鋰電池密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)探究

黃志彬 馬小明 遲永堂

摘 要：電池密封性是電池壽命及安全的重要保障，為提高其壽命，利用陶瓷材料良好的耐酸堿、抗腐蝕，耐高溫等特性，研究了一種金屬和陶瓷焊接工藝，使用陶瓷材料作為密封結(jié)構(gòu)中的主要材料，從而提高了密封結(jié)構(gòu)的可靠性和壽命，同時(shí)也進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了該工藝及結(jié)構(gòu)在電池中應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：鋰電池；陶瓷；密封

中圖分類(lèi)號(hào)： TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）22-178-2

1 概述

鋰離子電池由于具有電壓和能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量效率高、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最有前途和競(jìng)爭(zhēng)力的二次電池。鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品，如 MP3、智能手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、電動(dòng)工具等。并且，隨著成本降低、壽命和可靠性等性能的進(jìn)一步提高，鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)和能源存儲(chǔ)等應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角。

電池材料一般包括下列物質(zhì)[1]：

正極：鈷酸鋰（LiCoO2）、鎳酸鋰（LiNiO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）等；

負(fù)極：人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等；

隔膜：聚乙烯（PE）、聚丙稀（PP）等組成的單層或者多層的微多孔薄膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜具有較高的抗穿刺強(qiáng)度，起到了熱保險(xiǎn)作用。

電解液：碳酸丙稀酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、二甲基碳酸酯（DMC）、二乙基碳酸酯（DEC）、甲基乙基碳酸酯（MEC）等組成的一元、二元或者三元的混合物。

內(nèi)部各種材料都容易與氧氣或者水發(fā)生反應(yīng)，如負(fù)極與氧氣反應(yīng)，電解液與水（找文獻(xiàn)和反應(yīng)式）

在錳酸鋰體系電池中與水分相關(guān)的反應(yīng)如下所示[2-3]：

H2O+LiPF6→POF3+LiF+2HF

ROCO2Li+HF→ROCO2H+LiF

Li2CO3+2HF→ H2CO3+2LiF

4H++2LiMn2O4→3l-MnO2+Mn2++2Li++2H2

發(fā)生反應(yīng)后電池性能將會(huì)急劇下降，且有發(fā)生燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，所以電池的密封性是電池使用壽命和安全性能的重要參數(shù)。

極柱和蓋板間的密封主要依靠橡膠密封圈，通過(guò)擠壓變形的方式來(lái)保證密封，而有機(jī)物的抗腐蝕性、耐高溫性能均要遠(yuǎn)較陶瓷等無(wú)機(jī)非金屬材料要差，本文就是研究陶瓷與金屬間的焊接工藝，探索使用陶瓷作為密封材料，并應(yīng)用于電池上的可能性。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料：鋁合金蓋板、銅合金極柱、鋁合金極柱，金屬化陶瓷環(huán)

試驗(yàn)方法：通過(guò)高溫處理方法，將陶瓷表面進(jìn)行金屬化，使陶瓷表面覆上一層銀，或者鉬錳金屬。在金屬化陶瓷環(huán)表面涂覆上一層釬料，并將鋁合金蓋板、金屬化陶瓷環(huán)、銅、鋁合金極柱按順序疊加，放入氣氛爐中，加熱至600℃，保溫3分鐘，冷卻后取出。

3 結(jié)果分析討論

焊接后需對(duì)組件進(jìn)行功能性測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目根據(jù)電池實(shí)際需要，分別有：①密封性測(cè)試；②耐高溫測(cè)試；③拉力測(cè)試。

3.1 密封測(cè)試

測(cè)試目的：測(cè)試焊接組件是否能達(dá)到密封的功能性要求。

測(cè)試方法，自制夾具，通入1.0MPa的壓力，觀察3分鐘，看是否有氣泡冒出，如無(wú)則證明焊接后樣件密封。

3.2 耐高溫測(cè)試

測(cè)試目的：因電池使用環(huán)境可能包括高溫環(huán)境，測(cè)試焊接后功能件是否能在承受長(zhǎng)期高溫環(huán)境。

測(cè)試方法：對(duì)焊接后蓋板放置于130℃環(huán)境下，保持72h，然后再重新對(duì)蓋板進(jìn)行密封性測(cè)試，蓋板保持密封性即為通過(guò)。

3.3 溫度沖擊測(cè)試

測(cè)試目的：因電池使用環(huán)境可能在高低溫中切換，檢測(cè)結(jié)構(gòu)件在溫度沖擊的情況下，結(jié)構(gòu)件是否仍滿足使用要求。

測(cè)試方法：結(jié)構(gòu)件在110℃加熱10min以上，丟入0℃水中，循環(huán)10次。

3.4 拉力測(cè)試

測(cè)試目的：考察焊接強(qiáng)度；同時(shí)試驗(yàn)組件在保持密封功能性的前提下，所能承受的極限破壞力。

測(cè)試方法：使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

3.5 結(jié)果分析

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該焊接方法可以保持密封性，且可以通過(guò)一些濫用測(cè)試中，說(shuō)明該方法可以在電池上應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文預(yù)先對(duì)陶瓷進(jìn)行金屬化處理，后續(xù)通過(guò)使用合適的釬料，利用釬焊工藝，實(shí)現(xiàn)陶瓷和金屬的焊接連接，并保持焊接件的密封性，并通過(guò)電池平時(shí)的使用環(huán)境和條件，模擬電池在極限條件和環(huán)境的使用，驗(yàn)證了該工藝在這些條件下仍可以保持密封性，證明了該工藝可以應(yīng)用于電池結(jié)構(gòu)上，對(duì)電池密封結(jié)構(gòu)的改善提供了工藝支持。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] M.Wakihara.Materials Science and Engineering，2001.33：109-134.

[2] EIN-ELI Y. A new perspective on the formation and structure of the solid electrolyte interface at the graphite anode of Li-ion cells [J]. Solid State Lett，1999（2）：212-214.

[3] EDSTROM K，HERRANEN M. Thermal stability of the HOPG/li-quid electrolyte interphase studied by in situ electrochemical atomic force microscopy[J]. J Electrochem Soc，2000，147：3628.