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CN114530670B - 一种电芯结构以及二次电池 - Google Patents

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CN114530670B CN202210048283.1A CN202210048283A CN114530670B CN 114530670 B CN114530670 B CN 114530670B CN 202210048283 A CN202210048283 A CN 202210048283A CN 114530670 B CN114530670 B CN 114530670B
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Abstract

本发明属于二次电池技术领域，尤其涉及一种电芯结构以及二次电池，包括正极片、隔膜和负极片，所述隔膜分隔所述正极片和所述负极片，所述正极片包括正极集流体以及热熔胶，所述负极片包括负极集流体以及半导体材料，隔膜包括膜主体以及调节膜，所述热熔胶设置于正极集流体与调节膜之间，所述半导体材料设置于负极集流体与调节膜之间。本发明的电芯结构在温度升高时，正极片的热熔胶受热收缩，使调节膜的膜孔打开，负极片的半导体材料受热膨胀并穿伸过调节膜的膜孔，并与正极集流体接触，从而发生短路，由于半导体材料的阻抗大的性能，短路电流小，电芯从而缓缓将能量释放，避免电芯进一步升温，进而解决电芯高温热失控的问题。

Description

一种电芯结构以及二次电池
技术领域
本发明属于二次电池技术领域，尤其涉及一种电芯结构以及二次电池。
背景技术
锂离子电池因具有能量密度大、自放电小、工作温度范围宽、没有环境污染等优点，被广泛应用于各种数码产品和移动设备上。而随着锂离子电池快充性能和能量密度的不断提升，电池的热安全性成为了极大的挑战。
商业化锂离子电池通常采用材料体系的调整来提高电池的热稳定性，如提高阴极材料的掺杂包覆来提高阴极活性材料的热稳定性；提高隔膜的厚度来降低高温条件下隔膜的热收缩，从而提升电池热稳定性；降低阳极材料比表面积等方式来降低阳极材料的活性来提高热稳定性。这些方法一定程度上可以提升锂离子电池的热安全性，降低锂离子电池的高温热失控几率，但随之带来的是锂离子电池能量密度的降低或快充性能的损失，同时不能彻底解决高温热失控。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，提供一种电芯结构，在高温时能够缓慢释放能量，从而解决高温热失控的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电芯结构，包括正极片、隔膜和负极片，所述隔膜分隔所述正极片和所述负极片，所述正极片包括正极集流体以及涂覆于正极集流体的热熔胶，所述负极片包括负极集流体以及涂覆于负极集流体的半导体材料，隔膜包括膜主体以及与膜主体并列设置的调节膜，所述调节膜的孔径大于膜主体的孔径，所述热熔胶设置于正极集流体与调节膜之间，所述半导体材料设置于负极集流体与调节膜之间。
隔膜设置有膜主体和调节膜，膜主体分隔正极集流体和负极集流体，具有细小的膜孔，为多孔隔膜，能导通离子，使锂离子能正常穿过隔膜在阴阳极间往复输运，但物理上隔绝电池阴阳极接触杜绝短路；调节膜具有多个较大的膜孔，正常温度时，热熔胶堵塞调节膜的膜孔，当温度升高至一定温度且达到热熔胶的热熔温度时热熔胶收缩，使膜孔打开，并露出正极集流体，半导体材料受热膨胀并穿过调节膜的膜孔，与正极集流体接触，从而使正负极短路，同时由于半导体材料的电阻抗大的性能，正负极短路电流较小，发热缓慢，电池缓慢释放能量，而不致于热失热，从而解决电池高温热失控问题。
优选地，所述热熔胶为热熔收缩性热熔胶，所述热熔胶的热熔温度为90~130℃。热熔胶受热时会收缩，使调节膜的膜孔打开，露出正极集流体，热熔胶的热熔温度低于基膜的热熔温度，进而能够在较低温度下释放能量，避免热失控。
优选地，所述膜主体的孔径为0.01~4µm，调节膜的孔径为100~600µm。膜主体的孔径为0.01µm、0.05µm、0.1µm、0.5µm、1µm、1.5µm、2µm、2.5µm、3µm、4µm，调节膜的孔径为100µm、120µm、160µm、220µm、250µm、300µm、350µm、460µm、490µm、520µm、540µm、580µm、600µm。
优选地，所述调节膜的孔径大于半导体材料的中位数粒径。
优选地，所述热熔胶涂覆于正极集流体的至少一边缘，所述半导体材料涂覆于负极集流体的至少一边缘，热熔胶涂覆区域与半导体材料涂覆区域相对。热熔胶涂覆位置和半导体材料涂覆位置可根据使用情况进行设置。热熔胶和半导体材料的涂覆位置可以设置于集流体的四周，可以设置于集流体的一侧边。
优选地，所述热熔胶涂覆于正极集流体的一侧边缘，所述半导体材料涂覆于负极集流体的一侧边缘，热熔胶涂覆区域与半导体材料涂覆区域相对。热熔胶涂覆于集流体的一侧边缘，加工时，热熔胶朝走带方向沿着正极集流体的边缘进行涂覆，半导体材料朝走带方向沿着负极集流体的边缘进行涂覆。
优选地，所述热熔胶在正极集流体的涂覆宽度大于或等于0.2mm，所述半导体材料在负极集流体的涂覆宽度大于或等于0.2mm。设置一定的涂覆宽度，既能避免热熔胶降低电池的能量密度，又能使半导体材料在高温时与正极集流体发生短路，从而避免电池热失控。
优选地，所述半导体材料为半导体硅基材料，所述半导体硅基材料包括二氧化硅、纳米硅中的至少一种。半导体硅基材料自身可嵌锂，充当锂离子电池阳极片边缘的OH部分，不影响阳极片边缘半导体以外区域的正常电化学反应，因此不折损电池的能量密度和快充性能。
优选地，所述正极集流体设置有正极耳，所述负极集流体设置有负极耳。
本发明的目的之二在于：针对现有技术的不足，提供一种二次电池，在高温时能够缓慢释放能量，从而解决高温热失控的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种二次电池，包括电解液、壳体以及上述电芯结构，壳体装设所述电解液和电芯结构。具体地，所述电芯结构可以是卷绕结构，可以是叠片结构。
其中，正极片的集流体上涂覆的活性物质层，可以包括但不限于化学式如LiaNixCoyMzO2-bNb(其中0.95≤a≤1.2，x>0，y≥0，z≥0，且x+y+z=1, 0≤b≤1，M选自Mn，Al中的一种或多种的组合，N选自F, P, S中的一种或多种的组合)所示的化合物中的一种或多种的组合，所述正极活性物质还可以包括但不限于LiCoO2、LiNiO2、LiVO2、LiCrO2、LiMn2O4、LiCoMnO4、Li2NiMn3O8、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCoPO4、LiMnPO4、LiFePO4、LiNiPO4、LiCoFSO4、CuS2、FeS2、MoS2、NiS、TiS2等中的一种或多种的组合。所述正极活性物质还可以经过改性处理，对正极活性物质进行改性处理的方法对于本领域技术人员来说应该是己知的，例如，可以采用包覆、掺杂等方法对正极活性物质进行改性，改性处理所使用的材料可以包括但不限于Al，B，P、Zr、Si、Ti、Ge、Sn、Mg、Ce、W等中的一种或多种的组合。而所述正极集流体通常是汇集电流的结构或零件，所述正极集流体可以是本领域各种适用于作为锂离子电池正极集流体的材料，例如，所述正极集流体可以包括但不限于金属箔等，更具体可以包括但不限于铝箔等。
负极片的集流体上涂覆的活性物质层可以包括但不限于石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球、硅基材料、锡基材料、钛酸锂或其他能与锂形成合金的金属等中的一种或几种。其中，所述石墨可选自人造石墨、天然石墨以及改性石墨中的一种或几种；所述硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或几种；所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或几种。所述负极集流体通常是汇集电流的结构或零件，所述负极集流体可以是本领域各种适用于作为锂离子电池负极集流体的材料，例如，所述负极集流体可以包括但不限于金属箔等，更具体可以包括但不限于铜箔等。
而所述隔膜可以是本领域各种适用于锂离子电池隔膜的材料，例如，可以包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺，聚酰胺、聚酯和天然纤维等中的一种或多种的组合。
该锂离子电池还包括电解液，电解液包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂。其中，电解质锂盐可以是高温性电解液中采用的LiPF6和/或LiBOB；也可以是低温型电解液中采用的LiBF4、LiBOB、LiPF6中的至少一种；还可以是防过充型电解液中采用的LiBF4、LiBOB、LiPF6、LiTFSI中的至少一种；亦可以是LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2中的至少一种。而有机溶剂可以是环状碳酸酯，包括PC、EC；也可以是链状碳酸酯，包括DEC、DMC、或EMC；还可以是羧酸酯类，包括MF、MA、EA、MP等。而添加剂包括但不限于成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、防过充添加剂、控制电解液中H2O和HF含量的添加剂、改善低温性能的添加剂、多功能添加剂中的至少一种。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的电芯结构，在负极设置有半导体材料，在正极设置有热熔胶，半导体材料和热熔胶分别位于调节膜的两侧，调节膜的孔径大于膜主体的孔径，正常工作时，膜主体分隔正极集流体和负极集流体，热熔胶堵塞调节膜的膜孔，半导体材料填充于负极集流体且并不能穿过调节膜，当电芯温度升高时，正极片的热熔胶受热收缩，使调节膜的膜孔打开，负极片的半导体材料受热膨胀并穿伸过调节膜的膜孔，并与正极集流体接触，从而发生短路，由于半导体材料的阻抗大的性能，短路电流小，电芯从而缓缓将能量释放，避免电芯进一步升温，进而解决电芯高温热失控的问题。
附图说明
图1是本发明的隔膜的结构示意图。
图2是本发明的正极片的俯视图。
图3是本发明的负极片的俯视图。
图4是本发明的电芯结构的组装示意图。
其中：1、正极片；11、正极集流体；12、热熔胶；13、正极活性材料；2、隔膜；21、调节膜；22、膜主体；3、负极片；31、负极集流体；32、半导体材料；33、负极活性材料。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
1、一种电芯结构，包括正极片1、隔膜2和负极片3，所述隔膜2分隔所述正极片1和所述负极片3，如图2和图4所示，所述正极片1包括正极集流体11以及涂覆于正极集流体11的热熔胶12，如图3和图4所示，所述负极片3包括负极集流体31以及涂覆于负极集流体31的半导体材料32，如图1所示，隔膜2包括膜主体22以及设置于膜主体22的调节膜21，所述调节膜21的孔径大于膜主体22的孔径，所述热熔胶12设置于正极集流体11与调节膜21之间，所述半导体材料32设置于负极集流体31与调节膜21之间。正极集流体11涂覆有热熔胶12和正极活性材料13，热熔胶12与正极活性材料13并列设置。负极集流体31涂覆有半导体材料32和负极活性材料33，半导体材料32与负极活性材料33并列设置。
其中，热熔胶12为热熔收缩性热熔胶12，所述热熔胶12的热熔温度为90℃。
其中，所述膜主体22的孔径为2µm，调节膜21的孔径为250µm。
其中，所述调节膜21的孔径大于半导体材料32的中位数粒径，半导体材料32的D50为120µm。
其中，所述热熔胶12涂覆于正极集流体11沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.2mm，所述半导体材料32涂覆于负极集流体31沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.2mm。
2、一种二次电池，包括正极片1、隔膜2、负极片3、电解液以及铝塑膜，所述隔膜2分隔正极片1和负极片3，正极片1、隔膜2以及负极片3依次卷绕形成卷式电芯，铝塑膜将上述的卷式电芯和电解液装设封装，化成得到二次电池。
实施例2
1、一种电芯结构，包括正极片1、隔膜2和负极片3，所述隔膜2分隔所述正极片1和所述负极片3，所述正极片1包括正极集流体11以及涂覆于正极集流体11的热熔胶12，所述负极片3包括负极集流体31以及涂覆于负极集流体31的半导体材料32，隔膜2包括膜主体22以及设置于膜主体22的调节膜21，所述调节膜21的孔径大于膜主体22的孔径，所述热熔胶12设置于正极集流体11与调节膜21之间，所述半导体材料32设置于负极集流体31与调节膜21之间。
其中，热熔胶12为热熔收缩性热熔胶12，所述热熔胶12的热熔温度为100℃。
其中，所述膜主体22的孔径为3µm，调节膜21的孔径为300µm。
其中，所述调节膜21的孔径大于半导体材料32的中位数粒径，半导体材料32的D50为120µm。
其中，所述热熔胶12涂覆于正极集流体11沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.3mm，所述半导体材料32涂覆于负极集流体31沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.3mm。
2、一种二次电池，包括正极片1、隔膜2、负极片3、电解液以及铝塑膜，所述隔膜2分隔正极片1和负极片3，正极片1、隔膜2以及负极片3依次卷绕形成卷式电芯，铝塑膜将上述的卷式电芯和电解液装设封装，化成得到二次电池。
实施例3
一种电芯结构，包括正极片1、隔膜2和负极片3，所述隔膜2分隔所述正极片1和所述负极片3，所述正极片1包括正极集流体11以及涂覆于正极集流体11的热熔胶12，所述负极片3包括负极集流体31以及涂覆于负极集流体31的半导体材料32，隔膜2包括膜主体22以及设置于膜主体22的调节膜21，所述调节膜21的孔径大于膜主体22的孔径，所述热熔胶12设置于正极集流体11与调节膜21之间，所述半导体材料32设置于负极集流体31与调节膜21之间。
其中，热熔胶12为热熔收缩性热熔胶12，所述热熔胶12的热熔温度为120℃。
其中，所述膜主体22的孔径为4µm，调节膜21的孔径为500µm。
其中，所述调节膜21的孔径大于半导体材料32的中位数粒径，半导体材料32的D50为300µm。
其中，所述热熔胶12涂覆于正极集流体11沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.4mm，所述半导体材料32涂覆于负极集流体31沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.4mm。
2、一种二次电池，包括正极片1、隔膜2、负极片3、电解液以及铝塑膜，所述隔膜2分隔正极片1和负极片3，正极片1、隔膜2以及负极片3依次卷绕形成卷式电芯，铝塑膜将上述的卷式电芯和电解液装设封装，化成得到二次电池。
实施例4
一种电芯结构，包括正极片1、隔膜2和负极片3，所述隔膜2分隔所述正极片1和所述负极片3，所述正极片1包括正极集流体11以及涂覆于正极集流体11的热熔胶12，所述负极片3包括负极集流体31以及涂覆于负极集流体31的半导体材料32，隔膜2包括膜主体22以及设置于膜主体22的调节膜21，所述调节膜21的孔径大于膜主体22的孔径，所述热熔胶12设置于正极集流体11与调节膜21之间，所述半导体材料32设置于负极集流体31与调节膜21之间。
其中，热熔胶12为热熔收缩性热熔胶12，所述热熔胶12的热熔温度为130℃。
其中，所述膜主体22的孔径为0.1µm，调节膜21的孔径为110µm。
其中，所述调节膜21的孔径大于半导体材料32的中位数粒径，半导体材料32的D50为90µm。
其中，所述热熔胶12涂覆于正极集流体11沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.5mm，所述半导体材料32涂覆于负极集流体31沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.5mm。
2、一种二次电池，包括正极片1、隔膜2、负极片3、电解液以及铝塑膜，所述隔膜2分隔正极片1和负极片3，正极片1、隔膜2以及负极片3依次卷绕形成卷式电芯，铝塑膜将上述的卷式电芯和电解液装设封装，化成得到二次电池。
实施例5
一种电芯结构，包括正极片1、隔膜2和负极片3，所述隔膜2分隔所述正极片1和所述负极片3，所述正极片1包括正极集流体11以及涂覆于正极集流体11的热熔胶12，所述负极片3包括负极集流体31以及涂覆于负极集流体31的半导体材料32，隔膜2包括膜主体22以及设置于膜主体22的调节膜21，所述调节膜21的孔径大于膜主体22的孔径，所述热熔胶12设置于正极集流体11与调节膜21之间，所述半导体材料32设置于负极集流体31与调节膜21之间。
其中，热熔胶12为热熔收缩性热熔胶12，所述热熔胶12的热熔温度为105℃。
其中，所述膜主体22的孔径为1µm，调节膜21的孔径为450µm。
其中，所述调节膜21的孔径大于半导体材料32的中位数粒径，半导体材料32的D50为300µm。
其中，所述热熔胶12涂覆于正极集流体11沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.2mm，所述半导体材料32涂覆于负极集流体31沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.2mm。
2、一种二次电池，包括正极片1、隔膜2、负极片3、电解液以及铝塑膜，所述隔膜2分隔正极片1和负极片3，正极片1、隔膜2以及负极片3依次卷绕形成卷式电芯，铝塑膜将上述的卷式电芯和电解液装设封装，化成得到二次电池。
实施例6
一种电芯结构，包括正极片1、隔膜2和负极片3，所述隔膜2分隔所述正极片1和所述负极片3，所述正极片1包括正极集流体11以及涂覆于正极集流体11的热熔胶12，所述负极片3包括负极集流体31以及涂覆于负极集流体31的半导体材料32，隔膜2包括膜主体22以及设置于膜主体22的调节膜21，所述调节膜21的孔径大于膜主体22的孔径，所述热熔胶12设置于正极集流体11与调节膜21之间，所述半导体材料32设置于负极集流体31与调节膜21之间。
其中，热熔胶12为热熔收缩性热熔胶12，所述热熔胶12的热熔温度为125℃。
其中，所述膜主体22的孔径为2µm，调节膜21的孔径为250µm。
其中，所述调节膜21的孔径大于半导体材料32的中位数粒径，半导体材料32的D50为120µm。
其中，所述热熔胶12涂覆于正极集流体11沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.2mm，所述半导体材料32涂覆于负极集流体31沿走带的一侧边缘，涂覆宽度为0.2mm。
2、一种二次电池，包括正极片1、隔膜2、负极片3、电解液以及铝塑膜，所述隔膜2分隔正极片1和负极片3，正极片1、隔膜2以及负极片3依次卷绕形成卷式电芯，铝塑膜将上述的卷式电芯和电解液装设封装，化成得到二次电池。
实施例7
与实施例1的不同之处在于：所述正极片1、隔膜2、负极片3依次层叠设置制成叠片电芯。
其余与实施例1相同，这里不再赘述。
对比例1
一种二次电池，包括正极片1、负极片3、隔膜2、电解液以及铝塑膜壳体，正极片1包括正极集流体11和涂覆于正极集流体11一侧表面的正极活性物质，负极片3包括负极集流体31和涂覆于负极集流体31一侧表面的负极活性物质，隔膜2分隔正极片1和负极片3，铝塑膜壳体将正极片1、隔膜2、负极片3和电解液装设密封封装。其中，正极集流体11为铝箔，负极集流体31为铜箔，隔膜2为聚丙烯隔膜2。
性能测试：将上述实施例1-7以及对比例1制备出的二次电池进行300次充放电容量保持率测试以及在135℃下进行耐热性测试，测试结果记录表1。
表1
Figure SMS_1
由上述表1可得出，本发明的二次电池相对于对比例1的二次电池具有更好的耐热性，有效解决热失控问题，从而使电池具有更好的容量保持率。这是因为本发明的电芯结构，在负极设置有半导体材料32，在正极设置有热熔胶12，半导体材料32和热熔胶12分别位于调节膜21的两侧，调节膜21的孔径大于膜主体22的孔径，正常工作时，膜主体22分隔正极集流体11和负极集流体31，热熔胶12堵塞调节膜21的膜孔，半导体材料32填充于负极集流体31且并不能穿过调节膜21，当电芯温度升高时，正极片1的热熔胶12受热收缩，使调节膜21的膜孔打开，负极片3的半导体材料32受热膨胀并穿伸过调节膜21的膜孔，并与正极集流体11接触，从而发生短路，由于半导体材料32的阻抗大的性能，短路电流小，电芯从而缓缓将能量释放，避免电芯进一步升温，进而解决电芯高温热失控的问题。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种电芯结构，其特征在于，包括正极片、隔膜和负极片，所述隔膜分隔所述正极片和所述负极片，所述正极片包括正极集流体以及涂覆于正极集流体的热熔胶，所述负极片包括负极集流体以及涂覆于负极集流体的半导体材料，隔膜包括膜主体以及与膜主体并列设置的调节膜，所述调节膜的孔径大于膜主体的孔径，所述热熔胶设置于正极集流体与调节膜之间，所述半导体材料设置于负极集流体与调节膜之间；
其中，所述半导体材料为半导体硅基材料，所述半导体硅基材料包括二氧化硅、纳米硅中的至少一种；
当温度升高时，热熔胶受热收缩，使调节膜的孔打开，半导体材料受热膨胀并穿过调节膜的孔，并与正极集流体接触，从而发生短路。
2.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述热熔胶为热熔收缩性热熔胶，所述热熔胶的热熔温度为90~130℃。
3.根据权利要求1或2所述的电芯结构，其特征在于，所述膜主体的孔径为0.01~4µm，调节膜的孔径为100~600µm。
4.根据权利要求3所述的电芯结构，其特征在于，所述调节膜的孔径大于半导体材料的中位数粒径。
5.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述热熔胶涂覆于正极集流体的至少一边缘，所述半导体材料涂覆于负极集流体的至少一边缘，热熔胶涂覆区域与半导体材料涂覆区域相对。
6.根据权利要求5所述的电芯结构，其特征在于，所述热熔胶涂覆于正极集流体的一侧边缘，所述半导体材料涂覆于负极集流体的一侧边缘，热熔胶涂覆区域与半导体材料涂覆区域相对。
7.根据权利要求6所述的电芯结构，其特征在于，所述热熔胶在正极集流体的涂覆宽度大于或等于0.2mm，所述半导体材料在负极集流体的涂覆宽度大于或等于0.2mm。
8.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述正极集流体设置有正极耳，所述负极集流体设置有负极耳。
9.一种二次电池，其特征在于，包括电解液、壳体以及权利要求1-8中任一项所述电芯结构，壳体装设所述电解液和电芯结构。
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