锂电池密封结构改进探究

黄志彬 马小明 迟永堂

摘 要：电池密封性是电池寿命及安全的重要保障，为提高其寿命，利用陶瓷材料良好的耐酸碱、抗腐蚀，耐高温等特性，研究了一种金属和陶瓷焊接工艺，使用陶瓷材料作为密封结构中的主要材料，从而提高了密封结构的可靠性和寿命，同时也进行了实际测试，验证了该工艺及结构在电池中应用的可行性。

关键词：锂电池；陶瓷；密封

中图分类号： TB 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）22-178-2

1 概述

锂离子电池由于具有电压和能量密度高、循环寿命长、能量效率高、自放电小、无记忆效应和无污染等优点，成为目前最有前途和竞争力的二次电池。锂离子电池已经广泛应用于便携式消费电子产品，如 MP3、智能手机、笔记本电脑、数码相机、电动工具等。并且，随着成本降低、寿命和可靠性等性能的进一步提高，锂离子电池在电动汽车和能源存储等应用领域已经崭露头角。

电池材料一般包括下列物质[1]：

正极：钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）、锰酸锂（LiMn2O4）等；

负极：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）等组成的单层或者多层的微多孔薄膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。

电解液：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）等组成的一元、二元或者三元的混合物。

内部各种材料都容易与氧气或者水发生反应，如负极与氧气反应，电解液与水（找文献和反应式）

在锰酸锂体系电池中与水分相关的反应如下所示[2-3]：

H2O+LiPF6→POF3+LiF+2HF

ROCO2Li+HF→ROCO2H+LiF

Li2CO3+2HF→ H2CO3+2LiF

4H++2LiMn2O4→3l-MnO2+Mn2++2Li++2H2

发生反应后电池性能将会急剧下降，且有发生燃烧、爆炸的风险，所以电池的密封性是电池使用寿命和安全性能的重要参数。

极柱和盖板间的密封主要依靠橡胶密封圈，通过挤压变形的方式来保证密封，而有机物的抗腐蚀性、耐高温性能均要远较陶瓷等无机非金属材料要差，本文就是研究陶瓷与金属间的焊接工艺，探索使用陶瓷作为密封材料，并应用于电池上的可能性。

2 试验方法

试验原料：铝合金盖板、铜合金极柱、铝合金极柱，金属化陶瓷环

试验方法：通过高温处理方法，将陶瓷表面进行金属化，使陶瓷表面覆上一层银，或者钼锰金属。在金属化陶瓷环表面涂覆上一层钎料，并将铝合金盖板、金属化陶瓷环、铜、铝合金极柱按顺序叠加，放入气氛炉中，加热至600℃，保温3分钟，冷却后取出。

3 结果分析讨论

焊接后需对组件进行功能性测试。测试项目根据电池实际需要，分别有：①密封性测试；②耐高温测试；③拉力测试。

3.1 密封测试

测试目的：测试焊接组件是否能达到密封的功能性要求。

测试方法，自制夹具，通入1.0MPa的压力，观察3分钟，看是否有气泡冒出，如无则证明焊接后样件密封。

3.2 耐高温测试

测试目的：因电池使用环境可能包括高温环境，测试焊接后功能件是否能在承受长期高温环境。

测试方法：对焊接后盖板放置于130℃环境下，保持72h，然后再重新对盖板进行密封性测试，盖板保持密封性即为通过。

3.3 温度冲击测试

测试目的：因电池使用环境可能在高低温中切换，检测结构件在温度冲击的情况下，结构件是否仍满足使用要求。

测试方法：结构件在110℃加热10min以上，丢入0℃水中，循环10次。

3.4 拉力测试

测试目的：考察焊接强度；同时试验组件在保持密封功能性的前提下，所能承受的极限破坏力。

测试方法：使用万能试验机。

3.5 结果分析

从测试结果来看，该焊接方法可以保持密封性，且可以通过一些滥用测试中，说明该方法可以在电池上应用。

4 结论

本文预先对陶瓷进行金属化处理，后续通过使用合适的钎料，利用钎焊工艺，实现陶瓷和金属的焊接连接，并保持焊接件的密封性，并通过电池平时的使用环境和条件，模拟电池在极限条件和环境的使用，验证了该工艺在这些条件下仍可以保持密封性，证明了该工艺可以应用于电池结构上，对电池密封结构的改善提供了工艺支持。

参 考 文 献

[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.