一種具有散熱功能的鋰電池電極、制法及鋰電池的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種具有散熱功能的鋰電池電極及鋰電池，電極包括電池主體和主體外部的電極活性物質，電池主體由熱管構成，電極活性物質設置在主體的外部，電極主體密封在殼體內并與電解液接觸的部分作為熱管的熱端，電極主體伸出外殼并成為外部接線端的部分作為熱管的冷端。電極通過熱管內的冷卻介質在熱端和冷端的循環而降低電池的溫度，且熱傳遞過程中沒有介質的阻擋，散熱效率高，并且由電極直接作為散熱器件，簡化電池的結構，降低加工難度與制造成本。
【專利說明】
一種具有散熱功能的鋰電池電極、制法及鋰電池
技術領域
[0001]本發明涉及一種鋰電池電極及制法與鋰電池，具體涉及一種具有散熱功能的鋰電池電極、制法及鋰電池。
【背景技術】
[0002]廣義的鋰離子二次電池(以下簡稱鋰電池)主要是由正極、負極、介于正負極之間的隔膜及電解液所構成，隔膜使正負極相互分開，彼此不相接觸。鋰電池具有高能量密度、高功率密度、電容量大及無記憶效應等優點。然而，鋰電池的電解液具有可燃性，并且鋰電池在工作過程中，正負極的活性物質會分解并釋放大量熱量，致使鋰電池在不當使用情況之下，可能會產生危險，甚至引起爆炸。
[0003]鋰電池因不當使用所產生的熱，主要可分成兩種形式:一種為正負端遇上不當負載時，所引起的電池內部反應，例如過充(充電電壓過高)、過放、外部短路(瞬間大電流)等所產生的熱量會造成電池整體溫度上升；另一種是鋰電池遭受外力，如撞擊、穿刺、壓碎時，會使電池內部瞬間局部短路而產生高溫。除了不當使用所產生的熱外，鋰電池正常的化學反應也是主要的熱源。
[0004]當鋰電池溫度到達某一程度時，會引發鋰電池內部材料產生化學反應并放出熱量，若熱量累積速度大于散熱速度，使得溫度繼續升高，再引發其它放熱效應，將導致鋰電池自行加熱，溫度快速上升，此稱之為熱失控(Thermal Runaray)，是鋰電池產生危險的主要原因。因此，如何除去鋰電池的熱量而避免熱量積存是非常重要的課題。
[0005]現有技術通常采用設置散熱片的方式對鋰電池進行降溫，一種方式是將散熱片設置在電池外殼的外部，熱量從電池內部擴散至電池外殼，再通過外殼將熱量傳遞給散熱片，由于外殼的導熱能力不佳，所以該方式的散熱效果有待提升；另一種方式是將散熱片設置在電池外殼的內部并介于正負極板之間，該方式除了散熱效果不佳，正負極板之間的散熱片還會影響電池內部離子的流動，進而影響電池的工作效率。
[0006]本發明的目的是提供一種具有散熱功能的鋰電池電極及制造方法，電極的主體由熱管構成，在主體的外部設置有電極活性物質，電極主體密封在殼體內并與電解液接觸的部分作為熱管的熱端，電極主體伸出外殼并成為外部接線端的部分作為熱管的冷端。通過熱管內的冷卻介質在熱端和冷端的循環而降低電池的溫度，且熱傳遞過程中沒有介質的阻擋，散熱效率高，并且由電極直接作為散熱器件，簡化電池的結構，降低加工難度與制造成本。

【發明內容】

[0007]本發明提供了一種具有散熱功能的鋰電池電極，能有效提高電池的散熱效率，簡化電池結構，并降低加工難度與制造成本。
[0008]具體而言，本發明的技術方案主要是通過以下方式實現的:
本發明提供一種具有散熱功能的鋰電池電極，電極包括電池主體和主體外部的電極活性物質，電池主體由熱管構成，電極活性物質設置在主體的外部，電極主體密封在殼體內并與電解液接觸的部分作為熱管的熱端，電極主體伸出外殼并成為外部接線端的部分作為熱管的冷端。
[0009]進一步地，本發明所述的鋰電池電極，電極主體至少為兩個，分別位于隔膜的兩偵U，隔膜一側的電極主體外部設置正極活性物質，隔膜另一側的電極主體外部設置負極活性物質。
[0010]進一步地，本發明所述的鋰電池電極，電極主體分為兩組，分別位于隔膜的兩側，且每組電池在冷端通過電連接構成一個整體。由多個電極主體構成一組正電極或負電極能進一步提高電極的散熱效率，同時增大電極與電解液的接觸面積，提高電池的轉化效率。
[0011]進一步地，本發明所述的鋰電池電極，負極活性物質可為鋰、鋰合金或石墨等，正極活性物質可為磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等。
[0012]本發明還提供一種上述電極的制造方法，使用有機溶液對熱管的外表面進行預處理形成表面微結構，之后在微結構表面沉積電極活性物質，最后在熱管的冷端引出電極的極耳。
[0013]進一步地，本發明所述的鋰電池電極的制造方法，先采用5%左右的稀硫酸或稀鹽酸對熱管的外表腐蝕30秒-2分鐘，在熱管的外表形成粗糙結構，然后將熱管放入由聚苯硫醚30-50%、偶聯劑3-10%、抗氧劑0.5-5%、碳纖維粉末20-30%和余量碳酸氫鈉構成的混合液體中，靜置30分鐘-2小時，以在熱管的外表附著由聚苯硫醚和碳纖維復合材料形成的表面微結構。苯硫醚對金屬材料(熱管的外表一般由金屬制成)具有較高的粘附能力，復合材料材料中的碳纖維可以調整表面微結構的電阻率。在制備過程中因為碳酸氫鈉的加入可阻止聚苯硫醚的完全交聯，從而使表面微結構的表面形成大小和深度隨機分布的小凹坑，以便于后續電極活性物質的沉積，增加活性物質與表面微結構的結合強度。
[0014]進一步地，本發明所述的鋰電池電極的制造方法，通過溶膠-凝膠反應和紫外或/和熱交聯反應在表面微結構上沉積電極活性物質。具體可為:將分子鏈中含有可紫外或熱交聯的基團的燒氧基娃燒、荷正電燒氧基娃燒、石墨稀以及電極活性物質共同進彳丁溶Jj父-凝膠反應，隨后進行紫外交聯或熱交聯，已將電極活性物質沉積在表面微結構上。其中，分子鏈中含有可紫外或熱交聯的基團的烷氧基硅烷、荷正電烷氧基硅烷在反應過程中形成離子交換膜的主體，電極活性物質在石墨稀的作用下鑲嵌在離子交換膜中，共同形成電極的最外層活性層。離子交換膜可使電解液中的離子穿透從而便于與電極活性物質反應。
[0015]所述分子鏈中含有可紫外或熱交聯的基團的烷氧基硅烷，其化學式可表示為RlaR2bSiY(4-a-b)，其中Rl為4-乙烯基苯基、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基、γ-縮水甘油醚氧丙基或3-(對乙烯基-苯甲氨基)-丙基;R2為1-6個碳的烷基或芳基;Y為甲氧基或乙氧基;a的值為I或2，b的值為O或1，且(a+b)<2;可以選用其中的一種，也可以同時使用兩種或兩種以上分子鏈中含有可紫外或熱交聯的基團的烷氧基硅烷。
[0016]所述荷正電烷氧基硅烷，其化學式可表示為[R33N(CH2 )nSiY3 ]+X-，其中R3為1_4個碳的直鏈烷基;η為1-4的整數;Y為甲氧基或乙氧基;X為碘或溴。
[0017]本發明所述溶膠-凝膠反應，是指將分子鏈中含有可紫外或熱交聯的基團的烷氧基娃燒與荷正電燒氧基娃燒以及石墨稀和電極活性物質，在加入有機溶劑、催化劑和引發劑的條件下不停攪拌直至形成粘稠狀混合物。催化劑包括鹽酸、硫酸、三氟乙酸、氫氧化鈉、氯化銨或氟化銨等，引發劑包括光引發劑1173、光引發劑184、光引發劑651、光引發劑907或過氧化二苯酰等，有機溶劑包括乙醇。
[0018]本發明所述的紫外交聯是指:在紫外燈的作用下，對粘稠狀混合物進行均勻光照。
[0019]本發明所述的熱交聯是指:將粘稠狀混合物升溫到200-300°C左右，然后保溫15-30分鐘。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明所描述的鋰電池的結構示意圖；
具體實施例說明
實施例1
如圖1所示，一種具有散熱功能的鋰電池電極(2)，鋰電池包括外殼(I)和設置在外殼
(I)內的電解液(未標注附圖標記)和電極(2 )，所述的電極包括電極主體(2A，2B)和電極主體表面的活性物質(3A，3B)，兩個電極主體分別位于膈膜(4)的兩側，電極主體由熱管構成，位于外殼(I)內的電極主體部分作為熱管的熱端(B)，伸出外殼(I)的電極主體部分作為熱管的冷端。鋰電池在工作時，大量的熱量聚集在電極(位于外殼內部的電極分)附近，熱量加熱熱管中的冷卻介質揮發并向冷端移動，以將電池內部的熱量擴散至冷端，并由冷端向外發散，冷凝后的冷卻介質重新流回熱管熱端，如此往復循環，以達到降低電池內部溫度的效果O
[0021]
實施例2
鋰電池電極的制備過程:先將熱管批量放入盛有5%左右的稀硫酸或稀鹽酸的容器中，對熱管的外表腐蝕30秒，以在熱管的外表形成粗糙結構，然后將熱管取出用去離子水反復漂洗3次，然后將熱管放入由聚苯硫醚50%、偶聯劑10%、抗氧劑3%、碳纖維粉末35%和余量碳酸氫鈉構成的混合液體中，靜置45分鐘，以在熱管的外表附著由聚苯硫醚和碳纖維復合材料形成的表面微結構。
[0022]將γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-560)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-570)、碘化Ν-(3-三乙氧基硅基)丙基-Ν，Ν，Ν-三甲基銨與適量石墨稀和電極活性物質混和后，加入有機溶劑、催化劑和引發劑，攪拌12個小時形成粘稠狀混合物。其中，1(!1-560和101-570為分子鏈中含有可紫外或熱交聯的基團的烷氧基硅烷，并且按1:1的比例混合石墨稀占混合物總質量的10%，電極活性物質占混合物總質量的30%。有機溶劑為乙醇，乙醇的量為ΚΗ-560和ΚΗ-570總的量(摩爾比)的6倍，催化劑選取鹽酸，占混合物總質量的5%，引發劑選取光引發劑1173，占混合物總質量的2%。
[0023]最好將形成有表面微結構的熱管浸漬在粘稠狀混合物中，并照射紫外光2小時，以在熱管的外表面形成最外層活性層。
[0024]
實施例3
鋰電池電極的制備過程:先將熱管批量放入盛有5%左右的稀硫酸或稀鹽酸的容器中，對熱管的外表腐蝕2分鐘，以在熱管的外表形成粗糙結構，然后將熱管取出用去離子水反復漂洗5次，然后將熱管放入由聚苯硫醚60%、偶聯劑15%、抗氧劑3%、碳纖維粉末20%和余量碳酸氫鈉構成的混合液體中，靜置I小時，以在熱管的外表附著由聚苯硫醚和碳纖維復合材料形成的表面微結構。
[0025]將γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-560)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ-570)、碘化Ν-(3-三乙氧基硅基)丙基-Ν，Ν，Ν-三甲基銨和四乙氧基硅烷與適量石墨稀和電極活性物質混和后，加入有機溶劑、催化劑和引發劑，攪拌12個小時形成粘稠狀混合物。其中，ΚΗ-560和ΚΗ-570為分子鏈中含有可紫外或熱交聯的基團的烷氧基硅烷，并且按1: 1.5的比例混合，石墨稀占混合物總質量的15%，電極活性物質占混合物總質量的40%。有機溶劑為乙醇，乙醇的量為ΚΗ-560和ΚΗ-570總的量(摩爾比)的6倍，催化劑選取鹽酸，占混合物總質量的5%，引發劑選取光引發劑1173，占混合物總質量的2%。
[0026]最后將形成有表面微結構的熱管浸漬在粘稠狀混合物中，并照射紫外光I小時，同時將混合物加熱至200°C，之后保溫15分鐘，以在熱管的外表面形成最外層活性層。
【主權項】
1.一種具有散熱功能的鋰電池電極，電極包括電池主體和主體外部的電極活性物質，其特征在于，電池主體由熱管構成，電極活性物質設置在主體的外部，電極主體密封在殼體內并與電解液接觸的部分作為熱管的熱端，電極主體伸出外殼并成為外部接線端的部分作為熱管的冷端。2.根據權利要求1所述的鋰電池電極，其特征在于，電極主體至少為兩個，分別位于隔膜的兩側，隔膜一側的電極主體外部設置正極活性物質，隔膜另一側的電極主體外部設置負極活性物質。3.根據權利要求1所述的鋰電池電極，其特征在于，電極主體分為兩組，分別位于隔膜的兩側，且每組電池在冷端通過電連接構成一個整體。4.一種具有散熱功能的鋰電池電極的制法，其特征在于，使用有機溶液對熱管的外表面進行預處理形成表面微結構，之后在微結構表面沉積電極活性物質，最后在熱管的冷端引出電極的極耳。5.根據權利要求4所述的鋰電池電極的制法，其特征在于，采用聚苯硫醚30-50%、偶聯劑3-10%、抗氧劑0.5-5%、碳纖維粉末20-30%和余量碳酸氫鈉構成的混合液體，對熱管的外表面進行預處理形成表面微結構。6.根據權利要求5所述的鋰電池電極的制法，其特征在于，在對熱管的外表面進行預處理之前，先采用5%的稀硫酸或稀鹽酸對熱管的外表腐蝕30秒-2分鐘。7.根據權利要求5所述的鋰電池電極的制法，其特征在于，通過溶膠-凝膠反應和紫外或/和熱交聯反應在表面微結構上沉積電極活性物質。8.根據權利要求7所述的鋰電池電極的制法，其特征在于，將分子鏈中含有可紫外或熱交聯的基團的燒氧基娃燒、荷正電燒氧基娃燒、石墨稀以及電極活性物質共同進彳丁溶Jj父-凝膠反應，隨后進行紫外交聯或熱交聯。9.一種鋰電池，包括上述的有散熱功能的電極。
【文檔編號】H01M10/613GK105958006SQ201610577114
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月20日
【發明人】孫健春
【申請人】孫健春