CN103000940A - 一种喷漆式锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷漆式锂离子电池，其特征在于，包括正电流集流层（1）、正极活性物质层（2）、高分子聚合物隔离层（3）、负极活性物质层（4）和负电流集流层（5）；所述负电流集流层（5）喷涂在需要用电的电子产品（6）表面，所述正电流集流层（1）、正极活性物质层（2）、高分子聚合物隔离层（3）和负极活性物质层（4）从上到下依次喷涂在所述负电流集流层（5）的上方。本发明公开的一种喷漆式锂离子电池及其制备方法，其可以通过将锂离子电池的主要成分喷涂到需要使用锂离子电池的各种电子产品表面，在电子产品表面完成锂离子电池的制备。因此可以显著节约锂离子电池占用的空间，可以方便、灵活地在各种电子产品中应用。

Description

一种喷漆式锂离子电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池制造技术领域，特别涉及一种喷漆式锂离子电池及其制备方法。

背景技术

一直以来能源和环境就是人类进入21世纪必须面对的两个严峻问题，开发新能源和清洁可再生能源是今后世界经济中最具决定性影响的技术领域之一。锂离子电池满足了电源小型化、轻量化、长工作时间、长寿命、无记忆效应和对环境无公害等要求。

锂离子电池的工作原理是在正极和负极之间交换电荷。同其它可充电式电池相比，锂电子电池更轻，输出功率和蓄电量更大，也更安全。目前，锂离子电池以其良好的电性能和安全性能广泛应用于数码产品、电动工具和储能电源等各个领域。

电极是锂离子电池的基本组成部分，由正极和负极组成。主要成分即活性物质，是直接参加电化学反应的物质。锂离子电池的正极活性物质是锂脱嵌化合物，目前已使用有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元（镍钴锰酸锂）、磷酸亚铁锂等。负极活性物质主要有石墨化碳材料、无定形碳材料、氮化物、硅基材料、新型合金和其他材料。次要成分不直接参加电极反应，但可以改善电池的导电性能和加工性能。主要有集流体、粘接剂和导电剂等。

传统包装的锂离子电池是把这些活性物质层包在活性碳罐或其它便携式容器中。因此，传统锂离子电池需要占用较多的固定空间，无法方便、灵活地在各种电子产品中应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种喷漆式锂离子电池及其制备方法，其可以通过将锂离子电池的主要成分喷涂到需要使用锂离子电池的各种电子产品表面，在电子产品表面完成锂离子电池的制备，因此可以显著节约锂离子电池占用的空间，可以方便、灵活地在各种电子产品中应用，有利于开拓锂离子电池市场的应用前景，具有重大的生产实践意义。

为此，本发明提供了一种喷漆式锂离子电池，包括正电流集流层、正极活性物质层、高分子聚合物隔离层、负极活性物质层和负电流集流层。

所述负电流集流层喷涂在需要用电的电子产品表面，所述正电流集流层、正极活性物质层、高分子聚合物隔离层和负极活性物质层从上到下依次喷涂在所述负电流集流层的上方。

其中，所述正电流集流层为将单壁碳纳米管与炭黑粒子散布在N-甲基吡咯烷酮NMP溶剂中后再进行喷涂后所形成的涂层；

所述正极活性物质层为采用正极活性物质喷涂形成的涂层；

所述高分子聚合物隔离层3为将聚甲基丙烯酸甲酯或者二氧化硅分散到聚偏二氟乙烯树脂后喷涂形成的涂层； 

所述负极活性物质层为采用负极活性物质喷涂形成的涂层；

所述负电流集流层可以为导电铜漆用乙醇稀释后喷涂形成的涂层。

其中，所述负极活性物质为人造石墨；所述正极活性物质为钴酸锂。

此外，本发明还提供了一种喷漆式锂离子电池的制备方法，用于将锂离子电池喷涂制备在需要用电的电子产品表面，包括步骤：

第一步：分别制作形成锂离子电池的电流集流层、正极活性物质层、高分子聚合物隔离层、负极活性物质层和负电流集流层所需要喷涂的浆料；

第二步：分别检测所制作浆料的黏度是否达到预设黏度标准；

第三步：当所有浆料的黏度达到预设黏度标准时，依次将负电流集流层、负极活性物质层、高分子聚合物隔离层、正极活性物质层和正电流集流层的浆料喷涂在所述电子产品表面，形成锂离子电池的电流集流层、正极活性物质层、高分子聚合物隔离层、负极活性物质层和负电流集流层；

第四步：将电解液均匀涂洒在所述电流集流层、正极活性物质层、高分子聚合物隔离层、负极活性物质层和负电流集流层表面，并且在预设温度下静置预设时间，使得电解液充分浸润所述电流集流层、正极活性物质层、高分子聚合物隔离层、负极活性物质层和负电流集流层，从而在所述电子产品表面制备获得锂离子电池。

其中，还包括步骤：

第五步：将充放电测试仪与锂离子电池相连接，实时测试锂离子电池的充放电性能。

其中，制备正极活性物质层的浆料的具体步骤为：采用钴酸锂作为正极活性材料，聚偏氟乙烯PVDF为粘结剂，炭黑为导电剂，将混磨后的钴酸锂和炭黑浆料均匀分散在粘结剂溶液中。

其中，制备正电流集流层的浆料的具体步骤为：混合纯化的单壁碳纳米管与炭黑粒子，散布在N-甲基吡咯烷酮溶液中，制备形成浆料。

其中，制备负极活性物质层浆料的具体步骤为：采用人造石墨作为负极活性材料，聚偏氟乙烯为粘结剂，碳纤维VGCF为导电剂，将混磨好的人造石墨和碳纤维分散在粘结剂溶液中。

其中，制备负电流集流层浆料的具体步骤为：采用导电铜漆，用乙醇稀释后，形成浆料。

其中，制备高分子聚合物隔离层浆料的具体步骤为：将聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅分散到聚偏二氟乙烯树脂，形成高分子聚合物隔离层浆料。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种喷漆式锂离子电池及其制备方法，其可以通过将锂离子电池的主要成分喷涂到需要使用锂离子电池的各种电子产品表面，在电子产品表面完成锂离子电池的制备，因此可以显著节约锂离子电池占用的空间，可以方便、灵活地在各种电子产品中应用，有利于开拓锂离子电池市场的应用前景，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种喷漆式锂离子电池的结构示意简图；

图2为本发明提供的一种喷漆式锂离子电池的制备方法的流程图；

图3为本发明提供的一种喷漆式锂离子电池的制备方法所制备的锂离子电池在常温下的充放电循环曲线示意图；

图4为本发明提供的一种喷漆式锂离子电池的制备方法所制备的锂离子电池在高温下的充放电循环曲线示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，本发明提供了一种喷漆式锂离子电池，喷涂在需要用电的电子产品6表面，所述锂离子电池包括正电流集流层1、正极活性物质层2、高分子聚合物隔离层3、负极活性物质层4和负电流集流层5。

在本发明中，具体实现上，本发明的锂离子电池为层状结构分布所述正电流集流层1、正极活性物质层2、高分子聚合物隔离层3、负极活性物质层4和负电流集流层5。具体为：所述负电流集流层5喷涂在所述电子产品6的表面，所述正电流集流层1、正极活性物质层2、高分子聚合物隔离层3和负极活性物质层4从上到下依次喷涂在所述负电流集流层5的上方。

在本发明中，具体实现上，所述正电流集流层1可以为将单壁碳纳米管与炭黑粒子散布在N-甲基吡咯烷酮NMP溶剂中后再进行喷涂后所形成的涂层。

在本发明中，具体实现上，所述正极活性物质层2可以为采用正极活性物质喷涂形成的涂层，所述正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料或磷酸亚铁锂，具体优选为钴酸锂。

在本发明中，具体实现上，所述高分子聚合物隔离层3（即隔膜层）可以为将聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅分散到聚偏二氟乙烯树脂后喷涂形成的涂层。

在本发明中，具体实现上，所述负极活性物质层4可以为采用负极活性物质喷涂形成的涂层，所述负极活性物质可以为人造石墨。

在本发明中，具体实现上，所述负电流集流层5可以为将导电铜漆用乙醇稀释后喷涂形成的涂层。

需要说明的是，对于本发明提供的锂离子电池，其通过喷涂方式需要用电的电子产品6表面，理论上可以把任何物体表面变成锂离子电池。本发明可以为锂离子储能电源提供新的设计思路。

参见图2，为了制备上述本发明提供的锂离子电池，本发明还提供了一种锂离子电池的制备方法，用于将锂离子电池喷涂制备在需要用电的电子产品6表面，该方法包括以下步骤：

第一步：分别制作形成锂离子电池的电流集流层1、正极活性物质层2、高分子聚合物隔离层3、负极活性物质层4和负电流集流层5所需要喷涂的浆料；

第二步：分别检测所制作浆料的黏度是否达到预设黏度标准；

第三步：当所有浆料的黏度达到预设黏度标准时，依次将负电流集流层5、负极活性物质层4、高分子聚合物隔离层3、正极活性物质层2和正电流集流层1的浆料喷涂在所述电子产品6表面，形成锂离子电池的电流集流层1、正极活性物质层2、高分子聚合物隔离层3、负极活性物质层4和负电流集流层5；

第四步：将电解液均匀涂洒在所述电流集流层1、正极活性物质层2、高分子聚合物隔离层3、负极活性物质层4和负电流集流层5表面，并且在预设温度下（一般为45℃的高温）静置预设时间（6个小时），使得电解液充分浸润所述电流集流层1、正极活性物质层2、高分子聚合物隔离层3、负极活性物质层4和负电流集流层5，从而在所述电子产品6表面制备获得锂离子电池。

具体实现上，为了测试本发明制备的锂离子电池的充放电性能，本发明在第四步之后还包括步骤：

第五步：将充放电测试仪与锂离子电池相连接，实时测试锂离子电池的充放电性能。

在本发明中，在第一步中，将单壁碳纳米管与炭黑粒子散布在N-甲基吡咯烷酮溶剂中，制作获得正电流集流层1的浆料；

制备正极活性物质层的浆料的具体步骤为：采用钴酸锂作为正极活性材料，聚偏氟乙烯PVDF为粘结剂，炭黑为导电剂，将混磨后的钴酸锂和炭黑均匀分散在粘结剂溶液中。

制备正电流集流层的浆料的具体步骤为：混合纯化的单壁碳纳米管与炭黑粒子，散布在N-甲基吡咯烷酮溶液中，制备形成浆料；

制备负极活性物质层浆料的具体步骤为：采用人造石墨作为负极活性材料，聚偏氟乙烯为粘结剂，碳纤维VGCF为导电剂，将混磨好的人造石墨和碳纤维分散在粘结剂溶液中。

制备负电流集流层浆料的具体步骤为：采用导电铜漆，用乙醇稀释后，形成浆料；

制备高分子聚合物隔离层浆料的具体步骤为：将聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅分散到聚偏二氟乙烯树脂，即可形成高分子聚合物隔离层浆料。

在第二步中，所述预设黏度标准可以根据用户和电池厂家的需要进行设定。

下面结合实施例对本发明提供的锂离子电池的制备方法作进一步详细的描述。

1、浆料制作：

首先，制备正极活性物质层浆料：采用钴酸锂作为正极活性材料，聚偏氟乙烯为粘结剂，炭黑为导电剂，将混磨后的钴酸锂和炭黑均匀分散在粘结剂溶液中。

制备正电流集流层的浆料：混合纯化的单壁碳纳米管与炭黑粒子，散布在N-甲基吡咯烷酮溶液中，制备形成浆料；

制备负极活性物质层浆料：采用人造石墨作为负极活性材料，聚偏氟乙烯为粘结剂，碳纤维为导电剂，将混磨好的人造石墨和碳纤维分散在粘结剂中。

制备负电流集流层浆料：采用导电铜漆，用乙醇稀释后，形成浆料；

制备高分子聚合物隔离层浆料：将聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅分散到聚偏二氟乙烯树脂，即可形成高分子聚合物隔离层浆料。

2、涂料测试：分别取少量的正极活性物质浆料和负极活性物质浆料测试黏度及固含量，一般黏度标准：5000±1000；

3、喷涂：将上述五种涂料分别代表锂离子电池的五个组件，在干燥和无氧条件下通过喷枪把上述混合好的涂料依次涂布在需要用电的电子产品表面，形成电池涂层，参见图1所示；

4、注液：电解液以六氟磷酸锂为锂盐，碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯/碳酸二乙酯为有机溶剂。在干燥和无氧条件下把电液均匀涂洒在上述电池涂层表面，高温静置使其充分浸润；

5、充放电测试：负电流集流层用铜箔与外界连接，正电流集流层由铝箔引出，采用充放电测试仪考察电池的充放电循环性能；

充电制式：0.7C电池倍率（C，即表示电池充放电时电流大小的比率） 恒流充电至4.2V，恒压充电至0.05C；

充电后休眠：10分钟；

放电制式：0.5C恒流放电至3.0V；

放电后休眠：15分钟；

本发明通过控制电池正负极涂层质量，通过在不同材质的电子产品基体上制作成电池，进行性能测试，考察该电池制作工艺的可行性及高低温充放电性能。

实施例1：

在干燥无氧的条件下，以不锈钢板为基材，按照上述电池制作工艺把电池涂料依次喷涂在不锈钢板表面，所述负电流集流层5、负极活性物质层4、高分子聚合物隔离层3、正极活性物质层2和正电流集流层1的浆料喷涂量比例固定为1:2:1:2:1。形成涂层后称重，保证涂层质量控制在7.5±0.5。最后注液，电解液质量控制在2.0±0.2左右。不锈钢板基体在喷涂之前表面需要做氧化处理，以提高基体与涂层之间的结合力。

实施例2：

在干燥无氧的条件下，以透明玻璃板为基材，按照上述电池制作工艺把电池涂料依次喷涂在玻璃板表面，所述负电流集流层5、负极活性物质层4、高分子聚合物隔离层3、正极活性物质层2和正电流集流层1的浆料喷涂量比例固定为1:2:1:2:1。形成涂层后称重，保证涂层质量控制在7.5±0.5。最后注液，电解液质量控制在2.0±0.2左右。玻璃基体在喷涂之前表面需要做氧化处理，以提高基体与涂层之间的结合力。

实施例3：

在干燥无氧的条件下，以陶瓷为基材，按照上述电池制作工艺把电池涂料依次喷涂在陶瓷表面，所述负电流集流层5、负极活性物质层4、高分子聚合物隔离层3、正极活性物质层2和正电流集流层1的浆料喷涂量比例固定为1:2:1:2:1。形成涂层后称重，保证涂层质量控制在7.5±0.5。最后注液，电解液质量控制在2.0±0.2左右。陶瓷基体在喷涂之前表面需要做氧化处理，以提高基体与涂层之间的结合力。

表1为实施例工艺参数：

	电子产品基材	涂层质量/g	注液量/g
				实施例1	不锈钢板	7.5±0.5	2.0±0.2
实施例2	玻璃	7.5±0.5	2.0±0.2
				实施例3	陶瓷	7.5±0.5	2.0±0.2

6、电性能测试。（1）常温循环性能 ：电池制作完成之后，正负集流层接上导线，然后对电池进行常温循环性能测试。测试环境要求25℃常温，湿度要求5%RH以下。电池循环过程容量衰减曲线如图3所示。（2）高温循环性能：电池制作完成之后，正负集流层接上导线，然后对电池进行高温循环性能测试。测试环境要求45℃高温，湿度要求5%RH以下。电池循环过程容量衰减曲线图如图4所示。

从上述循环曲线可以看出，由此工艺制作出来的电池常温和高温充放电性能良好。100次循环之后，容量能保持在90%以上，电化学性能比较稳定。基体材料对电池性能影响不大，但需要考虑基体与涂层之间的结合力，以保证电池性能及结构的稳定性。

因此，对于本发明提供的一种锂离子电池的制备方法，其通过把传统锂离子电池五种组成部件（正极集流体、正极活性物质、高分子隔膜、负极集流体、负极活性物质）变成液体，然后在干燥和无氧条件下通过喷涂方式把这些液体涂在作为目标基体的电子产品上，形成电池。其结构呈层状结构，每一层都是一种优化的混合物。本发明可以把任何物体表面变成储能电池，相比传统锂离子电池更灵活，可实现各种新的设计，以及可能的集成。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种喷漆式锂离子电池及其制备方法，其可以通过将锂离子电池的主要成分喷涂到需要使用锂离子电池的各种电子产品表面，在电子产品表面完成锂离子电池的制备。因此可以显著节约锂离子电池占用的空间，可以方便、灵活地在各种电子产品中应用，有利于开拓锂离子电池市场的应用前景，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种喷漆式锂离子电池，其特征在于，包括正电流集流层（1）、正极活性物质层（2）、高分子聚合物隔离层（3）、负极活性物质层（4）和负电流集流层（5）；

所述负电流集流层（5）喷涂在需要用电的电子产品（6）表面，所述正电流集流层（1）、正极活性物质层（2）、高分子聚合物隔离层（3）和负极活性物质层（4）从上到下依次喷涂在所述负电流集流层（5）的上方。

2.如权利要求1所述的喷漆式锂离子电池，其特征在于，所述正电流集流层（1）为将单壁碳纳米管与炭黑粒子散布在N-甲基吡咯烷酮NMP溶剂中再进行喷涂后所形成的涂层；

所述正极活性物质层（2）为采用正极活性物质喷涂形成的涂层；

所述高分子聚合物隔离层（3）为将聚甲基丙烯酸甲酯或者二氧化硅分散到聚偏二氟乙烯树脂后喷涂形成的涂层；

所述负极活性物质层（4）为采用负极活性物质喷涂形成的涂层；

所述负电流集流层（5）可以为将导电铜漆用乙醇稀释后喷涂形成的涂层。

3.如权利要求2所述的喷漆式锂离子电池，其特征在于，所述负极活性物质为人造石墨；所述正极活性物质为钴酸锂。

4.一种喷漆式锂离子电池的制备方法，其特征在于，用于将锂离子电池喷涂制备在需要用电的电子产品（6）表面，包括步骤：

第一步：分别制作形成锂离子电池的电流集流层（1）、正极活性物质层（2）、高分子聚合物隔离层（3）、负极活性物质层（4）和负电流集流层（5）所需要喷涂的浆料；

第二步：分别检测所制作浆料的黏度是否达到预设黏度标准；

第三步：当所有浆料的黏度达到预设黏度标准时，依次将负电流集流层（5）、负极活性物质层（4）、高分子聚合物隔离层（3）、正极活性物质层（2）和正电流集流层（1）的浆料喷涂在所述电子产品（6）表面，形成锂离子电池的电流集流层（1）、正极活性物质层（2）、高分子聚合物隔离层（3）、负极活性物质层（4）和负电流集流层（5）；

第四步：将电解液均匀涂洒在所述电流集流层（1）、正极活性物质层（2）、高分子聚合物隔离层（3）、负极活性物质层（4）和负电流集流层（5）表面，并且在预设温度下静置预设时间，使得电解液充分浸润所述电流集流层（1）、正极活性物质层（2）、高分子聚合物隔离层（3）、负极活性物质层（4）和负电流集流层（5），从而在所述电子产品（6）表面制备获得锂离子电池。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤：

第五步：将充放电测试仪与锂离子电池相连接，实时测试锂离子电池的充放电性能。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备正极活性物质层的浆料的具体步骤为：采用钴酸锂作为正极活性材料，聚偏氟乙烯PVDF为粘结剂，炭黑为导电剂，将混磨后的钴酸锂和炭黑均匀分散在粘结剂溶液中。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备正电流集流层的浆料的具体步骤为：混合纯化的单壁碳纳米管与炭黑粒子，散布在N-甲基吡咯烷酮溶液中，制备形成浆料。

8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备负极活性物质层浆料的具体步骤为：采用人造石墨作为负极活性材料，聚偏氟乙烯为粘结剂，碳纤维VGCF为导电剂，将混磨好的人造石墨和碳纤维分散在粘结剂溶液中。

9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备负电流集流层浆料的具体步骤为：采用导电铜漆，用乙醇稀释后，形成浆料。

10.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备高分子聚合物隔离层浆料的具体步骤为：将聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅分散到聚偏二氟乙烯树脂，形成高分子聚合物隔离层浆料。

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