一種高安全陶瓷隔膜鋰電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高安全陶瓷隔膜鋰電池。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池目前有液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池兩類。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物-鈷酸鋰、錳酸鋰，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物。
[0003]鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長，是21世紀(jì)發(fā)展的理想能源載體。
[0004]鋰電池通常有兩種外型:圓柱型和方型。電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)，用一種非常精細(xì)而滲透性很強(qiáng)的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負(fù)極間間隔而成。正極包括由鈷酸鋰(或鎳鈷錳酸鋰、錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰等)及鋁箔組成的電流收集極。負(fù)極由石墨化碳材料和銅箔組成的電流收集極組成。電池內(nèi)充有有機(jī)電解質(zhì)溶液。另外還裝有安全閥和PTC元件(部分圓柱式使用)，以便電池在不正常狀態(tài)及輸出短路時保護(hù)電池不受損壞。
[0005]當(dāng)鋰電池芯過充到電壓高于4.2V后，會開始產(chǎn)生副作用。過充電壓愈高，危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后，正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半，此時儲存格常會垮掉，讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。如果繼續(xù)充電，由于負(fù)極的儲存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會由負(fù)極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會穿過隔膜紙，使正負(fù)極短路。有時在短路發(fā)生前電池就先爆炸，這是因?yàn)樵谶^充過程，電解液等材料會裂解產(chǎn)生氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進(jìn)而爆炸。
[0006]因此，鋰電池充電時，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。鋰電芯放電時也要有電壓下限。當(dāng)電芯電壓低于2.4V時，部分材料會開始被破壞。由于電池會自放電，放愈久電壓會愈低，因此，放電時最好不要放到2.4V才停止。鋰電池從3.0V放電到2.4V這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此，3.0V是一個理想的放電截止電壓。充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要。電流過大時，鋰離子來不及進(jìn)入儲存格，會聚集于材料表面。這些鋰離子獲得電子后，會在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過充一樣，會造成危險性。萬一電池外殼破裂，就會爆炸。
[0007]為了避免因使用不當(dāng)造成電池過放電或者過充電，在單體鋰離子電池內(nèi)設(shè)有三重保護(hù)機(jī)構(gòu)。一是采用開關(guān)元件，當(dāng)電池內(nèi)的溫度上升時，它的阻值隨之上升，當(dāng)溫度過高時，會自動停止供電；二是選擇適當(dāng)?shù)母舭宀牧希?dāng)溫度上升到一定數(shù)值時，隔板上的微米級微孔會自動溶解掉，從而使鋰離子不能通過，電池內(nèi)部反應(yīng)停止；三是設(shè)置安全閥(就是電池頂部的放氣孔)，電池內(nèi)部壓力上升到一定數(shù)值時，安全閥自動打開，保證電池的使用安全性。
[0008]有時，電池本身雖然有安全控制措施，但是因?yàn)槟承┰蛟斐煽刂剖ъ`，缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放，電池內(nèi)壓便會急劇上升而引起爆炸。
[0009]提高現(xiàn)有安全控制技術(shù)的性能，首先要提高鋰離子電池芯的安全性能，這對大容量電池尤為重要。選擇熱關(guān)閉性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔離電池正負(fù)極的同時，允許鋰離子的通過。當(dāng)溫度升高時，在隔膜熔化前進(jìn)行關(guān)閉，從而使內(nèi)阻上升至2000歐姆，讓內(nèi)部反應(yīng)停止下來。
[0010]鋰離子電池隔膜，在鋰電池的結(jié)構(gòu)中，隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。隔膜的主要作用是使電池的正、負(fù)極分隔開來，防止兩極接觸而短路，此外還具有能使電解質(zhì)離子通過的功能。隔膜材質(zhì)是不導(dǎo)電的，其物理化學(xué)性質(zhì)對電池的性能有很大的影響。電池的種類不同，采用的隔膜也不同。對于鋰電池系列，由于電解液為有機(jī)溶劑體系，因而需要有耐有機(jī)溶劑的隔膜材料，一般采用高強(qiáng)度薄膜化的聚烯烴多孔膜。
[0011]鋰電池隔膜的要求:(I)具有電子絕緣性，保證正負(fù)極的機(jī)械隔離；⑵有一定的孔徑和孔隙率，保證低的電阻和高的離子電導(dǎo)率，對鋰離子有很好的透過性；(3)由于電解質(zhì)的溶劑為強(qiáng)極性的有機(jī)化合物，隔膜必須耐電解液腐蝕，有足夠的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性；(4)對電解液的浸潤性好并具有足夠的吸液保濕能力；(5)具有足夠的力學(xué)性能，包括穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等，但厚度盡可能??；(5)空間穩(wěn)定性和平整性好；(6)熱穩(wěn)定性和自動關(guān)斷保護(hù)性能好。動力電池對隔膜的要求更高，通常采用復(fù)合膜。
[0012]陶瓷隔膜，通過涂覆一層超薄的PET非織造支撐層和氧化物包括氧化鋁、氧化鋯和硅石制備得到。氧化物顆粒先懸浮在無機(jī)的粘合劑中，然后將懸浮液涂覆在非織造PET上。通過將涂覆后的PET在200° C干燥就得到了復(fù)合隔膜。這種方法獲得的隔膜有著很小的、大約0.08微米的平均孔洞尺寸和大約24微米的厚度。在這種隔膜中，大約20微米厚度的PET非織造物，提供了拉伸強(qiáng)度和靈活性，而陶瓷顆粒涂層則有助于避免針孔，同時阻止了枝晶穿透和提供了熱穩(wěn)定性。LG化學(xué)也發(fā)展了一種陶瓷增強(qiáng)的隔膜，通過在多孔基底上(通常是聚烯烴多孔膜)涂覆一層由無機(jī)顆粒和高分子粘合劑混合漿得到的多孔層。該隔膜有PE作支撐層，鈦酸鋇/ 丁基丙烯酸鹽-丙烯酸共聚物做涂層，在150° C下干燥I小時后收縮小于10%。
[0013]現(xiàn)有的鋰電池一般都是采用的普通的聚烯烴多孔膜，聚烯烴多孔膜對于阻止鋰電池內(nèi)部的枝晶穿透、熱穩(wěn)定性、穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等性能不佳，同時對于抑制電池極化，減少熱效應(yīng)，提高倍率的附加效果也不好，耐電解液腐蝕的性能差，無法提高鋰電池的耐高低溫性能。當(dāng)對鋰電池使用不當(dāng)造成電池過放或者過充時，容易導(dǎo)致鋰電池短路爆炸，對人們的生命財產(chǎn)造成威脅。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0014](I)要解決的技術(shù)問題
[0015]本實(shí)用新型為了克服現(xiàn)有的鋰電池的隔膜，無法避免鋰電池短路爆炸問題的發(fā)生，安全性低的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種高安全陶瓷隔膜鋰電池。
[0016](2)技術(shù)方案
[0017]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了這樣一種高安全陶瓷隔膜鋰電池，包括有陶瓷隔膜、正極集流體導(dǎo)電層、負(fù)極集流體導(dǎo)電層、隔膜柱1、隔膜柱I1、隔膜柱III ;
[0018]所述的陶瓷隔膜為涂有陶瓷的復(fù)合隔膜；所述的陶瓷隔膜、所述的正極集流體導(dǎo)電層、所述的負(fù)極集流體導(dǎo)電層均為條狀；所述的陶瓷隔膜與所述的正極集流體導(dǎo)電層相連接，所述的正極集流體導(dǎo)電層設(shè)置在對稱折疊后的所述的陶瓷隔膜的中間位置上；
[0019]所述的負(fù)極集流體導(dǎo)電層與所述的陶瓷隔膜相連接，所述的負(fù)極集流體導(dǎo)電層覆蓋在對稱折疊后的所述的陶瓷隔膜的內(nèi)表面上；
[0020]所述的陶瓷隔膜的下表面與所述的隔膜柱I相連接；所述的陶瓷隔膜的上表面與所述的隔膜柱II和所述的隔膜柱III相連接，所述的隔膜柱II設(shè)置在所述的隔膜柱III的左側(cè)；
[0021]在所述的陶瓷隔膜上下表面上分別設(shè)置的所述的隔膜柱I和所述的隔膜柱I1、所述的隔膜柱III，共同使螺旋卷繞的所述的陶瓷隔膜、所述的正極集流體導(dǎo)電層、所述的負(fù)極集流體導(dǎo)電層同時在水平方向的斷面上形成S形。
[0022]工作原理:鋰電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。
[0023]鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌(習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示)。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。
[0024]當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對電池進(jìn)行放電時，即我們使用電池的過程，嵌在負(fù)極碳