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CN101887960B - 锂离子电池极耳及具有该极耳的锂离子电池 - Google Patents

锂离子电池极耳及具有该极耳的锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池极耳，该极耳包括一金属片和设置于该金属片表面的PTC材料层。此外，本发明还涉及一种锂离子电池，该锂离子电池包括壳体、置于壳体内的电芯以及极耳，该极耳一端与所述电芯相连，另一端伸出壳体外，且所述极耳包括一金属片和设置于该金属片表面的PTC材料层。

Description

锂离子电池极耳及具有该极耳的锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池极耳及具有该极耳的锂离子电池，尤其涉及一种具有PTC功能的锂离子电池极耳及具有该极耳的锂离子电池。
背景技术
随着电子技术的不断发展，目前电子消费品和一些专业的电子设备逐步向小型化和便携化发展，并且功能也在不断的增加，这就对电池的能量提出了越来越高的要求。锂离子电池具有较高的能量密度，并且多以有机溶剂作为电解质的载体，而目前锂离子电池所使用的有机电解质挥发性高且易燃，所以锂离子电池的比容量虽然高，但存在安全性问题。锂离子电池由于过压、过流、短路等异常原因致使电池温度升高到一定程度时，电池内有机物质发生副反应，不仅使电池易失效，还可能引起燃烧或爆炸。
为了防止燃烧或爆炸，锂离子电池通常包括有温度保护功能的正温度系数(PTC)器件。当PTC器件达到一设定温度时，该PTC器件的电阻可以迅速升高几个数量级。将PTC器件连接在锂离子电池的电路中，利用该PTC器件突然增大的阻值可以减小甚至切断过充/过放或短路的电流，可以达到安全保护锂离子电池的目的。
现有技术中通常是将PTC材料做成单独的PTC器件与锂离子电池中的极耳串联来保护锂离子电池，2006年3月1日公告的公告号为CN2762362Y的中国专利介绍了该方面的技术，但这种串联的结构使得在锂离子电池包装壳设计时必须预留出PTC器件的安装空间，影响了锂离子电池内部空间的利用率，且对于不同结构的锂离子电池，该PTC器件的安装位置也要相应作出改变，此外，还要考虑PTC器件与锂离子电池极耳的连接方式。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种锂离子电池极耳以及具有该极耳的锂离子电池，其中，该极耳自身能集成PTC器件的功能、易于制作且适用性广泛。
一种锂离子电池极耳，该极耳包括一金属片和设置于该金属片表面的PTC材料层。
一种锂离子电池，该锂离子电池包括壳体、置于壳体内的电芯以及极耳，该极耳一端与所述电芯相连，另一端伸出壳体外，且所述极耳包括一金属片和设置于该金属片表面的PTC材料层。
相较于现有技术，本发明锂离子电池极耳自身集成了PTC功能且制作简单，适用于各种形状和类型的锂离子电池，通过该极耳的PTC材料层与外电路连接，提高了锂离子电池的安全性能，由于该PTC材料层很薄，在室温～80℃范围内，该PTC材料层的电阻率很小，该极耳可以正常导电，当锂离子电池过充电、短路或其它原因造成过热时，该PTC材料层的电阻急剧上升达到切断电流的作用，从而很好的保护电池；当温度降低到室温～80℃范围内后，该PTC材料层的电阻率又变小，电池仍然可以正常使用。另外，由于将较薄的PTC材料层直接形成于极耳金属片表面，不需要独立设计PTC元件，不影响锂离子电池设计时空间的利用率。
附图说明
图1是本发明实施例锂离子电池极耳结构侧视示意图。
图2是本发明实施例锂离子电池正视示意图。
主要元件符号说明
极耳                10
金属片              12
PTC材料层           14
锂离子电池          100
正极极耳            102
负极极耳            104
壳体                106
电芯                108
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例锂离子电池极耳及具有该极耳的锂离子电池。
请参阅图1，本发明实施例锂离子电池极耳10包括金属片12和设置于该金属片12表面的PTC材料层14。
所述金属片12的材料可为金、银、铜、镍或铝等导电性较好的纯金属或上述金属的合金，本发明实施例中该金属片12为铝片。该锂离子电池极耳10可为正极极耳或负极极耳，可以理解，该正、负极极耳的金属片12的材料可以不同。例如，当该极耳10为正极极耳时，该金属片12的材料可为铝片，当该极耳10为负极极耳时，该金属片12的材料可为镍片。金属片12的厚度优选为0.1mm～0.4mm，金属片12的宽度优选为3mm～100mm。
所述PTC材料层14的材料为PTC功能材料，该PTC材料层14既可设置于该金属片12的一个表面，也可以设置于该金属片12相对的两个表面。所述PTC材料层14的厚度优选为5μm～500μm，更为优选为5μm～50μm。所述PTC功能材料可为聚合物复合型PTC材料或无机复合氧化物PTC材料。
其中，所述聚合物复合型PTC材料进一步包括：(A)一种熔点在80℃～180℃的聚合物，该聚合物可为烯烃及烯烃衍生物的均聚物或共聚物，如聚乙烯、聚乙烯/醋酸乙烯或环氧树脂等；(B)一种导电颗粒，该导电颗粒可为金属氧化物、金属粉或导电的碳系颗粒。其中所述金属氧化物可为三氧化二钒(V2O3)、二氧化钒(VO2)或二氧化钛(TiO2)等；所述金属粉可为银粉、铜粉、镍粉或上述金属的合金粉体；所述导电的碳系颗粒可为石墨、炭黑、乙炔黑、碳纤维或碳纳米管等。所述导电颗粒分散在该聚合物中，常温下形成导电网络，使该聚合物复合型PTC材料在常温下电阻值较低；当温度升高到所述聚合物的熔点时，该聚合物膨胀致使所述导电网络断开，从而使该聚合物复合性PTC材料的电阻率迅速增大。
需要注意的是，所述聚合物复合型PTC材料的PTC性能与导电颗粒的含量和聚合物的结晶度等因素有关。该导电颗粒的含量过多或过少，以及聚合物的结晶度较低都会使所述聚合物复合型PTC材料随温度变化的敏感度变低。优选的，所述导电颗粒与所述聚合物的质量比为0.2∶1～1∶1；所述聚合物的结晶度为10％～80％。
所述聚合物复合型PTC材料可通过高能辐照交联的方法制备，具体制备过程为：将所述导电颗粒分散到所述聚合物中，然后通过紫外线照射或加热的方法使该聚合物交联固化，获得聚合物复合性PTC材料。交联的过程可以提高该聚合物复合型PTC材料的稳定性和使用寿命。
所述无机复合氧化物PTC材料可为三氧化二钒(V2O3)、钛酸钡(BaTiO3)、掺杂的三氧化二钒或掺杂的钛酸钡。
所述掺杂的V2O3或掺杂的BaTiO3为在V2O3或BaTiO3中掺杂有金属元素或其它低阻相物质，来降低该V2O3或BaTiO3的室温电阻率，从而增强了PTC材料对温度的敏感度。所述金属元素可为镧、锑、钇、铌、钽或镍等。
本发明锂离子电池极耳可根据如下方法制备：
S1，将所述PTC功能材料制成浆料，并均匀涂覆于所述金属片12表面；以及
S2，在70℃～120℃下热处理该浆料6～10小时，使所述PTC功能材料固化于金属片12表面形成该PTC材料层14。
在上述步骤S1中，当PTC功能材料为无机复合氧化物PTC材料时，可进一步在该浆料中添加导电粘结剂。当PTC功能材料为聚合物复合型PTC材料时，可不需要导电粘结剂，直接将导电颗粒和聚合物制成浆料均匀涂覆于金属片12表面，也可将预先制成的聚合物复合型PTC材料研磨成粉体，再与导电粘结剂制成浆料涂覆于所述金属片12表面。
所述导电粘结剂可为聚吡咯、聚噻吩或聚苯胺等，且该导电粘结剂的质量百分含量占整个浆料的5％～10％。
本发明采用不同材料的所述锂离子电池极耳。
实施例1
所述金属片12的材料为铝片，所述PTC功能材料为含有V2O3的环氧树脂复合材料，其中V2O3与环氧树脂的体积比为0.9∶1，环氧树脂的结晶度为70％。该锂离子电池极耳10的制备过程为：将V2O3颗粒与环氧树脂按上述体积比制成浆料，均匀涂覆于所述金属片12表面，然后在90℃下烧结该浆料8小时，制成具有PTC材料层14的锂离子电池极耳10，其中该PTC材料层14的厚度为50μm。
实施例2
所述金属片12的材料为铝片，所述PTC功能材料为V2O3粉体，该V2O3粉体的粒径优选小于50μm，所述导电粘结剂为聚吡咯。V2O3对温度的敏感性较强，对电池大电流下的过流保护能力较好。该锂离子电池极耳10的制备过程如下：将粒径为40μm的V2O3粉体与质量百分比含量为8％的聚吡咯混合制成浆料，均匀涂覆于所述金属片12表面，然后在100℃下烧结该浆料8小时，制成具有PTC材料层14的锂离子电池极耳10，其中该PTC材料层14的厚度为80μm。
请参阅图2，本发明实施方式进一步提供了一种锂离子电池100。该锂离子电池100包括壳体106、置于壳体106内的电芯108以及与该电芯108电连接的极耳10。
该极耳10可以包括正极极耳102和负极极耳104。所述正极极耳102及负极极耳104一端分别与所述电芯108中的正极集流体及负极集流体相连接，另一端伸出所述壳体106外与外电路相连，其中，所述正极极耳102及负极极耳104进一步包括一金属片，且所述正极极耳102及负极极耳104中的至少一个包括设置于该金属片表面的PTC材料层。该锂离子电池100通过正极极耳102和/或负极极耳104的PTC材料层与外电路相连接，在电性连接上，所述正极极耳102和/或负极极耳104的PTC材料层串联于该锂离子电池100与外电路之间。
所述正极极耳102及负极极耳104的一端可通过焊接的方式分别与电芯108中的正极集流体及负极集流体对应相连，另外，该正极极耳102及负极极耳104也可为所述正极集流体及负极集流体的一部分。
所述锂离子电池100的正极极耳102及负极极耳104可以为一个或多个。
所述PTC材料层在常温下电阻率优选为0.005Ω·cm～1Ω·cm，在80℃～120℃温度以上的电阻率大于104Ω·cm，从而使通过该PTC材料层连接的锂离子电池在高温下与外电路断开。
本发明采用所述锂离子电池极耳10制备所述锂离子电池100并进行测试。
实施例3
所述锂离子电池100包括一个正极极耳102和一个负极极耳104，且该正极极耳102包括一金属片和设置于该金属片表面的PTC材料层，该负极极耳104仅包括一金属片。本发明实施例中该正极极耳102的金属片为铝片，PTC材料层为V2O3；该负极极耳104的金属片为镍片。该锂离子电池100的制备过程如下：
首先，通过超声波焊接的方式分别将该正极极耳102的金属片及该负极极耳104的金属片一端与所述电芯108中的正极集流体及负极集流体连接成一体。本实施例中正极极耳102通过所述PTC材料层与外电路连接。
然后，将所述壳体106安装在所述带有正极极耳102和负极极耳104的电芯108外，并注入电解液，抽空、密封后形成锂离子电池100。
对该锂离子电池100进行短路测试，即将锂离子电池100充满电后，用一电阻不大于50mΩ的导线将正极极耳102与负极极耳104短路，测试锂离子电池100表面以及PTC材料层的温度变化，未短路时，正极极耳102的PTC材料层的电阻率为0.08Ω·cm，短路后，锂离子电池100的表面温度迅速上升，相应的PTC材料层的温度也迅速上升，当PTC材料层温度超过80℃时，PTC材料层电阻率迅速上升，数量级达105Ω·cm，电阻的急剧增大切断了短路电流以避免电池温度的进一步升高，从而较好的保护了该锂离子电池。
本发明锂离子电池极耳自身集成了PTC功能且制作简单，适用于各种形状和类型的锂离子电池，通过该极耳的PTC材料层与外电路连接，提高了锂离子电池的安全性能，由于该PTC材料层很薄，在室温～80℃范围内，该PTC材料层的电阻率很小，该极耳可以正常导电，当锂离子电池过充电、短路或其它原因造成过热时，该PTC材料层的电阻急剧上升达到切断电流的作用，从而很好的保护电池；当温度降低到室温～80℃范围内后，该PTC材料层的电阻率又变小，电池仍然可以正常使用。另外，由于将较薄的PTC材料层直接形成于极耳金属片表面，不需要独立设计PTC元件，不影响锂离子电池设计时空间的利用率。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种锂离子电池极耳，该锂离子电池极耳设置于锂离子电池壳体外部，包括一金属片，其特征在于，进一步包括一设置于该金属片表面的PTC材料层，锂离子电池通过所述极耳的PTC材料层与外电路电连接，所述PTC材料层的材料为三氧化二钒、掺杂的三氧化二钒或含三氧化二钒的聚合物复合型PTC材料。
2.如权利要求1所述的锂离子电池极耳，其特征在于，所述PTC材料层的厚度为5μm～500μm。
3.如权利要求1所述的锂离子电池极耳，其特征在于，所述PTC材料层的厚度为5μm～50μm。
4.一种锂离子电池，该锂离子电池包括壳体及置于壳体内的电芯及极耳，该极耳一端与电芯相连，另一端伸出壳体外，其特征在于，所述极耳包括一金属片和设置于该金属片表面的PTC材料层，该锂离子电池通过所述极耳的PTC材料层与外电路电连接，所述PTC材料层的材料为三氧化二钒、掺杂的三氧化二钒或含三氧化二钒的聚合物复合型PTC材料。
5.如权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，该极耳为正极极耳或负极极耳中至少一个，该电芯包括正极集流体及负极集流体，该正极极耳的金属片与该正极集流体连接，该负极集流体的金属片与该负极集流体连接。
6.如权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，该极耳为一个或多个。
7.如权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，所述PTC材料层常温下的电阻率为0.005Ω·cm～1Ω·cm。
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