一种电池绝缘环及其制备方法及使用该绝缘环的动力电池与流程

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种电池绝缘环及其制备方法及使用该绝缘环的动力电池。

背景技术：

随着社会的快速发展和科技的进步，人们对储能设备的要求越来越高。在众多储能设备中，锂离子电池成为越来越多电动设备的储能装置，如手机，笔记本电脑，个人数码辅助设备，照相投影一体机，电动汽车等。然而，一些因素仍然限制着锂离子电池的发展，如能量密度，充电时间和安全性能等。锂离子电池能够得到应用的一个前提是其安全性要足够高，尤其在电动汽车等大型设备上，其对电池安全性的要求更加严格。

其中，绝缘环是动力锂离子电池装配中不可缺少的一个零件。绝缘环一般套设在动力电池极柱上，用于间隔极柱和顶盖片，起到使电芯与外壳绝缘的作用。目前的绝缘环一般采用陶瓷、云母、玻璃、树脂等材料制作，然而，上述材料基本是正膨胀系数的材料，在动力电池充放电过程中，极柱处会产生热量，部分热量会被绝缘环吸收，绝缘环受热会发生膨胀，导致绝缘环破碎或极柱处断裂，从而带来严重的安全问题。

有鉴于此，确有必要对现有的动力电池绝缘环作进一步的改进，使其能够具有高温零膨胀或低膨胀率的特性，从而消除安全隐患，保证动力电池的质量。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于：针对现有电池绝缘环易发生受热膨胀的不足，而提供一种高温受热零膨胀或低膨胀率的电池绝缘环，以保证电池的安全性能。

本发明的目的之二在于：提供一种上述绝缘环的制备方法，该制备方法工艺简单，操作简便，生产成本较低，适于企业批量化生产。

本发明的目的之三在于：提供一种使用上述绝缘环的动力电池，该动力电池不发生绝缘环吸热膨胀问题，具有较高的安全性能和较稳定的质量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电池绝缘环，包括具有正膨胀系数的陶瓷基材和具有负膨胀系数的β-锂霞石，所述绝缘环的热膨胀系数为0/℃～6×10^-6/℃。

众所周知，“热胀冷缩”是生活中的常见现象，但对于材料的使用却有一定的不利因素，尤其是陶瓷、金属的这种特性，限制了其应用。而负膨胀材料(NTE)的出现则有效解决了这一问题，负膨胀材料是指在一定的温度范围内的平均线膨胀系数或体积膨胀系数为负值的一类化合物。

其中，大部分陶瓷材料的热膨胀系数为正数；而由于β-锂霞石的热膨胀系数呈各向异性，沿c轴的负膨胀效应很强，沿a轴的正膨胀系数相对较低，因此，其微小结晶体堆积而成的材料的热膨胀系数在宏观上表现为负数，其热膨胀系数约为-6×10^-6/℃，且其在25～1000℃温度范围内热膨胀系数基本保持不变，具有很高的稳定性。

本发明利用热膨胀系数具有加和性，通过将正膨胀系数的陶瓷基材和具有负膨胀系数的β-锂霞石的复合，制造出膨胀系数非常低甚至是零的电池绝缘环，最大限度的减少高温下绝缘环的内应力，避免应力开裂，增加绝缘环的抗热冲击强度，从而起到防止绝缘环受热膨胀破碎或极柱处断裂的目的，提高电池的安全性能。

优选的，所述陶瓷基材的含量为50～99wt％，所述β-锂霞石的含量为1～50wt％。绝缘环的拉伸强度和热膨胀系数与β-锂霞石、陶瓷基材的质量含量比密切相关，绝缘环中陶瓷基材的质量含量增大，绝缘环的拉伸强度增高；绝缘环中β-锂霞石的含量增大，绝缘环的热膨胀系数降低；因此，绝缘环的拉伸强度和热膨胀系数在一定程度上可通过调节β-锂霞石和陶瓷基材的质量含量进行设计和调节。

优选的，所述陶瓷基材为Al₂O₃、SiC、Si₃N₄、TiC、ZrC、BN、AlN、MgO、CaO、SiO₂、BeO、ThO₂、ZrO₂、Cr₂O₃、Y₂SiO₅、Y₂Si₂O₇、BaZrO₃、BaCeO₃、CaTiO₃和Si₃C₄中的至少一种。其中，上述陶瓷基材的热膨胀系数为(2～12)×10^-6℃^-1，且具有较高的强度和模量。因此，当上述陶瓷基材单独或组合使用时，虽然具有较高的强度，但其在受热的过程中会膨胀变形，这样就降低了电池在使用时的安全性能。

优选的，所述β-锂霞石的D50≤5μm，更优选为D50≤1μm。β-锂霞石具有(-2～-12)×10^-6/℃的负膨胀系数，即，当温度升高时它收缩。研究发现，β-锂霞石的热膨胀系数会随成分晶粒大小而变化。热膨胀系数的变化起源于β-锂霞石晶粒的断裂。例如，对于约为2μm的晶粒大小可能获得-4×10^-6/℃的热膨胀系数，对于约为8μm的晶粒大小可能获得-8×10^-6/℃的热膨胀系数。因此，若β-锂霞石的中值粒径D50过大，会使β-锂霞石具有更负的热膨胀系数，难以满足实际的使用需求。而本发明将β-锂霞石的D50设为≤5μm，能够使β-锂霞石的负膨胀有效匹配陶瓷基材的正膨胀，从而得到零膨胀或低膨胀率的绝缘环。

优选的，所述绝缘环为圆形环、椭圆形环或方形环。此外，绝缘环的形状还可以根据实际需求进行设定。

优选的，绝缘环还包括疏松多孔轻质SiO₂，所述疏松多孔轻质SiO₂的含量为0.5～10wt％。有别于常规的结构致密的SiO₂，疏松多孔轻质SiO₂结构疏松，含有丰富的纳米孔道，但陶瓷颗粒不能进入到疏松多孔轻质SiO₂的纳米孔中，而且疏松多孔轻质SiO₂的粗糙的表面和较高的比表面积可提高绝缘环的抗折强度，抗拉强度等物理性能。从结构上来看，可将疏松多孔轻质SiO₂视为“空心玻璃微珠”，但与空心玻璃微珠相比，疏松多孔轻质SiO₂在高速混合机和挤出机的强大外力和高速碰撞作用下不会产生破裂，也不会像空心玻璃微珠那样在高温下产生内部气压升高导致破裂或爆炸的情况。因此，疏松多孔轻质SiO₂的加入，一方面能够有效提高绝缘环的绝缘性能和强度；另一方面，能够有效减轻绝缘环的重量，从而提高电池的重量能量密度。

优选的，所述绝缘环的绝缘电阻大于或等于100Mohm。上述绝缘环的原材料均为高绝缘性能材料，因而完全能够满足绝缘环的绝缘性能要求，而绝缘环的绝缘电阻在该范围能够有效避免电芯与外壳发生短接。

一种电池绝缘环的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将陶瓷基材和β-锂霞石混合均匀，然后在模子内压制成型；

步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为20～30℃，处理时间为4～12h；

步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为80～100℃，干燥时间为5～10h。

优选的，在所述步骤一中还加入疏松多孔轻质SiO₂，其含量为1～10wt％。

一种动力电池，包括电池壳体、收容于电池壳体内的电芯、灌注于电池壳体内的电解液、以及密封安装于电池壳体上且设有极柱的电池顶盖，极柱上套设有上述的电池绝缘环。

本发明的有益效果在于：本发明一种电池绝缘环，包括具有正膨胀系数的陶瓷基材和具有负膨胀系数的β-锂霞石，所述绝缘环的热膨胀系数为0/℃～6×10^-6/℃。本发明利用热膨胀系数具有加和的特性，通过将正膨胀系数的陶瓷基材和具有负膨胀系数的β-锂霞石的复合，制造出膨胀系数非常低甚至是零的电池绝缘环，最大限度的减少高温下绝缘环的内应力，避免应力开裂，增加绝缘环的抗热冲击强度，从而起到防止绝缘环受热膨胀破碎或极柱处断裂的目的，提高电池的安全性能。

附图说明

图1为β-锂霞石的SEM图。

图2为疏松多孔轻质SiO₂的SEM图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明及其有益效果作进一步详细说明，但本发明的具体实施方式不限于此。

实施例1

一种动力电池，包括电池壳体、收容于电池壳体内的电芯、灌注于电池壳体内的电解液、以及密封安装于电池壳体上且设有极柱的电池顶盖，极柱上套设有电池绝缘环。

其中，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的Al₂O₃和具有负膨胀系数的β-锂霞石(如图1所示)，β-锂霞石的中值粒径D50为5μm，绝缘环的热膨胀系数为0.9×10^-6/℃，绝缘电阻为100Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将50wt％的Al₂O₃和50wt％的β-锂霞石混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为20℃，处理时间为12h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5h。

实施例2

与实施例1不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的Al₂O₃、具有负膨胀系数的β-锂霞石和疏松多孔轻质SiO₂(如图2所示)，β-锂霞石的中值粒径D50为5μm，绝缘环的热膨胀系数为0/℃，绝缘电阻为500Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将45wt％的Al₂O₃、45wt％的β-锂霞石和10wt％的疏松多孔轻质SiO₂，混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为20℃，处理时间为12h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5h。

其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例3

与实施例1不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的SiC和具有负膨胀系数的β-锂霞石，β-锂霞石的中值粒径D50为4μm，绝缘环的热膨胀系数为2×10^-6/℃，绝缘电阻为200Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将60wt％的SiC和40wt％的β-锂霞石混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为20℃，处理时间为12h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5h。

其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例4

与实施例1不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的ZrO₂和具有负膨胀系数的β-锂霞石，β-锂霞石的中值粒径D50为3μm，绝缘环的热膨胀系数为3×10^-6/℃，绝缘电阻为250Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将70wt％的ZrO₂和30wt％的β-锂霞石混合均匀，然后在模子内压制成方形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为20℃，处理时间为12h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5h。

其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例5

与实施例1不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的AlN和具有负膨胀系数的β-锂霞石，β-锂霞石的中值粒径D50为2μm，绝缘环的热膨胀系数为4×10^-6/℃，绝缘电阻为300Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将80wt％的AlN和20wt％的β-锂霞石混合均匀，然后在模子内压制成椭圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为30℃，处理时间为4h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为10h。

其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例6

与实施例1不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的BaZrO₃和具有负膨胀系数的β-锂霞石，β-锂霞石的中值粒径D50为1μm，绝缘环的热膨胀系数为5×10^-6/℃，绝缘电阻为350Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将90wt％的BaZrO₃和10wt％的β-锂霞石混合均匀，然后在模子内压制成椭圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为25℃，处理时间为8h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为8h。

其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例7

与实施例1不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的ZrC和具有负膨胀系数的β-锂霞石，β-锂霞石的中值粒径D50为0.5μm，绝缘环的热膨胀系数为6×10^-6/℃，绝缘电阻为400Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将99wt％的ZrC和1wt％的β-锂霞石混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为20℃，处理时间为12h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5h。

其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例8

与实施例1不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的CaTiO₃和具有负膨胀系数的β-锂霞石，β-锂霞石的中值粒径D50为0.1μm，绝缘环的热膨胀系数为1×10^-6/℃，绝缘电阻为150Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将55wt％的CaTiO₃和45wt％的β-锂霞石混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为20℃，处理时间为12h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5h。

其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例9

与实施例1不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的Cr₂O₃和BaCeO₃、具有负膨胀系数的β-锂霞石，β-锂霞石的中值粒径D50为0.8μm，绝缘环的热膨胀系数为0.8×10^-6/℃，绝缘电阻为450Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将30wt％的Cr₂O₃、25wt％BaCeO₃和45wt％的β-锂霞石混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为25℃，处理时间为10h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为8h。

其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例10

与实施例2不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的BeO、具有负膨胀系数的β-锂霞石和疏松多孔轻质SiO₂，β-锂霞石的中值粒径D50为2μm，绝缘环的热膨胀系数为0.1×10^-6/℃，绝缘电阻为500Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将55wt％的BeO、40wt％的β-锂霞石和5wt％的疏松多孔轻质SiO₂，混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为20℃，处理时间为12h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5h。

其余同实施例2，这里不再赘述。

实施例11

与实施例2不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的TiC、具有负膨胀系数的β-锂霞石和疏松多孔轻质SiO₂，β-锂霞石的中值粒径D50为1μm，绝缘环的热膨胀系数为0.5×10^-6/℃，绝缘电阻为400Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将68wt％的TiC、30wt％的β-锂霞石和2wt％的疏松多孔轻质SiO₂，混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为20℃，处理时间为12h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为5h。

其余同实施例2，这里不再赘述。

实施例12

与实施例2不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的Cr₂O₃、具有负膨胀系数的β-锂霞石和疏松多孔轻质SiO₂，β-锂霞石的中值粒径D50为0.1μm，绝缘环的热膨胀系数为0.3×10^-6/℃，绝缘电阻为550Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将52wt％的Cr₂O₃、40wt％的β-锂霞石和8wt％的疏松多孔轻质SiO₂，混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为25℃，处理时间为10h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为5h。

其余同实施例2，这里不再赘述。

实施例13

与实施例2不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的Si₃C₄、具有负膨胀系数的β-锂霞石和疏松多孔轻质SiO₂，β-锂霞石的中值粒径D50为0.8μm，绝缘环的热膨胀系数为0.4×10^-6/℃，绝缘电阻为500Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将50wt％的Si₃C₄、47wt％的β-锂霞石和3wt％的疏松多孔轻质SiO₂，混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为25℃，处理时间为10h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为5h。

其余同实施例2，这里不再赘述。

实施例14

与实施例2不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的ThO₂和BN、具有负膨胀系数的β-锂霞石和疏松多孔轻质SiO₂，β-锂霞石的中值粒径D50为0.01μm，绝缘环的热膨胀系数为0.01×10^-6/℃，绝缘电阻为600Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将45wt％的ThO₂、45wt％的BN、9.5wt％的β-锂霞石和0.5wt％的疏松多孔轻质SiO₂，混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为28℃，处理时间为8h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为8h。

其余同实施例2，这里不再赘述。

实施例15

与实施例2不同的是，电池绝缘环包括具有正膨胀系数的Y₂SiO₅和Y₂Si₂O₇、具有负膨胀系数的β-锂霞石和疏松多孔轻质SiO₂，β-锂霞石的中值粒径D50为0.05μm，绝缘环的热膨胀系数为0.08×10^-6/℃，绝缘电阻为550Mohm。

绝缘环的制备方法为：步骤一，将45wt％的Y₂SiO₅、45wt％的Y₂Si₂O₇、0.5wt％的β-锂霞石和9.5wt％的疏松多孔轻质SiO₂，混合均匀，然后在模子内压制成圆形环；步骤二，将压制成型的绝缘环进行通风处理，处理温度为28℃，处理时间为8h；步骤三，接着进入干燥炉中干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为8h。

其余同实施例2，这里不再赘述。

对比例1

与实施例1不同的是，电池绝缘环仅由陶瓷材料Al₂O₃制成，其余同实施例1，这里不再赘述。

对比例2

与实施例1不同的是，电池绝缘环仅由陶瓷材料SiO₂制成，其余同实施例1，这里不再赘述。

对比例3

与实施例1不同的是，电池绝缘环由云母材料制成，其余同实施例1，这里不再赘述。

对比例4

与实施例1不同的是，电池绝缘环由玻璃材料制成，其余同实施例1，这里不再赘述。

分别对实施例和对比例所制得的电池绝缘环进行热膨胀系数和抗破裂性能测试，测试结果见表1。

其中，热膨胀系数采用膨胀计进行测试、抗破裂性能采用四点弯曲法进行测试。

表1实施例和对比例所制得的电池绝缘环的性能测试结果

由表1的测试结果可知，相比于对比例1～4采用陶瓷、云母、玻璃等材料制作而成的绝缘环，本发明实施例1、实施例3～9通过正膨胀陶瓷基材和负膨胀β-锂霞石制作而成的绝缘环具有更低的热膨胀系数和更高的抗破裂性能。此外，本发明实施例2、实施例10～15通过陶瓷基材、β-锂霞石和疏松多孔轻质SiO₂混合制成的绝缘环比仅采用陶瓷基材和β-锂霞石混合制成的绝缘环的性能优势更加明显。因此，疏松多孔轻质SiO₂的加入，除了能够有效减轻绝缘环的重量外，还有助于进一步提高绝缘环的抗膨胀破碎性能。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。