可作为电连接部；活性物质层2设置于集流体1的至少一个表面上，绝缘层3与所述活性物质层2相邻设置，所述绝缘层3位于所述活性物质层2与所述空箔区之间，所述绝缘层3可以避免因极片边缘毛刺穿透隔膜或隔膜收缩导致正极片与负极片发生接触；所述绝缘层3包括膨胀型阻燃材料，当电池着火时，绝缘层3会发生膨胀增大正负极之间距离，并释放氨气、水蒸气、二氧化碳等不燃气体隔绝氧气阻止燃烧，增
加电池安全性。
25.实施例1
26.将230g聚磷酸铵、60g季戊四醇、120g三聚氰胺、30g氢氧化铝和60g聚偏氟乙烯混合在nmp溶剂中，制成绝缘浆料。将480g镍钴锰酸锂、5g炭黑和15g聚偏氟乙烯混合在nmp溶剂中，制成正极浆料。将所述正极浆料双面涂布在铝箔上形成正极活性材料层，同时将制备的绝缘浆料对应双面涂布在紧贴正极活性材料层边缘的空白区域。绝缘层的宽度为4mm，单面厚度为30μm。涂层烘干后辊压，裁切极耳制得正极片。将该正极片用常规方法制备软包电池。
27.实施例2
28.与实施例1相同方式制作电池，不同的是，阻燃绝缘涂层单面厚度15μm。
29.实施例3
30.与实施例1相同方式制作电池，不同的是，阻燃绝缘涂层单面厚度45μm。
31.实施例4
32.与实施例1相同方式制作电池，不同的是，将285g聚磷酸铵、60g季戊四醇、65g三聚氰胺、30g氢氧化铝和60g聚偏氟乙烯混合在nmp溶剂中，制成阻燃绝缘浆料。
33.实施例5
34.与实施例1相同方式制作电池，不同的是，将170g聚磷酸铵、120g季戊四醇、120g三聚氰胺、30g氢氧化铝和60g聚偏氟乙烯混合在nmp溶剂中，制成阻燃绝缘浆料。
35.实施例6
36.与实施例1相同方式制作电池，不同的是，将230g聚磷酸铵、60g季戊四醇、120g三聚氰胺、30g硼酸锌和60g聚偏氟乙烯混合在nmp溶剂中，制成阻燃绝缘浆料。
37.对比例1
38.与实施例1相同方式制作电池，不同的是，正极涂布区边缘不涂阻燃绝缘层。
39.性能测试
40.1.电池容量测试
41.在25℃下，将实施例1-6与对比例1制作的电池以1c电流充电至4.2v转恒压充电至电流小于0.05c；再将电池以1c电流放电至2.7，获得电池的初始容量。
42.2.电池自放电测试
43.在25℃下，将实施例1-6与对比例1制作的电池以1c电流充电至4.2v转恒压充电至电流小于0.05c，将电池静置72小时，测试电池开路电压。
44.3.电池高温安全试验
45.在25℃下，将实施例1-6与对比例1制作的电池各15只以1c电流充电至4.2v转恒压充电至电流小于0.05c。将电池置于150℃环境1小时，观察电池外观变化。
46.测试结果见表1。
47.表1
[0048][0049]
从表1结果看，涂有阻燃绝缘层的电池与未涂绝缘层电池初始容量相差不大，说明阻燃层对电池容量没有影响。具有绝缘涂层的实施例电池充满电搁置后自放电比未涂绝缘层的对比例电池小。涂有阻燃绝缘层的电池在150℃高温环境下的耐受更好，其中实施例1和实施例6电池耐高温性能最好，冒烟起火电池比例最低。
[0050]
为测试绝缘层3在电解液中与集流体的粘接性能，将实施例1中制得的绝缘浆料涂覆在集流体1上(单面)之后，浸泡在电解液中，24小时之后取出，发现绝缘层粘接力良好，未发生脱落(见图3所示)。所述电解液包括溶剂、锂盐和添加剂，所述溶剂为200ml碳酸乙烯酯和400ml碳酸甲乙酯，所述锂盐为六氟磷酸锂，锂盐在溶剂中的摩尔浓度为1mol/l，所述添加剂为碳酸亚乙烯酯和氟代碳酸乙烯酯，碳酸亚乙烯酯在溶剂中的质量分数为1％，氟代碳酸乙烯酯在溶剂中的质量分数为3％。
[0051]
为测试绝缘层在电池高温状态下的膨胀效果，将实施例1中制得的绝缘浆料涂覆在0.3mm厚的铝箔上，用精度为0.01mm的游标卡尺测量其燃烧前的厚度；用燃烧的蜡烛对已涂覆绝缘层的铝箔进行焚燃，并测量其燃烧后的厚度。通过表2可知，在电池高温状态下，绝缘层的体积约可膨胀为原来的10倍，形成良好的阻燃层。
[0052]
表2：
[0053][0054]
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种电池极片，所述电池极片包括集流体、以及设置在集流体上的活性物质层和绝缘层，所述集流体上未设置活性物质层和绝缘层的区域为空箔区，所述活性物质层设置于所述集流体的至少一个表面上，所述绝缘层与所述活性物质层相邻设置，所述绝缘层位于所述活性物质层与所述空箔区之间，所述绝缘层包括膨胀型阻燃材料。2.如权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述膨胀型阻燃材料包括酸源、碳源和气源，所述酸源包括聚磷酸铵、聚磷酸酯和磷酸氢铵中的一种或多种，所述碳源包括季戊四醇、双季戊四醇和氯化石蜡中的一种或多种，所述气源包括三聚氰胺尿酸盐、尿素、三聚氰胺和聚酰胺中的一种或者多种。3.如权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述膨胀型阻燃材料为季戊四醇双磷酸酯三聚氰胺盐；或者所述膨胀型阻燃材料为三聚氰胺焦磷酸盐、磷酸三聚氰胺中的一种或者多种，和碳源；所述碳源包括季戊四醇、双季戊四醇和氯化石蜡中的一种或多种。4.如权利要求2所述的电池极片，其特征在于，所述酸源和所述碳源质量比为(55-85)：(15-45)；和/或所述酸源和所述气源的质量比为(55-85)：(15-45)。5.如权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述绝缘层还包括阻燃助剂，所述阻燃助剂包括红磷、硼酸锌、草酸铝、氢氧化铝、氧化锑和硫化锌中的一种或多种。6.如权利要求5所述的电池极片，其特征在于，所述膨胀型阻燃材料与所述阻燃助剂的质量比为(85-100)：(0-15)。7.如权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述绝缘层还包括粘结剂，所述膨胀型阻燃材料与所述粘结剂的质量比为(60-90)：(10-40)。8.如权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述活性物质层的厚度为h1，所述绝缘层的厚度为h2，所述h1与所述h2的关系为：0.5≤h2/h1≤1.2。9.如权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述活性物质层的厚度为h1，所述绝缘层的厚度为h2，所述h1的范围为30-120μm，所述h2的范围为15-120μm。10.如权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述绝缘层与集流体直接接触的宽度为w2，所述w2的范围是0.5-5mm。11.如权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述活性物质层包括活性材料；所述活性材料包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂和镍钴铝酸锂中的一种或多种。12.一种电池，包含如权利要求1-11任一所述的电池极片。13.一种电动交通工具，包含如权利要求12所述的电池。14.一种储能装置，包含如权利要求12所述的电池。

技术总结
本公开提供了一种电池极片，所述电池极片包括集流体、以及设置在集流体上的活性物质层和绝缘层，所述集流体上未设置活性物质层和绝缘层的区域为空箔区，所述活性物质层设置于所述集流体的至少一个表面上，所述绝缘层与所述活性物质层相邻设置，所述绝缘层位于所述活性物质层与所述空箔区之间，所述绝缘层包括膨胀型阻燃材料。当电池着火时，绝缘层会发生膨胀增大正负极之间的距离，并释放不燃气体隔绝氧气阻止燃烧，增加电池安全性。本公开还提供了一种含有上述电池极片的电池，以及含有上述电池的电动交通工具和储能装置。池的电动交通工具和储能装置。池的电动交通工具和储能装置。


技术研发人员：邓国友 姚煜 靳勇 慎晓杰 王丕
受保护的技术使用者：微宏动力系统（湖州）有限公司
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/10/19