CN102738469A - 一种柔软型聚合物锂电池及其制备方法 - Google Patents

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张克金
王丹
王金兴
安宇鹏
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魏晓川
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Abstract

本发明涉及一种柔软型聚合物锂电池及其制备方法，其特征在于：聚合物电池包括由镀铝碳纤维布作为集流体的正极极片、由镀铜碳纤维布作为集流体的负极极片、由复合聚合物电解质膜作为正负极极片之间的隔离物，采用铝塑膜进行外包装。其具有抗冲击能力强、安全性能高、机械性能高和柔软性好的优点。

Description

一种柔软型聚合物锂电池及其制备方法
技术领域
   本发明涉及一种柔软型聚合物锂电池及其制备方法，特别是涉及一种由镀铝碳纤维布和镀铜碳纤维布分别作为正极集流体和负极集流体的柔软型聚合物锂电池及其制备方法。
背景技术
锂电池作为一种优秀的能量存储和转换的器件，已经在人们生产和生活中的各个领域得到了广泛应用。锂电池按其结构可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。液态锂离子电池由于使用液态电解质，容易产生漏夜等危险。而且液态锂电池大多采用铝壳或者钢壳进行外包装，使得电池的形状非常固定化，能量密度受到严重限制。在液态锂离子电池基础上发展而来的聚合物锂电池，正好能在性能上弥补传统液态锂电池的缺憾。首先，由于采用铝塑复合膜软包装，相对于采用铝壳等硬包装的传统电池而言，不容易爆炸，具有更高的安全性。其次，聚合物锂电池更轻、更薄、容量更大。第三，聚合物锂电池可以设计成任意形状，具有非常好的柔韧性。第四，由于聚合物锂电池电解质采用固状或凝胶状物质，不会泄漏，因而减少了污染。
但是，正是由于聚合物锂电池使用金属铝塑复合膜进行包装，导致电池机械性能和抗冲击能力较弱，产生了巨大的安全隐患。本发明的目的是克服上述技术困难，采用具有强抗冲击能力的镀铝碳纤维布和镀铜碳纤维布分别作为正极集流体和负极集流体，为聚合物锂电池抵御外来冲击提供了又一防线，大大提高了聚合物锂电池的机械性能和安全性能。
检索专利发现，还没有发现采用同类型镀铝碳纤维布和镀铜碳纤维布作为锂电池集流体的相关专利。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种柔软型聚合物锂电池，另一个目的在于提供一种柔软型聚合物锂电池的制备方法，其聚合物锂电池具有抗冲击能力强、柔韧性好、安全性高以及循环寿命好等优点。
本发明的技术方案是这样实现的：一种柔软型聚合物锂电池，包括正极极片、负极极片、复合聚合物膜以及外包装铝塑膜；其特征在于：正极极片包含正极活性材料、正极粘结剂、正极导电剂和正极集流体，其中正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂三者形成的混合物均匀的涂覆于正极集流体表面；所述负极极片包含负极活性材料、负极粘结剂、负极导电剂和负极集流体，其中负极活性材料、负极粘结剂和负极导电剂三者形成的混合物均匀的涂覆于负极集流体表面；所述复合聚合物膜具有三层结构，中间层为薄膜基体材料、两侧外层膜由聚合物材料和无机粉末添加剂制备而得。
所述的正极极片中的正极活性材料包括LiMn2O4、Li(Ni0.333Mn0.333Co0.333)O2和LiCoO2；正极粘结剂包括聚偏氟乙烯、羟丙基甲基纤维素、羟基丁苯；正极导电剂包括乙炔黑、纳米碳纤维、碳纳米管；正极集流体为镀铝碳纤维布，是由碳纤维布和镀铝层组成。
所述负极极片中的负极的活性材料包括人造石墨、Li4Ti5O12、硅碳复合材料；负极粘结剂包括聚偏氟乙烯、羟丙基甲基纤维素、羟基丁苯；负极导电剂包括乙炔黑、纳米碳纤维、碳纳米管；负极集流体为镀铜碳纤维布，是由碳纤维布和镀铜层组成。
所述复合聚合物膜中的中间层薄膜基体材料包括聚丙烯、聚乙稀和无纺布；所述聚合物材料包括聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯；所述无机粉末添加剂包括二氧化硅、二氧化锆和三氧化二铝。
一种柔软型聚合物锂电池的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
a）正极极片的制备
将85~95wt.%正极活性材料、3~7wt.%正极粘结剂和2~6wt.%正导电剂溶于N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌，直至形成粘稠状浆料；再将该浆料涂于由厚度为0.2~2mm的碳纤维布和厚度为0.1~2.5μm的镀铝层组成的镀铝碳纤维布集流体上，80~120oC真空干燥后即得到正极极片； 
b）负极极片的制备
将87~93wt.%负极活性材料、5~8wt.%负极粘结剂和2~5wt.%负极导电剂溶于N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌，直至形成粘稠状浆料；再将该浆料涂于由厚度为0.2~2mm的纤维布和厚度为0.1~1.5μm的镀铜层组成的镀铜碳纤维布集流体上，80~120oC真空干燥后即得到负极极片。
）复合聚合物膜的制备
将聚合物材料和无机粉末添加剂按照重量比(0.5~1.5)：1溶于丙酮溶液中，室温下通过磁力搅拌器搅拌均匀后在密闭容器中静止，直至形成凝胶状；将该凝胶状物体采用流延法涂于薄膜基体材料的两侧，80~130oC烘干后用乙醇溶液对其进行萃取，80~130oC再次烘干后得复合聚合物膜；
 d）柔软型聚合物锂电池的制备
将由c）所得到的复合聚合物膜、由a）所得到的正极极片和由b）所得到的负极极片按照图4的方式进行层叠，通过金属铝塑料复合膜进行包装后，在手套箱中注入适量电解液1Mol·L-1 LiPF6（体积比EC：DMC=1：1）。对金属铝塑复合膜进行热压封装，得柔软型聚合物锂电池。
本发明的积极效果是该柔软性聚合物锂电池质量轻、具有抗冲击能力强、安全性能高、机械性能高、能量密度高和柔软性好的优点。
附图说明
图1为正极极片结构示意图，其中“1”是碳纤维布，“2”是镀铝层，“3”是由碳纤维布和镀铝层所组成的镀铝碳纤维布，“4”是由正极活性材料、导电剂和粘结剂所制备的正极材料。
图2为复合聚合物膜结构示意图，其中“5”是中间层聚合物基体材料，“6”是由聚合物材料和无机粉末添加剂制备的外层膜。
图3为负极极片结构示意图，其中“1”是碳纤维布，“7”是镀铜层，“8”是由碳纤维布和镀铜层所组成的镀铜碳纤维布，“9”是由负极活性材料、导电剂和粘结剂所制备的负极材料。
图4为柔软型聚合物锂电池结构示意图，其中“10”是正极极片，“11”是复合聚合物膜，“12”是负极极片，“13”是金属铝塑复合膜。
具体实施方式
    在下述的具体事例描述中，给出了大量具体的细节以及便提供对本发明更为深刻的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征为进行描述。
实施例1：
正极极片的制备
将90wt.% LiMn2O4、6wt.% 聚偏氟乙烯和4wt.% 乙炔黑溶于N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌，直至形成粘稠状浆料；再将该浆料涂于由厚度为0.3mm的碳纤维布1和厚度为0.2μm的镀铝层2组成的镀铝碳纤维布3集流体上，120oC真空干燥后即得到正极极片； 
负极极片的制备
将90wt.% 人造石墨、5wt.% 聚偏氟乙烯和5wt.% 乙炔黑溶于N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌，直至形成粘稠状浆料；再将该浆料涂于由厚度为0.3mm的纤维布和厚度为0.12μm的镀铜层组成的镀铜碳纤维布集流体上，100oC真空干燥后即得到负极极片。
复合聚合物膜的制备
将聚偏氟乙烯和二氧化硅按照重量比0.6：1溶于丙酮溶液中，室温下通过磁力搅拌器搅拌均匀后在密闭容器中静止，直至形成凝胶状；将该凝胶状物体采用流延法涂于聚丙烯隔膜的两侧，100oC烘干后用乙醇溶液对其进行萃取，100oC再次烘干后得复合聚合物膜；
柔软型聚合物锂电池的制备
将复合聚合物膜、正极极片和负极极片按照图4的方式进行层叠，通过金属铝塑料复合膜进行包装后，在手套箱中注入电解液1Mol·L-1 LiPF6（体积比EC：DMC=1：1）。对金属铝塑复合膜进行热压封装，得柔软型聚合物锂电池。
实施例2：
正极极片的制备
将85wt.% Li(Ni0.333Mn0.333Co0.333)O2、7wt.% 羟丙基甲基纤维素和8wt.% 纳米碳纤维溶于N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌，直至形成粘稠状浆料；再将该浆料涂于由厚度为1mm的碳纤维布和厚度为1.2μm的镀铝层组成的镀铝碳纤维布集流体上，100oC真空干燥后即得到正极极片； 
负极极片的制备
将93wt.% Li4Ti5O12、5wt.% 羟丙基甲基纤维素和2wt.% 纳米碳纤维溶于N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌，直至形成粘稠状浆料；再将该浆料涂于由厚度为1mm的纤维布和厚度为1.2μm的镀铜层组成的镀铜碳纤维布集流体上，80oC真空干燥后即得到负极极片。
复合聚合物膜的制备
将聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化锆添加剂按照重量比1.5：1溶于丙酮溶液中，室温下通过磁力搅拌器搅拌均匀后在密闭容器中静止，直至形成凝胶状；将该凝胶状物体采用流延法涂于聚乙稀隔膜的两侧，80oC烘干后用乙醇溶液对其进行萃取，80oC再次烘干后得复合聚合物膜；
柔软型聚合物锂电池的制备
将复合聚合物膜、正极极片和负极极片按照图4的方式进行层叠，通过金属铝塑料复合膜进行包装后，在手套箱中注入电解液1Mol·L-1 LiPF6（体积比EC：DMC=1：1）。对金属铝塑复合膜进行热压封装，得柔软型聚合物锂电池。
实施例3：
正极极片的制备
将95wt.% LiCoO2、3wt.% 羟基丁苯和2wt.% 碳纳米管溶于N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌，直至形成粘稠状浆料；再将该浆料涂于由厚度为2mm的碳纤维布和厚度为2.5μm的镀铝层组成的镀铝碳纤维布集流体上，80oC真空干燥后即得到正极极片； 
负极极片的制备
将87wt.% 硅碳复合材料、8wt.% 羟基丁苯和5wt.% 碳纳米管溶于N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌，直至形成粘稠状浆料；再将该浆料涂于由厚度为2mm的纤维布和厚度为1.5μm的镀铜层组成的镀铜碳纤维布集流体上，120oC真空干燥后即得到负极极片。
复合聚合物膜的制备
将聚氯乙烯和三氧化二铝按照重量比0.5：1溶于丙酮溶液中，室温下通过磁力搅拌器搅拌均匀后在密闭容器中静止，直至形成凝胶状；将该凝胶状物体采用流延法涂于无纺的两侧，130oC烘干后用乙醇溶液对其进行萃取，130oC再次烘干后得复合聚合物膜；
柔软型聚合物锂电池的制备
将复合聚合物膜、正极极片和负极极片按照图4的方式进行层叠，通过金属铝塑料复合膜进行包装后，在手套箱中注入电解液1Mol·L-1 LiPF6（体积比EC：DMC=1：1）。对金属铝塑复合膜进行热压封装，得柔软型聚合物锂电池。

Claims (5)

1.一种柔软型聚合物锂电池，包括正极极片、负极极片、复合聚合物膜以及外包装铝塑膜；其特征在于：正极极片包含正极活性材料、正极粘结剂、正极导电剂和正极集流体，其中正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂三者形成的混合物均匀的涂覆于正极集流体表面；所述负极极片包含负极活性材料、负极粘结剂、负极导电剂和负极集流体，其中负极活性材料、负极粘结剂和负极导电剂三者形成的混合物均匀的涂覆于负极集流体表面；所述复合聚合物膜具有三层结构，中间层为薄膜基体材料、两侧外层膜由聚合物材料和无机粉末添加剂制备而得。
2.根据权利要求1所述的一种柔软型聚合物锂电池，其特征在于所述的正极极片中的正极活性材料包括LiMn2O4、Li(Ni0.333Mn0.333Co0.333)O2和LiCoO2；正极粘结剂包括聚偏氟乙烯、羟丙基甲基纤维素、羟基丁苯；正极导电剂包括乙炔黑、纳米碳纤维、碳纳米管；正极集流体为镀铝碳纤维布，是由碳纤维布和镀铝层组成。
3.根据权利要求1所述的一种柔软型聚合物锂电池，其特征在于所述负极极片中的负极的活性材料包括人造石墨、Li4Ti5O12、硅碳复合材料；负极粘结剂包括聚偏氟乙烯、羟丙基甲基纤维素、羟基丁苯；负极导电剂包括乙炔黑、纳米碳纤维、碳纳米管；负极集流体为镀铜碳纤维布，是由碳纤维布和镀铜层组成。
4.根据权利要求1所述的一种柔软型聚合物锂电池，其特征在于所述复合聚合物膜中的中间层薄膜基体材料包括聚丙烯、聚乙稀和无纺布；所述聚合物材料包括聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯；所述无机粉末添加剂包括二氧化硅、二氧化锆和三氧化二铝。
5.一种柔软型聚合物锂电池的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
a）正极极片的制备
将85~95wt.%正极活性材料、3~7wt.%正极粘结剂和2~6wt.%正导电剂溶于N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌，直至形成粘稠状浆料；再将该浆料涂于由厚度为0.2~2mm的碳纤维布和厚度为0.1~2.5μm的镀铝层组成的镀铝碳纤维布集流体上，80~120oC真空干燥后即得到正极极片； 
b）负极极片的制备
将87~93wt.%负极活性材料、5~8wt.%负极粘结剂和2~5wt.%负极导电剂溶于N-甲基吡咯烷酮中，充分搅拌，直至形成粘稠状浆料；再将该浆料涂于由厚度为0.2~2mm的纤维布和厚度为0.1~1.5μm的镀铜层组成的镀铜碳纤维布集流体上，80~120oC真空干燥后即得到负极极片；
c）复合聚合物膜的制备
将聚合物材料和无机粉末添加剂按照重量比(0.5~1.5)：1溶于丙酮溶液中，室温下通过磁力搅拌器搅拌均匀后在密闭容器中静止，直至形成凝胶状；将该凝胶状物体采用流延法涂于薄膜基体材料的两侧，80~130oC烘干后用乙醇溶液对其进行萃取，80~130oC再次烘干后得复合聚合物膜；
 d）柔软型聚合物锂电池的制备
将由c）所得到的复合聚合物膜、由a）所得到的正极极片和由b）所得到的负极极片按照图4的方式进行层叠，通过金属铝塑料复合膜进行包装后，在手套箱中注入适量电解液1Mol·L-1 LiPF6（体积比EC：DMC=1：1）；对金属铝塑复合膜进行热压封装，得柔软型聚合物锂电池。
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