微型高能电池封口新策略

随着电子设备的逐渐小型化,电池本身必然也需要微型化。然而,电池尺寸减小使得附加质量(外包包装材料)所占比例大幅度增加,从而导致能量密度下降。同时,也大大增加了电池密封的难度。电池密封不紧会导致有机电解液挥发和水分进入,从而对电池性能产生不利影响。因此,这就要求对电池实现紧密密封,以保持其存储容量和循环寿命。传统较大尺寸电池的层压法封口不适用于微型电池,因为微型电池密封边缘比其本身的尺寸更长更宽。因此,必须需开发新的微型电池密封技术。

近期,西北太平洋国家实验室的工作者,开发出一种简单的适用于微型电池的密封方法。作者采用双重密封的概念:第一层-橡胶阻挡层短时间内可限制有机电解液溢出;第二层-粘结剂层(环氧树脂)与电池壳形成紧密的密封。利用这种创新的密封方法,电池表现出优异的使用寿命,且通过包装材料使用减少有效提高了电池能量密度具体操作为:首先,将组装好的电极(阴极/隔膜/阳极)插入到Al壳中(图1(a));其次,将直径与Al壳的内径相等、厚度为0.1mm氯丁橡胶圆盘放入电池组件顶部(图1(b)),并进行电解液的注入和润湿。然后,利用一个特制的模型(图1(c))进行初次封口;最后,再进行第二次封口,使Al壳的边缘完全折叠到橡胶盘上(图1(D))。封口完成后,电池组件用碳酸二甲酯进行清洗、干燥,除去Al壳上任何液体电解质残留物并使用少量环氧树脂覆盖并密封电池顶部(图1(E))。

微型高能电池封口新策略
图1.电池封口示意图


微型高能电池封口新策略

图2.利用该密封策略电池经过30天存储过程中电解液量变。

作者对该密封性能做了测试,研究了环氧胶密封电池经过30天存储,其电解液量的变化,结果表明经过30天的存储后电池内部电解液量保持稳定,没有发生变化。随后作者又研究了不同的环氧树脂密封层与铝壳的接触界面效果。结果表明,Torr Seal环氧树脂胶与铝壳结合紧密,以及密封层到铝壳的完美平滑过渡;而Devcon环氧树脂胶与铝壳有明显的缝隙,没有实现完全密封,说明环氧树脂胶的选择会影响密封结果。文中,作者利用氯丁橡胶盘作为第一道屏障,避免了Torr Seal环氧树脂胶直接接触电解液,密封胶可以充分固化。总之,使用环氧树脂胶密封电池,其优异的稳定性论证了双重密封方法的优点。   

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图3.不同环氧树脂密封胶密封后与铝壳的接触界面SEM

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图4.a)电池开路电压(OCV)随着时间变化,b)电池不同存储天数阻抗,c)电池不同存储天数的放电曲线对比

接下来作者也研究了环氧树脂密封后电池开路电压(OCV)随着时间变化。最初开路电压略有增加,符合预期的电池电压行为。有趣的是,到第四天开路电压增加约20 mV然后稳定,表明电池内部电化学性质达到稳定。随后通过电池的电化学阻抗结果发现,存储30天的电池,半圆形略有增长,这可能是锂负极连续钝化的结果。而电池溶液电阻下降表明,存储有利于电解液更好的润湿。如果电池因为密封不良造成电解液挥发,电池的溶液电阻就会增加,而实验结果表明电池经过30天存储后阻抗没有增加,说明电池密封性能优异。随后,作者也对存储30天后的电池和新组装电池充放电曲线进行了对比,结果表明其放电曲线基本保持一致,说明了经过该密封策略后,电池即使存储30天后,依然还可以保持初始放电状态

该方法制备的电池表现出良好的放电性能,在C/7放电倍率下,体积能量密度质量能量密度分别为 430 Wh L-1和240 Wh kg-1。相比松下最小的锂纽扣电池(Li/MnO2),该微型电池只有其体积的1/5,但能量密度是其两倍左右。该密封方法不需要热、压力或精确的激光焊接,生产成本低,且具有广泛的适用性,简单性和可调性

本文作者提出了一种微型高能电池封口的新策略,为其发展提供了新的借鉴和思路。

 

Yuxing Wang, Samuel Cartmell, Qiuyan Li, Jie Xiao, Huidong Li, Zhiqun Daniel Deng, JiGuang Zhang, A reliable sealing method for microbatteries, J. Power Sources, 2016, DOI:10.1016/j.jpowsour.2016.12.024

 

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参考文献:J. Power Sources