一种阻燃型锂离子电池

1.本发明涉及一种锂离子电池，尤其涉及一种阻燃型锂离子电池。


背景技术：

2.锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物作为正极材料、石墨作为负极材料、使用非水电解质的电池。结构包括正极、负极、电解液、隔膜和外壳等，电解液内包括溶剂、锂盐和添加剂等。在电池充电过程中，位于正极材料上的电子通过外接电路进入负极中，而正极材料上的li
+
则是通过电解液与正负极之间的隔膜材料最终达到负极，li
+
与电子和负极材料生成化合物留于负极之上；与之相反，在电池放电过程中，负极材料上的电子通过外接电路进入正极材料中，负极材料上的li
+
则通过电解液与隔膜材料进入正极材料中。
3.在能源紧缺并且全球注重环境污染的当下，锂离子电池的出现是一个很大的机遇，即不消耗大量的一次能源，而且在其工作过程中，不会产生对环境有害的物质。所以锂离子电池被广泛研究且应用于各种领域。但是锂离子电池在过充、高温、击打等情况下，易发生火灾甚至爆炸现象。现有技术针对锂离子电池存在的这个问题，通过往电解液中添加阻燃剂来解决，但是电解液添加了阻燃剂后会影响锂离子电池的正常工作(影响锂离子正常穿行隔膜)。即将灭火材料直接放入电解液内，在一定程度上会影响电解液内锂离子的正常穿行，另外有些灭火材料添加进去的后，在有机溶剂中具有一定的溶解度，会导致sei膜的不稳定性,降低锂离子的传导性,降低了电池的循环效率，而且它们与金属锂的反应又增大了电池的不可逆容量。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明针对现有技术中的阻燃性锂离子电池存在的影响锂离子电池正常工作的问题，提高一种既具有良好阻燃效果又不影响锂离子电池正常工作的阻燃型锂离子电池。
5.技术方案：本发明所述的阻燃型锂离子电池，在锂离子电池壳体内侧壁和/或在电解液外壳体内侧壁和/或在电解液壳体内侧壁上铺设有灭火材料。
6.其中，所述灭火材料由如下重量份数的组分组成：30～60份磷酸铵和40～60份卤代磷酸酯；灭火材料的粒径为不大于300μm。
7.其中，在锂离子电池壳体内侧壁上铺设灭火材料的方式为：先在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽i，沟槽i与水平面呈45
°
夹角，再在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽ii，沟槽ii与水平面也呈45
°
夹角，沟槽i和沟槽ii相互垂直设置；将灭火材料填满在沟槽i和沟槽ii内。
8.相互垂直设置的沟槽i和沟槽ii排布方式能够尽可能地增加灭火材料的用量，同时还可以保证锂离子电池与外界进行有效换热，从而降低锂离子电池发生爆炸的几率。铝壳体既可以起到在锂离子电池外层以保护电池内部结构的作用，而且还起到支撑灭火材料有序排列的作用，同时，铝壳体的导热性能很好，从而能够保证锂离子电池与外界的换热，
降低锂离子电池发生爆炸的可能性。上述这种倾斜度能够保证电解液最大化地与外界换热，当锂离子电池工作异常，电解液温度急速升高时，有效的换热在一定程度上可以降低锂离子电池爆炸或者着火的可能性。
9.其中，在锂离子电池壳体内侧壁上灭火材料的铺设量为：灭火材料的铺设面积为壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽内铺满有灭火材料。
10.其中，沟槽i和沟槽ii的槽宽均为不大于1cm，槽深为2～3mm，相邻沟槽i的间距为1cm；相邻沟槽ii的间距为1cm。
11.其中，在电解液外壳体内侧壁上铺设灭火材料的方式为：在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽iii，沟槽iii与水平面呈45
°
夹角，将灭火材料铺洒在沟槽iii中。
12.其中，在电解液外壳体内侧壁上灭火材料的铺设量为：灭火材料的铺设面积为壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽iii内铺满有灭火材料。
13.其中，沟槽iii的槽宽为不大于1cm，槽深为2～3mm，相邻沟槽iii的间距为1cm。
14.其中，在电解液壳体内侧壁上铺设灭火材料的方式为：在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽iv，沟槽iv与水平面呈45
°
夹角；将灭火材料铺洒在沟槽iv中，然后用涂层材料将灭火材料封装在沟槽iv中。将固体灭火材料磨成细微颗粒后，密实铺满在电解液壳体内壁，并将由聚四氟乙烯和酚醛树脂制成的涂层材料在高温下(不低于300℃)喷涂/涂覆到已嵌有灭火材料的电解液壳体内壁上，既不影响电解液的正常工作，也不需要加大电池的尺寸，并且还减少壳体材料的使用量。涂层材料高温下(300℃左右)为流动态，冷却至常温下呈固态；常温或电池正常工作时，涂层固化覆在灭火材料外，温度异常升高后，使得涂层破裂(变成流动态)，灭火材料暴露出来，发挥作用。
15.其中，在电解液壳体内侧壁上灭火材料的铺设量为：灭火材料的铺设面积为壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽iv的槽宽为不大于1cm，槽深为2～3mm，相邻沟槽iv的间距为1cm；沟槽iv内灭火材料的铺设厚度为2～3mm；沟槽iv内灭火材料上涂覆有涂层材料。
16.其中，所述涂层材料由如下重量份数的组分通过凝聚法制得：50～70份聚四氟乙烯和30～50份酚醛树脂。
17.其中，涂层的熔点为不高于300℃。在锂离子电池正常工作时，置于电解液外壳体内壁上的灭火材料、置于锂离子电池壳体内壁上的灭火材料及镶嵌在电解液壳体内壁上的灭火材料都不会影响锂离子电池的正常工作。当锂离子电池工作异常，温度升高，即将或已经发生爆炸着火时，温度达到涂层的熔点，涂层融化破裂，灭火材料暴露出来起到灭火的效果。
18.有益效果：本发明通过将灭火材料置于锂离子电池外壳体内侧壁上、电解液外壳体内侧壁上或电解液壳体内侧壁上得到阻燃型锂离子电池，相比于现有的具有阻燃效果的锂离子电池，本发明阻燃型锂离子电池不仅可以正常运行，而且当锂离子电池工作异常时，位于电池中的灭火材料可以起到灭火的作用，进而提高了锂离子电池工作的安全性。
附图说明
19.图1为在电解液外壳体内侧壁上铺设灭火材料的锂离子电池的局部结构示意图；
20.图2为在锂离子电池壳体内侧壁上铺设灭火材料的锂离子电池的局部结构示意
图；
21.图3为在电解液壳体内侧壁上铺设灭火材料的锂离子电池的局部结构示意图；
22.图4为在电解液外壳体内侧壁上铺设灭火材料的正视图；
23.图5为同时在电解液外壳体内侧壁上、锂离子电池壳体内侧壁上以及电解液壳体内侧壁上铺设灭火材料的锂离子电池的结构示意图。
具体实施方式
24.以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
25.实施例1
26.如图2所示，将灭火材料置于锂离子电池壳体内侧壁的阻燃型锂离子电池包括电池壳体以及位于电池壳体内依次排布的负极、隔膜、正极以及位于电解液壳体中的电解液，上述阻燃型锂离子电池的制备方法，具体为：
27.(1)在常温下，取质量份数为55份的磷酸铵和45份的卤代磷酸酯，分别研磨成粒径为300μm的颗粒，将两者混合均匀；
28.(2)在金属壳体(铝制壳体)内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽i，沟槽i与水平面呈45
°
夹角，再在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽ii，沟槽ii与水平面也呈45
°
夹角，沟槽i和沟槽ii相互垂直设置；沟槽i和沟槽ii的槽宽均为1cm，槽深为3mm，相邻沟槽i的间距为1cm；相邻沟槽ii的间距为1cm；
29.(3)将步骤(1)制备的灭火材料填入步骤(2)打出的沟槽i和沟槽ii中，灭火材料的铺设面积为电池壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽i和沟槽ii内灭火材料的铺设厚度为3mm，且灭火材料为紧密堆叠铺设；将已经铺好灭火材料的铝片安装在锂离子电池的最外层作为电池外壳。
30.实施例2
31.如图1所示，将灭火材料置于电解液外壳体内侧壁的阻燃型锂离子电池包括电池壳体以及位于电池壳体内依次排布的负极、隔膜、正极、电解液外壳体以及位于电解液壳体中的电解液，上述阻燃型锂离子电池的制备方法，具体为：
32.(1)在常温下，取质量份数为55份的磷酸铵和45份的卤代磷酸酯，分别研磨成粒径为300μm的颗粒，将两者混合均匀；
33.(2)在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽iii，沟槽iii与水平面呈45
°
夹角，沟槽iii的槽宽为1cm，槽深为3mm，相邻沟槽iii的间距为1cm；
34.(3)将步骤(1)制备的灭火材料填入步骤(2)打出的沟槽iii中；灭火材料的铺设面积为电解液外壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽iii内灭火材料的铺设厚度为3mm，且灭火材料为紧密堆叠铺设；将已经铺好灭火材料的铝片安装在电解液壳体的外部作为电解液外壳体。
35.实施例3
36.如图3所示，将灭火材料置于电解液壳体内侧壁的阻燃型锂离子电池包括电池壳体以及位于电池壳体内依次排布的负极、隔膜、正极以及位于电解液壳体中的电解液，上述阻燃型锂离子电池的制备方法，具体为：
37.(1)在常温下，取质量份数为55份的磷酸铵和45份的卤代磷酸酯，分别研磨成粒径
为300μm的颗粒，将两者混合均匀；
38.(2)取质量份数为60份的聚四氟乙烯和40份的酚醛树脂，通过凝聚法制成涂层胶凝材料；
39.(3)在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽iv，沟槽iv与水平面呈45
°
夹角，沟槽iv的槽宽为1cm，槽深为3mm，相邻沟槽iv的间距为1cm；
40.(4)将步骤(1)制备的灭火材料填入步骤(3)打出的沟槽iv中，将步骤(2)的涂层涂覆在已经镶嵌了灭火材料的电解液壳体内壁上，将灭火材料封装起来，即用步骤(2)的涂层材料将灭火材料封装在沟槽iv中；灭火材料的铺设面积为电解液壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽iv内灭火材料的铺设厚度为2.5mm，沟槽iv内灭火材料上涂层的厚度为0.5mm；将已经铺好灭火材料的铝壳体内填充上电解液。
41.实施例4
42.如图5所示，同时在电解液外壳体内侧壁上、锂离子电池壳体内侧壁上以及电解液壳体内侧壁上铺设灭火材料的锂离子电池，包括电池壳体以及位于电池壳体内依次排布的负极、隔膜、正极、电解液外壳体以及位于电解液壳体中的电解液，上述阻燃型锂离子电池的制备方法，具体为：
43.(1)在常温下，取质量份数为55份的磷酸铵和45份的卤代磷酸酯，分别研磨成粒径为300μm的颗粒，将两者混合均匀；
44.(2)取质量份数为60份的聚四氟乙烯和40份的酚醛树脂，通过凝聚法制成涂层胶凝材料；
45.(3)首先，在电池金属壳体(铝制壳体)内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽i，沟槽i与水平面呈45
°
夹角，再在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽ii，沟槽ii与水平面也呈45
°
夹角，沟槽i和沟槽ii相互垂直设置；沟槽i和沟槽ii的槽宽均为1cm，槽深为3mm，相邻沟槽i的间距为1cm；相邻沟槽ii的间距为1cm；同时，在外壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽iii，沟槽iii与水平面呈45
°
夹角，沟槽iii的槽宽为1cm，槽深为3mm，相邻沟槽iii的间距为1cm；最后，在电解液壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽iv，沟槽iv与水平面呈45
°
夹角，沟槽iv的槽宽为1cm，槽深为3mm，相邻沟槽iv的间距为1cm；
46.(4)首先，将步骤(1)制备的灭火材料填入步骤(3)打出的沟槽iv中，将步骤(2)的涂层涂覆在已经镶嵌了灭火材料的电解液壳体内壁上，将灭火材料封装起来，即用步骤(2)的涂层材料将灭火材料封装在沟槽iv中；灭火材料的铺设面积为电解液壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽iv内灭火材料的铺设厚度为2.7mm，沟槽iv内灭火材料上涂层的厚度为0.3mm；将已经铺好灭火材料的铝壳体内填充上电解液；再将步骤(1)制备的灭火材料填入步骤(3)打出的沟槽iii中；灭火材料的铺设面积为电解液外壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽iii内灭火材料的铺设厚度为3mm；将已经铺好灭火材料的铝片安装在电解液壳体的外部作为电解液外壳体；最后将步骤(1)制备的灭火材料填入步骤(3)打出的沟槽i和沟槽ii中，灭火材料的铺设面积为电池壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽i和沟槽ii内灭火材料的铺设厚度为3mm；将已经铺好灭火材料的铝片安装在锂离子电池的最外层作为电池外壳体。
47.在排布灭火材料时，倾斜45
°
开设沟槽一方面能够减缓细小颗粒的灭火材料在电池下部堆积的问题，同时协同相邻两沟槽的距离设置为1cm，通过上述两种排布方式的协
同，既保证了壳体上灭火材料的用量，也能够保证锂离子电池与外界的正常散热，从而保证锂离子电池的正常运行。
48.本发明阻燃型锂离子电池，在正常工作时，灭火材料不影响锂离子正常穿行隔膜，也不影响锂离子电池与外界的正常换热。当电池处于过充、高温、挤压等情况下，正极材料有强氧化性，快速氧化分解出氧气，负极具有强还原性，所以负极与正极分解出的氧气会发生强烈的氧化还原反应，温度升高，电解液会分解出更易燃的物质引起爆炸或缓慢着火，此时电池中的灭火材料就会起到抑制火焰的作用，从而提高锂离子电池运行的安全性。

技术特征：
1.一种阻燃型锂离子电池，其特征在于：在锂离子电池壳体内侧壁和/或在电解液外壳体内侧壁和/或在电解液壳体内侧壁上铺设有灭火材料。2.根据权利要求1所述的阻燃型锂离子电池，其特征在于：所述灭火材料由如下重量份数的组分组成：30～60份磷酸铵和40～60份卤代磷酸酯；灭火材料的粒径为不大于300μm。3.根据权利要求1所述的阻燃型锂离子电池，其特征在于：在锂离子电池壳体内侧壁上铺设灭火材料的方式为：先在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽i，沟槽i与水平面呈45
°
夹角，再在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽ii，沟槽ii与水平面也呈45
°
夹角，沟槽i和沟槽ii相互垂直设置；将灭火材料均匀铺洒在沟槽i和沟槽ii内。4.根据权利要求1所述的阻燃型锂离子电池，其特征在于：在锂离子电池壳体内侧壁上灭火材料的铺设量为：灭火材料的铺设面积为壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽内铺满有灭火材料。5.根据权利要求1所述的阻燃型锂离子电池，其特征在于：沟槽i和沟槽ii的槽宽均为不大于1cm，槽深为2～3mm，相邻沟槽i的间距为1cm；相邻沟槽ii的间距为1cm。6.根据权利要求1所述的阻燃型锂离子电池，其特征在于：在电解液外壳体内侧壁上铺设灭火材料的方式为：在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽iii，沟槽iii与水平面呈45
°
夹角，将灭火材料铺洒在沟槽iii中。7.根据权利要求1所述的阻燃型锂离子电池，其特征在于：在电解液外壳体内侧壁上灭火材料的铺设量为：灭火材料的铺设面积为壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽iii内铺满有灭火材料。8.根据权利要求1所述的阻燃型锂离子电池，其特征在于：沟槽iii的槽宽为不大于1cm，槽深为2～3mm，相邻沟槽iii的间距为1cm。9.根据权利要求1所述的阻燃型锂离子电池，其特征在于：在电解液壳体内侧壁上铺设灭火材料的方式为：在壳体内侧壁上蚀刻出多条相互平行且等距排布的沟槽iv，沟槽iv与水平面呈45
°
夹角；将灭火材料铺洒在沟槽iv中，然后用涂层材料将灭火材料封装在沟槽iv中；所述涂层材料由如下重量份数的组分混制而成：50～70份聚四氟乙烯和30～50份酚醛树脂；涂层材料的熔点为不高于300℃。10.根据权利要求1所述的阻燃型锂离子电池，其特征在于：在电解液壳体内侧壁上灭火材料的铺设量为：灭火材料的铺设面积为壳体内侧壁面积的1/2～2/3，沟槽iv的槽宽为不大于1cm，槽深为2～3mm，相邻沟槽iv的间距为1cm；沟槽iv内灭火材料的铺设厚度为2～3mm；沟槽iv内灭火材料上涂覆有涂层材料。

技术总结
本发明公开了一种阻燃型锂离子电池，在锂离子电池壳体内侧壁和/或在电解液外壳体内侧壁和/或在电解液壳体内侧壁上铺设有灭火材料。本发明通过将灭火材料置于锂离子电池外壳体内侧壁上、电解液外壳体内侧壁上或电解液壳体内侧壁上得到阻燃型锂离子电池，相比于现有的具有阻燃效果的锂离子电池，本发明阻燃型锂离子电池不仅可以正常运行，而且当锂离子电池工作异常时，位于电池中的灭火材料可以起到灭火的作用，进而提高了锂离子电池工作的安全性。性。性。


技术研发人员：齐永锋 张传灵 王子倩 陈响 王妹婷 王华伟 赵凌志 洪亚军
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2022.02.28
技术公布日：2023/9/7