CN102544574B - 一种柔性锂离子电池及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性锂离子电池，包括柔性电池外壳和位于柔性电池外壳内部的电池主体，柔性电池外壳内灌注有电解液；所述电池主体包括依次叠放的正极电极片、隔膜和负极电极片。所述负极电极片采用钴酸锌/碳布复合负极材料、氧化锌、氧化锡、氧化铁和氧化镍中的一种，所述正极电极片采用钴酸锂、磷酸铁锂和锰酸锂材料中的一种。本发明还提供了制备上述电池的方法。本发明能有效的解决现有锂离子电池的柔性差，电容量较低，循环性不理想和电学稳定性不好的问题，而且该电池的封装较为简单，高效快速，很多原料成本低廉，利于推广，具有很高的实用性。

Description

一种柔性锂离子电池及其封装方法
技术领域
本发明属于新一代能源存储领域，特别涉及一种高性能柔性锂离子电池的封装和应用。
背景技术
自锂离子电池诞生之日起，它一直备受关注热点关注，乃是当今国际公认的理想化学能源，具有电容量大、自放电低、平台电压高等诸多优势，迅速被广泛用于移动电话、DV、笔记本电脑和军事设备等领域，日益扩大的电动汽车领域将给锂离子电池带来更大的发展空间。纵观科技发展，目前光电子器件的小型化，轻薄便携化和柔性化是一种主导的今后的发展趋势。有一些高科技的新型产品也相继出现，如柔性显示器，柔性太阳能电池，透明智能窗等。但是对于用途极为广泛的较高性能的柔性锂离子电池的研究还有不成熟之处，研制出高性能柔性锂离子电池是目前国内外迫切需要解决的难题。
发明内容
本发明目的在于提供一种柔性锂离子电池，具有良好的柔性，可任意折叠弯曲，携带轻便，成本低。
本发明的另一目的在于提供上述柔性锂离子电池的封装方法。
一种柔性锂离子电池，包括柔性电池外壳和位于柔性电池外壳内部的电池主体，柔性电池外壳内灌注有电解液；所述电池主体包括依次叠放的正极电极片、隔膜和负极电极片。
一种高性能柔性锂离子电池的封装方法，包括以下步骤：
(1)将由正极电极片、隔膜和负极电极片依次叠放形成的电池主体置于柔性电池外壳内；
(2)在柔性电池外壳内灌注电解液；
(3)对柔性电池外壳进行封装。
所述负极电极片采用钴酸锌/碳布复合负极材料、氧化锌、氧化锡、氧化铁和氧化镍中的一种，所述正极电极片采用钴酸锂、磷酸铁锂和锰酸锂材料中的一种，所述柔性电池外壳采用铝塑膜、PDMS、PET中的一种。
本发明电池具有可任意折叠弯曲的柔性性能，但在折叠弯曲的过程中必须保证良好稳定的电学特性，因此正极和负极材料的匹配性越好，则电池的电学特性越稳定。经过大量实验结果证明，所述正极电极片采用钴酸锂材料，所述负极电极片采用钴酸锌/碳布复合负极材料，获取的电池的电学性能最好。另外，因为钴酸锌负极材料生长在柔韧性极好的碳布基底上，因此负极电极片本身具有很好的柔性。
所述钴酸锌/碳布复合负极材料按照如下方式制备：
(1)清洗炭布，放入高压反应釜内衬；
(2)将1～4mmol硝酸锌、2～8mmol硝酸钴、0～4mmol氟化铵和5～10mmol尿素混合后溶解在去离子水中后转移至高压反应釜内衬中，对反应釜加热，自然冷却，得到长有阵列样品的碳布；
(3)对长有阵列样品的碳布煅烧得到钴酸锌阵列/碳布复合材料。
所述反应釜的加热温度为120～180℃，加热时间5～10h。
所述煅烧温度400～500℃，煅烧时间1～5h。
本发明具有如下有益效果：
a.针对目前锂离子电池柔性很差，笨重和成本较高等诸多缺点，本发明的高性能柔性锂离子电池具有良好柔性，轻薄，取材廉价的优点。在弯折电池一百多次后电池的电学稳定性良好，对电池的几乎没有影响。这种新颖的柔性锂离子电池具有很高的实用价值和很好的发展前景。
b.很大的提高了锂离子电池的各方面性能，如电池循环几十次没有明显的衰减出现，衰减率不足10％。具有较高比电容量。
c.具有合适实际应用的平台电压(33V)。研发出的柔性锂离子电池可以成功点亮日常中LED灯，手机屏和带动儿童玩具等用电器。
d.该电池的封装较为简单，高效快速，很多原料成本低廉，利于推广。
附图说明
图1为一个封装好的柔性锂离子电池的实物图；
图2为一个封装好的锂离子电池的良好柔性特性的展示示意图；
图3为柔性锂离子电池电压性能测试结果示意图；
图4为柔性锂离子电池循环性能测试结果示意图；
图5为柔性锂离子电池电学稳定性的测试结果示意图。
具体实施方式
下面通过借助实例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
以下结合最佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明：
实施例：
1.制备电池电极材料，将制备出的钴酸锌/碳布复合负极材料和钴酸锂正极材料裁成相同面积的电极片(3cm×5cm)，同样裁剪一片隔膜(Celgard2400)。在正极电极片上连接铝片极耳，在负极电极片上连接镍片极耳；
2.按照正极电极片-隔膜-负极电极片的上下顺序放入准备好的铝塑膜，后用封装机将膜的三面封好，留一面用于后续灌注1.05mol/L的LiPF6电解液(其中LiPF6溶于EC与DEC体积比为1∶1的溶液里)；
3.将整个铝塑膜放入手套箱中，在未封口的一面灌注电解液进去，将铝塑膜装入塑料袋从手套箱中取出，将铝塑膜未封口的一面封装好。一个柔性的锂离子电池封装完毕。封装完成后的实物图见附图1，电池良好柔性特性的展示详见附图2；
4.老化处理，电池系列测试。包括平台电压，电容量，循环性能。各项测试结果详见图3、图4，图3表明有高达3.3V的放电电压，图4表明在高容量下保持几十次的良好的循环性能；针对柔性器件方面，也做了电学稳定性测试，详见图5，图5为柔性锂离子电池电学稳定性的测试，分别对柔性电池做0、30、60、90和120次折叠后测试电学，结果曲线基本没有偏移，说明柔性电池有很好的电学稳定性。
5.应用于许多常见用电器。研制出的柔性电池可以成功点亮LED灯，手机屏等。
所述钴酸锌/碳布复合负极材料的制备实例如下：
实施例1
将碳布依次在丙酮，水，乙醇中超声清洗干净，干燥后裁成统一面积(4cm×2cm)，取一片碳布放入高压反应釜内衬。把1mmol硝酸锌，2mmol硝酸钴和5mmol尿素溶解于35ml去离子水中，转移至放入碳布的高压反应釜内衬中，把反应釜拧好盖子放入120℃的烘干箱中反应5h，反应结束后自然冷却至室温，取出样品并在马弗炉中400℃下煅烧2h。
实施例2
碳布的清洗采用实施例1中的清洗方式。把1mmol硝酸锌，2mmol硝酸钴，2mmol氟化铵和5mmol尿素溶解于35ml去离子水中，转移至放入碳布的高压反应釜内衬中，把反应釜拧好盖子放入120℃的烘干箱中反应5h，反应结束后自然冷却至室温，长在碳布上的样品在马弗炉中400℃下煅烧2h，得到非常均匀有序长在碳布上的钴酸锌纳米线阵列。对比实施例1可知，加入氟化铵对反应体系的影响较大，氟离子促进了样品在碳布基底上的生长。
实施例3
碳布的清洗完全按照实施例1中的清洗方式。把1mmol硝酸锌，2mmol硝酸钴，2mmol氟化铵和5mmol尿素溶解于35ml去离子水中，转移至放入碳布的高压反应釜内衬中，把反应釜拧好盖子放入120℃的烘干箱中反应5h，反应结束后自然冷却至室温，长在碳布上的样品在马弗炉中500℃下煅烧2h，得到最终钴酸锌产物。这个方案中的煅烧温度调整到500℃，其他均未做更改，也可以得到类似实例2中非常均匀有序长在碳布上的钴酸锌纳米线阵列，但是阵列并不像实例2当中产物阵列接近90度，而是阵列的角度变小了。
实施例4
碳布的清洗完全按照实施例1中的清洗方式。把2mmol硝酸锌，4mmol硝酸钴，2mmol氟化铵和5mmol尿素溶解于35ml去离子水中，转移至放入碳布的高压反应釜内衬中，把反应釜拧好盖子放入120℃的烘干箱中反应5h，反应结束后自然冷却至室温，长在碳布上的样品在马弗炉中400℃下煅烧2h，也可以得到类似实施例2中非常均匀有序长在碳布上的钴酸锌阵列，实施例4是在实施例2的基础上，将硝酸锌和硝酸钴的量加大了一倍，纳米线尺寸明显变粗，并且包覆层加厚了一些。
实施例5
碳布的清洗完全按照实施例1中的清洗方式。把4mmol硝酸锌，8mmol硝酸钴，4mmol氟化铵和8mmol尿素溶解于60ml去离子水中，转移至放入碳布的高压反应釜内衬中，把反应釜拧好盖子放入150℃的烘干箱中反应8h，反应结束后自然冷却至室温，长在碳布上的样品在马弗炉中450℃下煅烧1h，也可以得到类似实施例4中非常均匀有序长在碳布上的钴酸锌阵列。
实施例6
碳布的清洗完全按照实施例1中的清洗方式。把4mmol硝酸锌，8mmol硝酸钴，4mmol氟化铵和10mmol尿素溶解于60ml去离子水中，转移至放入碳布的高压反应釜内衬中，把反应釜拧好盖子放入180℃的烘干箱中反应10h，反应结束后自然冷却至室温，长在碳布上的样品在马弗炉中500℃下煅烧5h，也可以得到类似实施例5中的钴酸锌阵列。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种柔性锂离子电池，包括柔性电池外壳和位于柔性电池外壳内部的电池主体，柔性电池外壳内灌注有电解液；所述电池主体包括依次叠放的正极电极片、隔膜和负极电极片；
所述正极电极片采用钴酸锂材料，所述负极电极片采用钴酸锌/碳布复合负极材料；
所述钴酸锌/碳布复合负极材料按照如下方式制备：
（a）清洗炭布，放入高压反应釜内衬；
（b）将1～4mmol硝酸锌、2～8mmol硝酸钴、0～4mmol氟化铵和5～10mmol尿素混合后溶解在去离子水中后转移至高压反应釜内衬中，对反应釜加热，自然冷却，得到长有阵列样品的碳布；
（c）对长有阵列样品的碳布煅烧得到钴酸锌阵列/碳布复合材料。
2.根据权利要求1所述的柔性锂离子电池，其特征在于，所述柔性电池外壳采用铝塑膜、PDMS、PET中的一种。
3.一种高性能柔性锂离子电池的封装方法，包括以下步骤：
（1）将由正极电极片、隔膜和负极电极片依次叠放形成的电池主体置于柔性电池外壳内；
（2）在柔性电池外壳内灌注电解液；
（3）对柔性电池外壳进行封装；
所述正极电极片采用钴酸锂材料，所述负极电极片采用钴酸锌/碳布复合负极材料；
所述钴酸锌/碳布复合负极材料按照如下方式制备：
（a）清洗炭布，放入高压反应釜内衬；
（b）将1～4mmol硝酸锌、2～8mmol硝酸钴、0～4mmol氟化铵和5～10mmol尿素混合后溶解在去离子水中后转移至高压反应釜内衬中，对反应釜加热，自然冷却，得到长有阵列样品的碳布；
（c）对长有阵列样品的碳布煅烧得到钴酸锌阵列/碳布复合材料。
4.根据权利要求3所述的高性能柔性锂离子电池的封装方法，其特征在于，所述柔性电池外壳采用铝塑膜、PDMS和PET中的一种。
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