鋰電池密封結構改進探究

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構中的主要材料，從而提高了密封結構的可靠性和壽命，同時也進行了實際測試，驗證了該工藝及結構在電池中應用的可行性。

關鍵詞：鋰電池；陶瓷；密封

中圖分類號： TB 文獻標識碼： A 文章編號： 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、循環壽命長、能量效率高、自放電小、無記憶效應和無污染等優點，成為目前最有前途和競爭力的二次電池。鋰離子電池已經廣泛應用于便攜式消費電子產品，如 MP3、智能手機、筆記本電腦、數碼相機、電動工具等。并且，隨著成本降低、壽命和可靠性等性能的進一步提高，鋰離子電池在電動汽車和能源存儲等應用領域已經嶄露頭角。

電池材料一般包括下列物質[1]：

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

負極：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度，起到了熱保險作用。

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。

內部各種材料都容易與氧氣或者水發生反應，如負極與氧氣反應，電解液與水（找文獻和反應式）

在錳酸鋰體系電池中與水分相關的反應如下所示[2-3]：

H2O+LiPF6→POF3+LiF+2HF

ROCO2Li+HF→ROCO2H+LiF

Li2CO3+2HF→ H2CO3+2LiF

4H++2LiMn2O4→3l-MnO2+Mn2++2Li++2H2

發生反應后電池性能將會急劇下降，且有發生燃燒、爆炸的風險，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。

極柱和蓋板間的密封主要依靠橡膠密封圈，通過擠壓變形的方式來保證密封，而有機物的抗腐蝕性、耐高溫性能均要遠較陶瓷等無機非金屬材料要差，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，并應用于電池上的可能性。

2 試驗方法

試驗原料：鋁合金蓋板、銅合金極柱、鋁合金極柱，金屬化陶瓷環

試驗方法：通過高溫處理方法，將陶瓷表面進行金屬化，使陶瓷表面覆上一層銀，或者鉬錳金屬。在金屬化陶瓷環表面涂覆上一層釬料，并將鋁合金蓋板、金屬化陶瓷環、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 結果分析討論

焊接后需對組件進行功能性測試。測試項目根據電池實際需要，分別有：①密封性測試；②耐高溫測試；③拉力測試。

3.1 密封測試

測試目的：測試焊接組件是否能達到密封的功能性要求。

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

3.2 耐高溫測試

測試目的：因電池使用環境可能包括高溫環境，測試焊接后功能件是否能在承受長期高溫環境。

測試方法：對焊接后蓋板放置于130℃環境下，保持72h，然后再重新對蓋板進行密封性測試，蓋板保持密封性即為通過。

3.3 溫度沖擊測試

測試目的：因電池使用環境可能在高低溫中切換，檢測結構件在溫度沖擊的情況下，結構件是否仍滿足使用要求。

測試方法：結構件在110℃加熱10min以上，丟入0℃水中，循環10次。

3.4 拉力測試

測試目的：考察焊接強度；同時試驗組件在保持密封功能性的前提下，所能承受的極限破壞力。

測試方法：使用萬能試驗機。

3.5 結果分析

從測試結果來看，該焊接方法可以保持密封性，且可以通過一些濫用測試中，說明該方法可以在電池上應用。

4 結論

本文預先對陶瓷進行金屬化處理，后續通過使用合適的釬料，利用釬焊工藝，實現陶瓷和金屬的焊接連接，并保持焊接件的密封性，并通過電池平時的使用環境和條件，模擬電池在極限條件和環境的使用，驗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用于電池結構上，對電池密封結構的改善提供了工藝支持。

參 考 文 獻

[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.