CN101098004A

CN101098004A - 泡沫铝在制备化学电源中的应用

Info

Publication number: CN101098004A
Application number: CNA2006100144535A
Authority: CN
Inventors: 丁飞
Original assignee: CETC 18 Research Institute
Current assignee: CETC 18 Research Institute
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2008-01-02

Abstract

本发明涉及泡沫铝在制备化学电源领域中的新用途，泡沫铝在制备化学电源中的应用，特别是将泡沫铝作为二次锂电池的集流体，以及由该集流体制成的电极和电池。由于泡沫铝的高比表面积性能和三维网络结构，当活性物质涂层较厚时，提高了二次锂离子电池或锂金属电池的充放电性能，尤其是大电流充放电性能以及低温充放电性能；还提高了电池在大电流充放电时的安全性。由于采用泡沫铝作为正极的集流体，解决了电池集流体在涂敷较厚活性物质的生产加工以及电池使用过程中发生脱落、断裂等问题，提高了电池的大电流性能、低温性能，安全性能以及活性物质保持性能等。

Description

泡沫铝在制备化学电源中的应用

技术领域

本发明涉及泡沫铝的用途，特别是涉及泡沫铝在制备化学电源领域中的应用。

背景技术

泡沫铝是一种功能材料，其发明有四十余年的历史，Sosnik在1948年提出利用汞做发泡剂，在液态铝合金中气化制造泡沫铝的想法，Ellist在1956年根据这一想法成功地制造了泡沫铝，1960年代美国Ethyl公司已成为泡沫铝的研究中心，在1982年以前公布有关泡沫铝的专利技术中，多半来自美国的LOX公司和Ethyl公司。直到今天，美国、日本、德国、英国、加拿大等国相继研制出多种生产泡沫铝的方法，并取得了多项技术专利，已将泡沫铝制成管材、板带材等。

泡沫铝具有体积密度小、隔音、吸音、减震、隔热、屏蔽电磁和不燃烧等功能，目前泡沫铝夹心板已应用到飞机、坦克、机动战车、舰船、地铁列车、高架列车和汽车等领域。如将泡沫铝夹心板用于潜水艇上，起到吸音、隔音效果，使潜艇运行时无声音，不易被敌人发现；将泡沫铝裸板用于地铁地道和车站的顶棚上，防止噪音对环境的污染；用于建筑上做间隔墙、地板、天花板、吸音板等；用于活动房、大型厂房等墙和屋顶，既性能优良又美观；用于汽车的前后防冲挡，起到吸收冲撞力作用，能够保护人和汽车免遭伤害。在工业上，泡沫铝常用于防止噪音领域。

目前，化学电源中比如制备锂电池用正极集流体通常采用厚度约30um的铝箔，正极活性物质涂覆在铝箔表面，对于活性物质的涂层厚度小于1mm、并且充放电电流小于0.5C时，铝箔作为集流体尚能满足要求；但在对活性物质的涂层要求大于1mm、电流大于0.5C，或低温充放电过程中，由于外侧部分的电极活性物质离集流体的距离较大，电子不能及时进入集流体，导致了电极上阻抗增加、极化增大，增大了电池内阻，从而降低了电池的充放电性能。也就是说，当活性物质涂层较厚时，在大电流或低温充放电的情况下，铝箔作为集流体已经不能很好的实现收集电流的功能。同时，在活性物质涂层较厚，电池充放电电流较大的情况下，电池的电极尤其是正极部分在使用中会产生大量的热，此时热量必须通过导热良好的集流体自活性物质中心向电池外部传输，而传统铝箔集流体处于活性物涂层的外侧，不利于热量的传导。另一方面，在现有常用配方下，若涂覆在铝箔上的活性物质涂层厚度大于500um时，该涂层在加工中，易发生断裂、剥落等现象；同时在电池充放电过程中，由于活性物质的体积变化，会导致正极发生一定的膨胀效应，这也会导致电极发生脱落现象，严重影响电池的整体性能。

发明内容

本发明的目的在于提供泡沫铝的新用途，即在化学电源特别是在二次锂离子电池中的新应用。

本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了一种能够减小电池内阻，提高电池充放电性能、利于热量传导、避免涂覆在集流体上活性物质脱落和电极发生断裂的泡沫铝在制备化学电源领域中的应用。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题采用的技术方案是：

涉及泡沫铝在制备化学电源中的应用。

涉及泡沫铝在制备化学电源电极板中的应用。

涉及泡沫铝在制备化学电源电极板集流体中的应用。

涉及泡沫铝在制备锂电池中的应用。

涉及泡沫铝在制备锂电池电极板中的应用。

涉及泡沫铝在制备锂电池电极板集流体中的应用。

涉及泡沫铝在制备二次锂离子电池或锂金属电池中的应用。

涉及泡沫铝在制备二次锂离子电池或锂金属电池电极板中的应用。

涉及泡沫铝在制备二次锂离子电池或锂金属电池电极板正集流体中的应用。

本发明还可以采取如下技术措施来实现：

涉及泡沫铝在制备化学电源中的应用，其特点是：所述泡沫铝在制备过程中或者经超声波辅助涂敷导电胶进行处理；所述泡沫铝在制备过程中或者经以下连续两步进行热处理：第一步、在空气气氛中对泡沫铝进行热处理，温度为400～500℃，时间10～30分钟，第二步、在氢气或氨分解气保护下，对泡沫铝进行热处理，温度500～600度，时间20～60分钟；所述泡沫铝在制备过程中或者先经超声波辅助涂敷导电胶后电镀，再进行以下连续两步进行热处理：第一步、在空气气氛中对泡沫铝进行热处理，温度为400～500℃，时间10～30分钟，第二步、在氢气或氨分解气保护下，对泡沫铝进行热处理，温度500～600度，时间20～60分钟。

本发明具有的优点和积极效果是：由于泡沫铝的高比表面积性能和三维网络结构，有利于热量的传导，解决了电池集流体在生产加工以及电池使用过程中发生脱落、断裂等问题，提高了电池的大电流性能、低温性能，安全性能以及活性物质保持等性能，特别是在活性物质厚度较大时，泡沫铝集流体的三维网络结构能够在活性物质中均匀的分布，减小了电子在活性物质和集流体间的传输距离，起到了降低电极内阻，提升电池的大电流充放电性能以及低温充放电性能，可获得更大的充放电容量。

附图说明

图1为扫描电镜观察到的泡沫铝的形貌图；

图2为分别应用泡沫铝和铝箔作为锂电池集流体制备出电池在2.5C充放电电流下得到的充放电曲线图；

图3为分别应用泡沫铝和铝箔作为锂电池集流体制备出电池的低温放电性能比较曲线图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例1：应用公知泡沫铝制备锂离子电池的实施例：

根据电池型号要求，选用公知的泡沫铝，通过辊压调节泡沫铝厚度，裁制成符合电池型号要求尺寸与形状的二次锂离子电池正极集流体。

含泡沫铝集流体电池正极板的制备：

将通常制备的钴酸锂作为电化学活性物质、乙炔黑AB作为导电剂、PVDF作为粘接剂，比例为LiCoO₂ 90wt.％，PVDF 8wt.％，乙炔黑2wt.％的糊状物作为锂离子电池正极膏，将其涂覆在泡沫铝集流体上，使之渗透到泡沫铝的孔状三维网络中，真空干燥后辊压制成以泡沫铝为集流体的正极板，在此过程中需要在泡沫铝上留出焊接极耳的部分。

含泡沫铝集流体的锂离子电池的制备：

在控制湿度的手套箱中，将上述过程制备的泡沫铝为集流体的正极板作为锂离子电池的正极，采用石墨90wt.％，PVDF 8wt.％，乙炔黑2wt.％作为负极，Celgard公司生产的25um厚度的PP多孔膜为隔膜，以及比例为EC∶DMC∶EMC＝1∶1∶1的1摩尔LiPF₆有机溶剂为电解液，外壳用铝塑复合膜制成。按照通常制备铝塑膜锂离子电池的方法，制备出电池成品。在Arbin电池充放电仪上测试其性能。

实施例2：应用自行研制泡沫铝制备锂离子电池实施例：

1、泡沫铝材料的制备：

选用材料为聚醚型聚氨酯泡沫塑料或聚酯型聚氨酯泡沫塑料的有机泡沫材料作为基体材料，经过电镀中化学除油、化学粗化、敏化、活化等常规处理方法进行表面预处理。

表面预处理之后采用下面两种方法任何一种进行基体材料表面导电化处理：第一种方法是将基体材料放入化学镀镍溶液或镀铜溶液中化学镀上一层导电表面层厚度在3um左右镍导电层或铜导电层；第二种方法是在基体材料上涂敷导电胶，在涂敷过程中加入超声波辅助，以提高导电胶在泡沫基体材料上分布的均匀性。

表面导电化处理后的基体材料作为阴极放入温度在40～60℃的无水有机铝盐电解液的电镀槽中，无水有机铝盐电解液的配方为正丁醚∶正丁醇铝∶无水三氯化铝＝80∶12∶8，或者三乙基铝∶稳定剂氟化物∶苯类溶剂＝180∶30∶300；采用对称双阳极系统，以高纯铝板作为阳极材料，同时以频率为28KHz超声波振动搅拌电解液，以提高电解液的分散能力进行电镀，电镀电流密度选择为0.005A～0.01A/cm²，电镀时间为60min，电镀铝层厚度在20～60um之间，电镀得到泡沫铝后，还需要在真空下，进行热处理。

热处理的过程包括以下连续的两步：第一步为在空气气氛中，燃烧分解、去除作为基体的有机泡沫，热处理温度400～500℃左右，时间10～30分钟；第二步为在氢气或氨分解气作为还原性气氛保护下，对热解过的泡沫铝消除镀层应力，熔合结晶颗粒间隙，消除和降低残余有机成分和某些有害杂质，同时还原表面氧化层，热处理温度500～600度，时间20～60分钟，冷却后即得到如图1所示基本结构特性为：孔隙率为95～98％，孔数为80～110PPI，厚度1～10mm，面密度800～2000g/m²的泡沫铝。

根据电池型号要求，将上述自行研制的泡沫铝，通过辊压调节泡沫铝厚度，裁制成符合电池型号要求尺寸与形状的二次锂离子电池正极集流体。

2、含泡沫铝集流体电池正极板的制备：

3、含泡沫铝集流体的锂离子电池的制备：

4、电池的电化学性能测试：

1)充放电曲线

图2是分别采用泡沫铝和铝箔作为锂电池集流体制备出电池在2.5C充放电电流下得到的充放电曲线。由图2的分析可知，采用泡沫铝集流体的电池在大电流充电时具有较低的充电电压，这是由于泡沫铝集流体更好的收集电流的能力，降低了电极上的阻抗，减小了电池的充电电压。而在截止电压不变的情况下，更低的充电点也就意味着更大的充电容量，所以采用泡沫铝作为电池正极的集流体使电池在大电流充电中获得了更多的容量。因此，采用泡沫铝作为集流体的电池，具有更好的大电流充放电性能。

2)低温放电性能

图3是分别采用泡沫铝和铝箔作为锂电池集流体制备出的电池的低温放电性能比较。由图3可以看出，在低温状态下，由泡沫铝集流体制备出的实验电池的放电电压提高明显，放电电压高，放电时间长。表明泡沫铝板上有利于提高锂离子电池的低温性能。

5、活性物质的稳定性测试：

分别采用泡沫铝和铝箔制备出20片正极，辊压后极片厚度均为1mm。对这两种极片进行90度对折及扭曲实验，观察对折或扭曲处活性物质的情况，如表1所示。由此结果可知，由于正极活性物质已经渗入了泡沫铝的三维结构之中，而泡沫铝本身具有很好的柔韧性，所以对渗入其中活性物质具有更好的保持作用。从而保证了采用泡沫铝制备的正极在加工工程和电池的使用过程中具有更好的结构稳定性。

表1

	活性物质脱落/只	活性物质断裂/只
	活性物质脱落/只	活性物质断裂/只	采用铝箔集流体	20	11
采用泡沫铝集流体	6	0	采用铝箔集流体	20	11

Claims

1.泡沫铝在制备化学电源中的应用。

2.泡沫铝在制备化学电源电极板中的应用。

3.泡沫铝在制备化学电源电极板集流体中的应用。

4.泡沫铝在制备锂电池中的应用。

5.泡沫铝在制备锂电池电极板中的应用。

6.泡沫铝在制备锂电池电极板集流体中的应用。

7.泡沫铝在制备二次锂离子电池或锂金属电池中的应用。

8.泡沫铝在制备二次锂离子电池或锂金属电池电极板中的应用。

9.泡沫铝在制备二次锂离子电池或锂金属电池电极板正集流体中的应用。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的泡沫铝在制备化学电源中的应用，其特征在于：所述泡沫铝在制备过程中或者经超声波辅助涂敷导电胶进行处理；所述泡沫铝在制备过程中或者经以下连续两步进行热处理：第一步、在空气气氛中对泡沫铝进行热处理，温度为400～500℃，时间10～30分钟；第二步、在氢气或氨分解气保护下，对泡沫铝进行热处理，温度500～600度，时间20～60分钟；所述泡沫铝在制备过程中或者先经超声波辅助涂敷导电胶后电镀，再进行以下连续两步进行热处理：第一步、在空气气氛中对泡沫铝进行热处理，温度为400～500℃，时间10～30分钟，第二步、在氢气或氨分解气保护下，对泡沫铝进行热处理，温度500～600度，时间20～60分钟。