一种改善电池热蔓延性能的复合膜、其制备方法和用途与流程

1.本发明属于电池技术领域，涉及一种改善电池热蔓延性能的复合膜、其制备方法和用途。


背景技术：

2.锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命等优点，被新能源汽车的动力系统所青睐。锂离子电池提高能量密度一般会采用镍含量更高的正极材料、对集流体或隔膜进行减薄、增大单体电池尺寸等方式，随着能量密度的提高，电池的安全性问题也越来越凸显。虽然为了保障电池的安全性，电池在出厂前会进行严格的安全法规测试，但即便如此也不能完全消除热失控事故发生的可能性。新能源汽车自燃大部分都涉及电池的热失控和热蔓延两个过程。电池热失控后在短时间内会释放大量的能量以及有毒和可燃气体，导致驾驶人员和财产的重大损失，因此改善锂离子电池的热稳定性和安全性迫在眉睫。
3.动力电池热失控蔓延的影响因素有电池本身的材料特征以及电池的散热和传热条件，另外还有电池之间的连接方式和喷出物起火等因素的影响。对于方型和软包电池而言，传热可能是最重要的影响因素。如果能够有效的对热失控电池的传热进行有效阻隔，使热失控局限于电池单体，就可以将危害降到最低。
4.在热管理方面，目前多数研究还是从正常工况下的温度控制角度进行，针对热失控蔓延抑制的研究不多。在几种热管理手段中，液冷、相变冷却、应急冷却是常用的温度控制方式。但是上面几种方式会在系统中加入额外的驱动器件，导致系统的复杂度变高、成本增加。
5.cn105633502a公开了一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其包括：单体锂离子电池、隔热垫、端板及导热系统；导热系统包括导热片及水室，导热片与水室热接触；其中，导热片、单体锂离子电池及隔热垫依次组装在一起，使其中每个单体锂离子电池的一面为所述隔热垫，另一面为导热片；在上述组装结构的两端分别安装端板，通过端板压紧上述组装结构。该发明通过采用正向压紧力压紧电池组，电池间的隔热垫和高效地导热系统的设置，可以达到抑制热失控蔓延的目的，同时此技术方案并不影响正常运行工况下电池组的热管理。
6.因此，如何保证电池具有结构简单、无需加入额外驱动器件的情况下，还能够有效的对热失控电池的传热进行有效阻隔，成为目前迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种改善电池热蔓延性能的复合膜、其制备方法和用途，通过采用塑封的方式制备具有阻燃层的复合膜，设置在电池内部，能够有效的阻止热失控后电池内部热量的热传导和对流传输，增强电池的热失控安全性。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种改善电池热蔓延性能的复合膜，所述复合膜包括依次层叠的第一塑封膜、阻燃层和第二塑封膜，所述第一塑封膜和第二塑封膜的边缘贴合夹设所述阻燃层。
10.本发明通过设置第一塑封膜、阻燃层和第二塑封膜，在电池工作过程中，有效阻止热传导和对流传输，延长热失控时间，具有良好阻燃效果，增强电池的热失控安全性，进一步地，本发明通过设置塑封膜，防止阻燃层内的材料进入电解液，破坏负极的sei膜的问题发生，具有优良的循环性能；此外，本发明的操作简单，不会增加电池系统的复杂度，易于实现产业化。
11.作为本发明的一个优选技术方案，所述阻燃层的厚度为0.1～0.5mm，例如为0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.35mm、0.40mm、0.45mm或0.50mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
12.本发明通过控制阻燃层的厚度为0.1～0.5mm，在不影响电池结构尺寸的前提下，保证阻燃效果，若厚度低于0.1mm，会导致阻燃材料强度太低，自动化组装过程中易损伤，若厚度高于0.5mm，会导致极组厚度超出标准，入壳困难。
13.作为本发明的一个优选技术方案，所述第一塑封膜的厚度为0.01～0.05mm，例如为0.010mm、0.015mm、0.020mm、0.025mm、0.030mm、0.035mm、0.040mm、0.045mm或0.050mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
14.优选地，所述第二塑封膜的厚度为0.01～0.05mm，例如为0.010mm、0.015mm、0.020mm、0.025mm、0.030mm、0.035mm、0.040mm、0.045mm或0.050mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
15.作为本发明的一个优选技术方案，所述第一塑封膜和第二塑封膜的边缘贴合的宽度为0.5～2.5mm，例如为0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm、1.7mm、1.9mm、2.1mm、2.3mm或2.5mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
16.作为本发明的一个优选技术方案，所述第一塑封膜包括聚酰亚胺薄膜、pet薄膜、聚丙烯薄膜或聚乙烯薄膜中的一种或至少两种的组合。
17.优选地，第二塑封膜包括聚酰亚胺薄膜、pet薄膜、聚丙烯薄膜或聚乙烯薄膜中的一种或至少两种的组合。
18.作为本发明的一个优选技术方案，所述阻燃层包括氧化铝陶瓷泡沫材料层、玻璃纤维布层、铜箔层、高硅氧布层、云母片层、二氧化硅气凝胶层或陶瓷纤维布层中的一种或至少两种的组合。
19.第二方面，本发明提供了一种第一方面所述改善电池热蔓延性能的复合膜的制备方法，所述制备方法包括：
20.将阻燃层进行塑封，形成第一塑封层和第二塑封层，将阻燃层隔绝密封，制备得到所述改善电池热蔓延性能的复合膜。
21.第三方面，本发明提供了一种电池，所述电池包括外壳和电芯，所述电芯的外周贴设有第一方面所述改善电池热蔓延性能的复合膜。
22.需要说明的是，本发明中所述复合膜贴着在电芯的外周，即电芯的任一表面，或电芯与外壳接触的一侧表面，通过所述复合膜将电芯全部包覆或部分包覆，避免电池热蔓延造成的危害，本领域技术人员可根据热分布情况，隔离设置复合膜的贴设位置。
23.作为本发明的一个优选技术方案，所述电芯与复合膜之间设置有胶层，所述胶层的厚度为0.05～0.1mm，例如为0.050mm、0.055mm、0.060mm、0.065mm、0.070mm、0.075mm、0.080mm、0.085mm、0.090mm、0.095mm或0.100mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
24.示例性地，提供一种上述电池的制备方法，所述电池的制备方法具体包括以下步骤：
25.在所述复合膜的一侧表面涂胶形成厚度为0.05～0.1mm的胶层，将所述复合膜具有胶层的一侧贴至电芯的外周后，再将电芯放至外壳内，电池周边焊接后制备得到所述的电池。
26.第四方面，本发明提供了一种电池模组，所述电池模组内堆叠设置有第三方面所述的电池。
27.本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
29.本发明通过设置第一塑封膜、阻燃层和第二塑封膜，在电池工作过程中，有效阻止热传导和对流传输，延长热失控时间，具有良好阻燃效果，增强电池的热失控安全性，进一步地，本发明通过设置塑封膜，防止阻燃层内的材料进入电解液，破坏负极的sei膜的问题发生，具有优良的循环性能；此外，本发明的操作简单，不会增加电池系统的复杂度，易于实现产业化。
附图说明
30.图1为本发明实施例1-3中提供的改善电池热蔓延性能的复合膜的结构示意图，l1代表的是阻燃层与复合膜长边一侧边缘的宽度，l2代表的是阻燃层与复合膜宽边一侧边缘的宽度；
31.图2为本发明实施例1-3中提供的改善电池热蔓延性能的复合膜的内部层叠截面结构示意图；
32.图3为本发明实施例1-3、对比例1-4中提供的电池中电解液的金属离子含量对比图，其中柱状图上的字母分别代表的是al离子、b离子、ca离子和na离子；
33.图4为本发明实施例1-3、对比例1-4中提供的电池容量衰减对比图。
34.其中，1-第一塑封膜；2-阻燃层；3-第二塑封膜。
具体实施方式
35.需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可
以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
36.需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
38.实施例1
39.本实施例提供了一种电池，所述电池的电芯外周贴设有所述改善电池热蔓延性能的复合膜，如图1和图2所示，其中，第一塑封膜1和第二塑封膜3的均为厚度0.02mm的聚丙烯薄膜，阻燃层2为厚度0.1mm的云母片，第一塑封膜1和第二塑封膜3的边缘贴合的宽度即封边宽度，l1和l2均为0.5mm，背胶的厚度为0.05mm。
40.本实施例还提供了一种上述电池的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：
41.(ⅰ)使用0.02mm厚度的聚丙烯薄膜将0.1mm厚度的氧化铝陶瓷泡沫材料进行塑封处理，封边宽度中l1和l2均为0.5mm，方便入壳，密封良好不泄漏，形成所述复合膜；
42.(ⅱ)将步骤(ⅰ)的复合膜进行单面背胶处理，胶层的厚度为0.05mm，得到单面背胶的复合膜；
43.(ⅲ)将步骤(ⅱ)中的复合膜与电芯进行组装，将其粘贴到电芯的外周，再进行组装入壳、电池周边焊接等后工序组装为成品电池。
44.实施例2
45.本实施例提供了一种电池，所述电池的电芯外周贴设有所述改善电池热蔓延性能的复合膜，如图1和图2所示，其中，第一塑封膜1和第二塑封膜3的均为厚度0.03mm的聚酰亚胺薄膜，阻燃层2为厚度0.5mm的高硅氧布，第一塑封膜1和第二塑封膜3的边缘贴合的宽度即封边宽度，l1和l2均为1.5mm，背胶的厚度为0.1mm。
46.本实施例还提供了一种上述电池的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：
47.(ⅰ)使用0.03mm厚度的聚酰亚胺薄膜将0.5mm厚度的高硅氧布进行塑封处理，封边宽度中l1和l2均为1.5mm，方便入壳，密封良好不泄漏，形成所述复合膜；
48.(ⅱ)将步骤(ⅰ)的复合膜进行单面背胶处理，胶层的厚度为0.1mm，得到单面背胶的复合膜；
49.(ⅲ)将步骤(ⅱ)中的复合膜与电芯进行组装，将其粘贴到电芯的外周，再进行组装入壳、电池周边焊接等后工序组装为成品电池。
50.实施例3
51.本实施例提供了一种电池，所述电池的电芯外周贴设有所述改善电池热蔓延性能的复合膜，如图1和图2所示，其中，第一塑封膜1和第二塑封膜3的均为厚度0.03mm的pet薄膜，阻燃层2为厚度0.3mm的氧化铝陶瓷泡沫材料层，第一塑封膜1和第二塑封膜3的边缘贴合的宽度即封边宽度，l1和l2均为1.5mm，背胶的厚度为0.05mm。
52.本实施例还提供了一种上述电池的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：
53.(ⅰ)使用0.03mm厚度的pet薄膜将0.3mm厚度的氧化铝陶瓷泡沫材料进行塑封处
理，封边宽度中l1和l2均为1.5mm，方便入壳，密封良好不泄漏，形成所述复合膜；
54.(ⅱ)将步骤(ⅰ)的复合膜进行单面背胶处理，胶层的厚度为0.05mm，得到单面背胶的复合膜；
55.(ⅲ)将步骤(ⅱ)中的复合膜与电芯进行组装，将其粘贴到电芯的外周，再进行组装入壳、电池周边焊接等后工序组装为成品电池。
56.实施例4
57.本实施例提供了一种电池，与实施例1相比，其区别在于，所述阻燃层2的厚度为0.05mm，其余参数和步骤与实施例1完全相同。
58.对比例1
59.本对比例提供了一种电池，与实施例1相比，其区别在于，复合膜中不包括阻燃层2，其余参数和步骤与实施例1完全相同。
60.对比例2
61.本对比例提供了一种电池，与实施例1相比，其区别在于，复合膜替换为厚度0.1mm的云母片，其余参数和步骤与实施例1完全相同。
62.对比例3
63.本对比例提供了一种电池，与实施例2相比，其区别在于，复合膜替换为厚度0.5mm的高硅氧布，其余参数和步骤与实施例1完全相同。
64.对比例4
65.本对比例提供了一种电池，与实施例3相比，其区别在于，复合膜替换为厚度0.3mm的氧化铝陶瓷泡沫材料层，其余参数和步骤与实施例1完全相同。
66.本发明还提供了一种电池模组，所述电池模组包括堆叠设置的上述电池。
67.对上述实施例1-3和对比例1-4制备得到的所述复合膜进行浸泡电解液，测试金属离子溶出情况，浸泡温度为45℃，浸泡时间为30天，电解液使用含有1mol/l lipf6的ec、emc和dec的混合溶液(体积比为1:1:1)，测试结果如图3所示。
68.对上述实施例1-3和对比例1-4制备得到的电池进行循环测试，循环测试的条件为45℃下1c/1c进行充放电，测试结果如图4所示，对比例1单体电池循环900次后，其容量保持率为94.6％，实施例1单体电池循环900次后，其容量保持率为94.4％，实施例2单体电池循环900次后，其容量保持率为94.0％，实施例3单体电池循环900次后，其容量保持率为93.8％。由上述数据可知，电池内部增加塑封后的阻燃层2后，对电池的循环寿命基本无影响。而对比例2、3、4由于未对阻燃层2进行塑封处理，导致材料随循环的进行，结合图3和图4，金属离子溶出较多，进一步会破坏负极的sei膜，从而加速电池的容量衰减。
69.分别选取上述实施例和对比例中的电池，同一是实施例或对比例的两个电池进行叠加，两个电池的代号分别为cell 1和cell 2，电池之间采用厚度为1.2mm的气凝胶，模拟电池在模组中的状态，利用加热板触发其中一只电池，观察两只电池的变化，测试结果如表1所示，由表1可知，在电池中侧面或大面添加复合阻燃材料后第二只电池的热失控时间明显延长，具有良好的阻燃效果。并且对电池的侧喷和底喷改善明显。
70.表1
[0071][0072]
实施例1与实施例4相比，实施例1的效果优于实施例4，由此可以看出，本发明通过控制阻燃层2的厚度为0.1～0.5mm，在不影响电池结构尺寸的前提下，保证阻燃效果，若厚度低于0.1mm，会导致阻燃材料强度太低，自动化组装过程中易损伤；若厚度高于0.5mm，会导致极组厚度超出标准，入壳困难，此外，复合膜厚度过大，如按照实施例1的外壳，电池无法组装，通过更换其他电池壳体尺寸完成电池组装，厚度大于0.5mm依然能够保证阻燃效果；在增大外壳体积的同时，会降低电池的能量密度。
[0073]
通过以上实施例和对比例，本发明通过设置第一塑封膜1、阻燃层2和第二塑封膜3，在电池工作过程中，有效阻止热传导和对流传输，延长热失控时间，具有良好阻燃效果，增强电池的热失控安全性，进一步地，本发明通过设置塑封膜，防止阻燃层2内的材料进入电解液，破坏负极的sei膜的问题发生，具有优良的循环性能；此外，本发明的操作简单，不会增加电池系统的复杂度，易于实现产业化。
[0074]
申请人声明，以上所述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，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种改善电池热蔓延性能的复合膜，其特征在于，所述复合膜包括依次层叠的第一塑封膜、阻燃层和第二塑封膜，所述第一塑封膜和第二塑封膜的边缘贴合夹设所述阻燃层。2.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述阻燃层的厚度为0.1～0.5mm。3.根据权利要求1或2所述的复合膜，其特征在于，所述第一塑封膜的厚度为0.01～0.05mm；优选地，所述第二塑封膜的厚度为0.01～0.05mm。4.根据权利要求1-3任一项所述的复合膜，其特征在于，所述第一塑封膜和第二塑封膜的边缘贴合的宽度为0.5～2.5mm。5.根据权利要求1-4任一项所述的复合膜，其特征在于，所述第一塑封膜包括聚酰亚胺薄膜、pet薄膜、聚丙烯薄膜或聚乙烯薄膜中的一种或至少两种的组合；优选地，第二塑封膜包括聚酰亚胺薄膜、pet薄膜、聚丙烯薄膜或聚乙烯薄膜中的一种或至少两种的组合。6.根据权利要求1-5任一项所述的复合膜，其特征在于，所述阻燃层包括氧化铝陶瓷泡沫材料层、玻璃纤维布层、铜箔层、高硅氧布层、云母片层、二氧化硅气凝胶层或陶瓷纤维布层中的一种或至少两种的组合。7.一种权利要求1-6任一项所述改善电池热蔓延性能的复合膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将阻燃层进行塑封，形成第一塑封层和第二塑封层，将阻燃层隔绝密封，制备得到所述改善电池热蔓延性能的复合膜。8.一种电池，其特征在于，所述电池包括外壳和电芯，所述电芯的外周贴设有权利要求1-6任一项所述改善电池热蔓延性能的复合膜。9.根据权利要求8所述的电池，其特征在于，所述电芯与复合膜之间设置有胶层，所述胶层的厚度为0.05～0.1mm。10.一种电池模组，其特征在于，所述电池模组内堆叠设置有权利要求8或9所述的电池。

技术总结
本发明提供了一种改善电池热蔓延性能的复合膜、其制备方法和用途，所述复合膜包括依次层叠的第一塑封膜、阻燃层和第二塑封膜，所述第一塑封膜和第二塑封膜的边缘贴合夹设所述阻燃层。所述复合膜贴设与电池内电芯的外周，能够有效的阻止热失控后电池内部热量的热传导和对流传输，增强电池的热失控安全性。增强电池的热失控安全性。增强电池的热失控安全性。


技术研发人员：苏树发 聂荣健 崔亚锋 张晓栋
受保护的技术使用者：蜂巢能源科技有限公司
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8