CN104200999B - 一种锂离子储能器件 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子储能器件，包括壳体、置于壳体内部的电芯和含浸于电芯内的电解液，所述的电芯是由正极电极片、负极电极片和置于正极与负极之间的隔膜通过卷绕或叠片的方式得到的，所述的正极电极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极涂布层，所述的负极电极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极涂布层，所述的正极电极片含有贯穿正极电极片的穿孔的孔痕，所述的负极电极片含有贯穿负极电极片的穿孔的孔痕。

Description

一种锂离子储能器件
技术领域
本发明涉及一种电化学储能器件，尤其涉及一种锂离子储能器件。
背景技术
锂离子储能器件的负极通常首周库伦效率低于100％，甚至对于某些负极活性材料首周库伦效率仅50～70％，从而降低了器件的可逆容量。对负极预嵌锂可以克服这一缺点。专利CN 103413692 A公开了一种锂离子电容器的制造方法，即采用含有30～50％开孔率的铝箔和铜箔分别为正极电极片和负极电极片的集流体，在多孔集流体上涂布电极涂层，制成电极片。这里，孔作为锂离子穿梭的通道。采用这样的电极片可以实现对负极电极片的预嵌锂。然而，这种方法存在以下不足：(1)多孔集流体要采用光刻和腐蚀的办法制造，工艺复杂、制造成本高；(2)由于孔的存在降低了多孔集流体的强度，给涂布工艺带来不便；(3)电极涂层会阻塞孔隙，降低锂离子的扩散速率。
发明内容
本发明的目的是提供一种更为方便、工艺成本更低的锂离子储能器件。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种锂离子储能器件，包括壳体、置于壳体内部的电芯和含浸于电芯内的电解液，所述的电芯是由正极电极片、负极电极片和置于正极与负极之间的隔膜通过卷绕或叠片的方式形成的，所述的正极电极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极涂布层，所述的负极电极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极涂布层，所述的正极电极片含有贯穿正极电极片的通孔的孔痕，所述的负极电极片含有贯穿负极电极片的通孔的孔痕。
所述的正极电极片和负极电极片所含有的通孔的孔痕是由针刺的穿孔经辊压后形成的。
所述的正极电极片和负极电极片的通孔的孔痕的数目为0.1～10个每平方毫米。
所述的正极电极片和负极电极片的通孔为圆形，穿孔的直径为0.05～0.5毫米。
所述的正极电极片和负极电极片的通孔为多边形，多边形的通孔外接圆的直径为0.05～0.5毫米。
本发明所公开的锂离子储能器件包括锂离子混合型电容器和锂离子电池。这里，锂离子混合型电容器是兼有电容性能和锂离子电池性能的电化学储能器件。本发明用圆锥形的针在电极片上穿刺可以得到圆形的孔；用三棱锥型的针在电极片上穿刺可以得到三角形的孔；用四棱锥型的针在电极片上穿刺可以得到四边形的孔。同样，用齿形的针穿刺可以得到花瓣形状的孔。对于针刺所形成的通孔，通孔的边缘部分不会从集流体上脱落而仅发生翘曲，经过辊压后，通孔边缘翘起的部分被压平整，极片涂层部分不会损失，在电极片上保留下的孔痕作为锂离子储能器件中的锂离子扩散的通道。
附图说明
图1所示为锂离子混合型电容器的预嵌锂曲线；
图2所示为锂离子混合型锂离子电容器的充放电曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种锂离子储能器件，包括壳体、置于壳体内部的电芯和含浸于电芯内的电解液，电芯由正极电极片、负极电极片和置于正极与负极之间的隔膜通过卷绕或叠片的方式形成。正极电极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极涂布层，负极电极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极涂布层，正极电极片含有贯穿正极电极片的通孔的孔痕，负极电极片含有贯穿负极电极片的通孔的孔痕。
电极片的制备一般采用涂布的方法，正极电极片是将含有正极活性物质、导电剂和粘结剂的浆料涂布到正极集流体上，负极电极片是将含有负极活性物质、导电剂和粘结剂的浆料涂布到负极集流体上。通常正极集流体为铝箔或有导电涂层的铝箔，负极集流体为铜箔。本发明采用针刺穿孔在正极电极片和负极电极片上穿孔，然后对穿孔辊压，使通孔的边缘平整。通孔的孔痕是由穿刺的穿孔经辊压后留下的痕迹。通孔贯穿正极电极片和负极电极片。通孔可以是圆形或多边形。多边形的通孔的外接圆的直径为0.05～0.5毫米。本发明的正极电极片和负极电极片含有通孔孔痕的数目为每平方毫米0.1～10个。
电芯是由负极电极片、正极电极片和隔在两者之间的隔膜叠片或卷绕形成的。将电芯放入壳体后注液，采用金属锂电极作为辅助电极对负极预嵌锂，封口后得到锂离子储能器件。也可以将电芯和金属锂电极垂直放入盛有电解液的密闭容器内浸渍，并以金属锂电极为辅助电极，在负极电极片的表面预嵌锂；然后将处理过的电芯从密闭容器中取出，装入壳体中封口得到锂离子储能器件。
实施例1
正极电极片的活性材料为活性炭，正极集流体为电容用腐蚀铝箔；负极电极片的活性材料为硬碳，负极集流体为铜箔。采用圆锥形的针穿刺正极电极片和负极电极片，得到含有直径为0.5毫米、数目为0.1个/每平方毫米的圆孔的电极片，经辊压后得到含有孔痕的电极片。隔膜采用celgard2400。将用叠片方式制成的电芯，以及金属锂电极放入盛有电解液的密闭容器中浸渍，电解液为1mol/L LiPF6的溶液，溶剂为体积比为1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的混合溶剂。以电芯的负极为工作电极、金属锂电极为对电极，用武汉兰电公司CT2001A的电池测试仪以恒电流在负极电极片表面预嵌锂。取出电芯封口得到锂离子混合型电容器。预嵌锂过程如图1所示，横坐标为预嵌锂的比容量，纵坐标为负极相对于金属锂电极的电压。以0.05C电流预嵌锂，截止电压为0.05V，此时预嵌锂的量为负极储锂容量的80％。图2所示为锂离子混合型锂离子电容器的充放电曲线，曲线1为正极相对于金属锂电极的电压，曲线2为正极与负极之间的电压，曲线3为负极与金属锂电极之间的电压。
实施例2
正极电极片的活性材料为质量比为1:3的活性炭和镍钴锰酸锂，正极集流体为涂布有导电层的铝箔；负极电极片的活性材料为多孔石墨，负极集流体为铜箔；隔膜为celgard2400。采用四棱锥的针穿刺正极电极片和负极电极片，得到含有直径为0.1毫米、数目为4个/每平方毫米的圆四边形孔的电极片，经辊压后得到含有孔痕的电极片。将正极电极片、隔膜和负极电极片卷绕后热压制成方形电芯。将电芯放入铝塑复合膜壳体中，热封铝塑复合膜壳体的顶边和第一侧边。再在铝塑复合膜壳体中放入金属锂电极，金属锂电极与电芯之间有隔膜隔开，在手套箱中注入过量电解液，电解液的组成与实施例1相同。然后热封铝塑复合膜壳体的第二侧边。以负极为工作电极，以金属锂电极为对电极，用CT2001A电池测试仪以恒电流放电的方式对负极进行预嵌锂操作。预嵌锂的电流密度为0.1C，所述的电流密度基于负极活性材料的质量。预嵌锂后负极的荷电状态为60％。最后，剪开铝塑复合膜壳体，取出金属锂电极，倒出多余的电解液，然后真空封口，得到锂离子混合型电容器。
实施例3
正极极片的活性材料为质量比为1:3的锰酸锂和镍钴锰酸锂，正极集流体为铝箔；负极极片的活性材料为包覆碳的纳米硅，负极集流体为铜箔；隔膜为celgard2400。采用齿形的针穿刺正极电极片和负极电极片，得到含有孔外接圆直径为0.2毫米、数目为2个/每平方毫米的花瓣形孔的电极片，经辊压后得到含有孔痕的电极片。将正极电极片、隔膜和负极电极片卷绕制成电芯。将电芯和金属锂电极放入盛有电解液的密闭容器中浸渍，电解液的组成与实施例1相同。将电芯的负极和金属锂电极短接在负极极片表面预嵌锂，使预嵌锂的量为负极储锂容量的30％。最后取出电芯封口得到锂离子电池。
实施例4
正极极片的活性材料为多孔石墨烯，正极集流体为铝箔；负极极片的活性材料为多孔石墨，负极集流体为铜箔；隔膜为聚偏氟乙烯。采用圆锥形的针穿刺正极电极片和负极电极片，得到含有孔径为0.05毫米、数目为10个/每平方毫米的圆孔的电极片，经辊压后得到含有孔痕的电极片。将正极电极片、隔膜和负极电极片卷绕制成电芯。将电芯和金属锂电极放入盛有电解液的密闭容器中浸渍，电解液为1mol/L LiPF6的溶液，溶剂为体积比为1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合溶剂。将电芯的负极和金属锂电极短接在负极极片表面预嵌锂，使预嵌锂的量为负极储锂容量的60％。最后取出电芯封口得到锂离子混合型电容器。

Claims (4)

1.一种锂离子储能器件，包括壳体、置于壳体内部的电芯和含浸于电芯内的电解液，所述的电芯由正极电极片、负极电极片和置于正极与负极之间的隔膜通过卷绕或叠片的方式形成；所述的正极电极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极涂布层，所述的负极电极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极涂布层，其特征在于：
所述的正极电极片含有贯穿正极电极片的通孔的孔痕，所述的负极电极片含有贯穿负极电极片的通孔的孔痕；所述的正极电极片和负极电极片的通孔的孔痕由圆锥形或三棱锥或四棱锥或齿形的针穿刺正极电极片和负极电极片再经辊压后形成。
2.根据权利要求1所述的锂离子储能器件，其特征在于：所述的正极电极片和负极电极片的通孔的孔痕的数目为0.1～10个每平方毫米。
3.根据权利要求1所述的锂离子储能器件，其特征在于：所述的正极电极片和负极电极片的通孔为圆形，通孔的直径为0.05～0.5毫米。
4.根据权利要求1所述的锂离子储能器件，其特征在于：所述的正极电极片和负极电极片的通孔为多边形，通孔外接圆的直径为0.05～0.5毫米。
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