CN104377361B - 一种薄膜电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜电池，包括依次层叠的正极片、隔膜和负极片。正极极耳从正极片的一端引出；负极极耳从负极片的一端引出。正极极耳和负极极耳设置于电池的同一侧端。该薄膜电池还包括设置于正极片侧的第一外包装膜和设置于负极片侧的第二外包装膜。第一和第二外包装膜周边密封以将正极片、隔膜、负极片和电池电解液封装。正极片包括集流体层以及涂布在集流体层上的正极材料层。第一外包装膜靠近正极极耳的一侧向外延伸出一延伸片，该延伸片朝向正极极耳的一面上涂有密封胶。正极极耳和负极极耳固定粘贴于第一外包装膜的延伸片上，电池的厚度为0.1~5.5mm。本发明的薄膜电池具有厚度薄、导电性能好、密封性好且极耳不易断裂等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜电池及其制备方法。
背景技术
目前电子产品通常往薄型化方向发展，例如，有源射频识别（RFID）标签、智能卡等，相应地要求电子元配件也往轻薄型发展。应用于这些电子产品的电池必须具备厚度薄、质量轻、能量密度高、自放电率低、安全性能高、对环境无污染以及密封性好等特点。目前的聚合物锂电池能够制作成各种形状，且其厚度也能制作成较小的厚度。现有的轻薄型的锂电池通常是直接将铝带焊接在电池正极板的集流体铝箔上形成正极耳，直接将镍带焊接在电池负极板的集流体上形成负极耳。然而极耳上设有一定厚度的密封胶，因此电池厚度受到铝带、镍带、密封胶等的限制，使得电池很难做到超薄型。另外，现有轻薄型锂电池还采用将金属集流体一侧的凸出部作为极耳，但铝箔折曲性能不好，导致在电池封口过程中极耳容易断裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更薄的薄膜电池，该薄膜电池具有厚度薄、密封性好、导电性能强以及能够防止极耳在加工过程中断裂等特点，并且该薄膜电池的制备方法简单。
一种薄膜电池，包括依次层叠的正极片、隔膜和负极片。正极极耳从正极片的一端引出；负极极耳从负极片的一端引出。正极极耳和负极极耳位于电池的同一侧端。本发明的薄膜电池还包括设置于正极片侧的第一外包装膜和设置于负极片侧的第二外包装膜。第一和第二外包装膜周边密封以将正极片、隔膜、负极片和电池电解液封装。正极片包括集流体层以及涂布在集流体层上的正极材料层。第一外包装膜靠近正极极耳的一侧向外延伸出一延伸片，该延伸片朝向正极极耳的一面上涂有密封胶。正极极耳和负极极耳固定粘贴于第一外包装膜的延伸片上。电池的厚度为0.1~5.5mm。
正极极耳和负极极耳均粘贴于第一外包装膜上，因此第一外包装膜支撑着正极极耳和负极极耳，从而能够防止极耳在加工过程中断裂。
进一步地，正极极耳和负极极耳的封口处厚度小于或等于0.4.mm。第一外包装膜在密封胶处将电池的电池顶封，从而正极极耳和负极极耳上均不需要涂极耳胶，从而不仅减小了电池的厚度，并且具有良好的防液漏效果，提高了电池的密封性。
进一步地，正极片的集流体层涂覆在第一外包装膜上。
更进一步地，集流体层为厚度为0.01μm ~100μm的石墨烯层。在本发明中直接采用石墨烯作为正极片的集流体，不需要使用铝箔等金属作为正极集流体，从而不仅减小了电池的厚度，而且减轻了电池的重量。
进一步地，正极材料层包括正极活性物质和粘结剂。正极片的各成分的质量比为：集流体的质量比为1%~95%、正极活性物质的质量比为50~99%和粘结剂的质量比为0%~20%。其中，粘结剂为PVDF或PTFE。石墨烯的导电性能强，其还作为正极的导电剂，因此正极片中不需要添加导电剂，从而不仅进一步地减小了电池的厚度及减轻了电池的重量，还增强了电池的导电性能。
进一步地，第一外包装膜上的密封胶的厚度小于或等于0.05mm。
作为本发明的一种优选的实施方式，薄膜电池为锂一次电池，其正极活性物质包括二氧化锰、二硫化亚铁、氟化碳、硫磺、二硫化钼中的一种或几种；负极片为金属锂片或含有金属锂的锂合金片。
作为本发明的另一种优选的实施方式，薄膜电池为锂二次电池时，正极活性物质包括磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂中的其中一种或几种；负极片包括涂布在第二外包装膜上的集流体层和涂覆在该集流体层上的负极材料层，集流体层为石墨烯层，负极材料层为石墨层。
更进一步地，薄膜电池的正极极耳为镍带、铜带、钢带或铝带的其中一种或是多种的组合。在正极极耳远离第一外包装膜的一面或表面上涂有正极材料层。薄膜电池的负极极耳是镍带、铜带、钢带或铝带的其中一种或是多种的组合
再进一步地，薄膜电池的第一外包装膜和第二外包装膜为铝塑膜，该铝塑膜含有热熔性涂层，用于封装薄膜电池。
本发明还包括一种薄膜电池，包括依次层叠的正极片、隔膜和负极片。正极极耳从正极片的一端引出，负极极耳从负极片的一端引出。正极极耳和负极极耳设置于电池的同一侧端。该薄膜电池还包括设置于正极片侧的第一外包装膜和设置于负极片侧的第二外包装膜。第一和第二外包装膜周边密封以将正极片、隔膜、负极片和电池电解液封装。正极片包括涂覆于第一外包装膜上的集流体层以及涂布在集流层上的正极材料层。正极材料层包括正极活性物质和粘结剂。正极片包括质量比为1%~50%的集流体层、质量比为50~99%的正极活性物质和质量比为0%~20%的粘结剂。电池的厚度为0.1~5.5mm。
优选地，集流体层为涂布在第一外包装膜上的石墨烯层。石墨烯层的厚度为0.01μm ~100μm。粘结剂为PVDF或PTFE。
本发明还包括一种制备上述薄膜电池的方法，包括以下步骤：
1）制备正极片，包括以下步骤：
A1：将石墨烯溶液按预定的位置涂布在外包装膜上，并进行烘干、碾压，使其固化形成覆盖在第一外包装膜的预定位置上的石墨烯层；
A2：将正极极耳的一端放置于石墨烯层的一端，使正极极耳从正极片的一端伸出；
A3：将粘接剂和溶剂搅拌制成胶水后加入正极活性材料进行搅拌，制成正极浆料；将正极浆料以预定面密度涂覆于石墨烯层的表面以及正极极耳和石墨烯层连接处的表面，形成正极材料层；石墨烯层和正极材料层形成为正极片；然后将正极片烘干后备用。
2）制备负极片，锂一次电池的负极片的制备方法包括以下步骤：
B1：将金属锂片或锂合金片按预定的形状裁切成长条形的负极片；
B2：将负极极耳与负极片的一端进行固定连接，使负极极耳从负极片的一端伸出；
锂二次电池的负极片的制备方法包括以下步骤：
C1：在第二外包装膜上的预定位置涂布石墨烯溶液，并烘干、碾压，使其固化形成为石墨烯层作为负极片的集流体层；
C2：将负极极耳的一端旋转于石墨烯层的一端，使负极极耳从所述负极片的一端伸出；
C3：在石墨烯层的表面以及负极极耳与石墨烯层的连接片涂覆石墨层，形成为负极片的负极材料层，然后将负极片烘干后备用。
3）将固定有正极片的第一外包装膜、隔膜、负极片和第二外包装膜依次层叠，使正极极耳与负极极耳位于电池的同一侧，对第一和第二外包装膜的周边进行热熔封闭，仅剩除极耳一侧的其他侧面的一个开口，然后经该开口注入电解液后进行真空封装制成所述薄膜电池。
进一步地，制作正极片的步骤还包括：在第一外包装膜靠近正极极耳的一侧末端位置涂上密封胶。
本发明的薄膜电池的制备方法，直接将石墨烯涂布在外包装膜上制成正极片的集流体层，方法简单，能够提高生产效率；将正极材料涂布在正极极耳与正极片的连接处，可以固定正极极耳，从而省略极耳胶。
本发明的薄膜电池及其制备方法的有益效果在于：
1、直接采用石墨烯作为正极片的集流体，并且省略了正极材料中的导电剂，因此不仅增强了电池的导电性能，而且减小了电池的厚度及减少了电池的重量。
2、薄膜电池的外包装膜延伸出一延伸片，从而能够支撑正极极耳和负极极耳，使得极耳在电池的加工过程中不容易断裂。
3、在外包装膜的密封胶处将极耳一起封装，能够更加有效地防止液漏，提高了薄膜电池的密封性。
4、制备正极片的集流体层时直接将石墨烯涂布于外包装膜上，该方法简单方法，能够提高电池的生产效率。
附图说明
图1为一实施例的薄膜电池的电芯的立体图。
图2为一实施例的封装好的薄膜电池的示意图。
图3为一实施例中薄膜电池的剖视图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图对本发明薄膜电池及其制备方法作进一步详细描述。
如图1至图3所示，一较佳实施例中，本发明的薄膜电池仅包括一个电芯。该电芯包括正极片13、隔膜14和负极片15。其中，正极片13、隔膜14和负极片15均呈长方形片状，三者依次层叠后用第一外包装膜11和第二外包装膜12从外侧封装并仅留一小开口，然后通过该开口注入电解液后进行真空封装。第一外包装膜11设置于电芯的正极片13侧，第二外包装膜12设置于电芯的负极片15侧。优选地，第一外包装膜和第二外包装膜为铝塑膜，并且铝塑膜含有热熔性涂层。第一外包装膜11和第二外包装膜12的面积均略大于正极片13和负极片15的面积，因此在对电池电芯进行封装时，第一外包装膜和第二外包装膜将电芯完全包覆，第一外包装膜和第二外包装膜的热熔性涂层遇热熔化后，两者的四周相互粘接，从而能够将电芯真空封装，能够有效地防止液漏。
本发明的薄膜电池可以是锂一次电池或锂二次电池。无论薄膜电池是锂一次电池还是锂二次电池，薄膜电池的正极片13均包括集流体层131以及以一预定面密度涂布在集流体层131上的正极材料层132。其中正极片13的集流体层131通过在第一外包装膜11上的预定位置涂布石墨烯层131并进行烘干和碾压后形成。石墨烯层131的厚度范围在0.01μm ~100μm。正极材料层132包括正极活性物质和粘结剂。粘结剂优选为PVDF(vinylidenefluoride，聚偏氟乙烯)或PTFE（Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯）。薄膜电池为锂一次电池时，正极活性物质优选为二氧化锰。薄膜电池为锂二次电池时，正极活性物质包括磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂中的其中一种或几种。正极片中各成分的质量比为：集流体层占正极片的质量比为1%~95%，正极活性物质占正极片的质量比为50~99%，粘结剂占正极片的质量比为0%~20%。
由于石墨烯的导电性能强，因此正极材料层132不需要添加导电剂，石墨烯层131既作为集流体也作为导电剂，不仅在很大程度上减轻了电芯的重量，而且可以提高正极活性物质的含量，从而提高电池的体积比能量。由于正极片13的集流体131仅通过在第一外包装膜11上涂布石墨烯形成，不需要通过金属铝箔等来制成集流体，石墨烯层的厚度在0.01μm ~100μm范围内，因此可以很大程度上减小正极片的厚度，即能够减小电池的厚度。
当薄膜电池为锂一次电池时，薄膜电池的负极片15是金属锂片或含有金属锂的锂合金片。当薄膜电池为锂二次电池时，薄膜电池的负极片15是通过在第二外包装膜12的预定位置上涂布石墨烯层形成为负极片的集流体层，然后在该集流体层上涂覆石墨层形成为负极片的负极材料层制成的。薄膜电池的负极片大致形成为呈长方形的薄片状。
正极极耳10为镍带、铜带、钢带或铝带的其中一种或是多种的组合，其从正极片13的一端引出，在正极极耳10与正极片的连接片的表面也涂布有正极材料层，从而可以固定正极极耳，也可以使正极极耳不容易断裂。负极极耳20为镍带、铜带、钢带或铝带中的其中一种或是几种的组合，其一端与负极片15固定连接，并从负极片15的一侧端引出。正极极耳10和负极极耳20位于电芯的同一侧端。第一外包装膜11靠近正极极耳10的一侧延伸出一延伸片111，也即第一外包装膜11比第二外包装膜12在极耳10，20伸出方向的长度长。在该延伸片111朝向正极极耳的一面上涂有密封胶。密封胶的厚度小于或等于0.05mm。正极极耳10和负极极耳20均被密封胶粘贴在第一外包装膜11的延伸片111上，且正极极耳10和负极极耳20均未伸出延伸片111，但二者均延伸出第二外包装膜12的边缘之外，即第一外包装膜11的延伸片111支撑着正极极耳10和负极极耳20，从而能够防止正极极耳或负极极耳在电池的加工过程中断裂。
由于在第一外包装膜11的延伸片111涂有密封胶，因此正极极耳和负极极耳均不需要设置极耳胶，从而能够减小电池的厚度；因此在对电池进行顶封时，不仅通过第一外包装膜和第二外包装膜在极耳一侧进行热熔封装，并且通过第一外包装膜上的密封胶对极耳一侧进行封装，从而能够更有效地防止电解液漏出。
当对电池的电芯进行封装时，将第一外包装膜11和第二外包装膜12的周边进行加热，第一外包装膜11和第二外包装膜12的热熔性涂层遇热熔化后将两者粘结融合起来，将正极片13、负极片15和隔膜14封装在里面。由于第一外包装膜11和第二外包装膜12均略大于所述正极片13和负极片15，因此第一外包装膜11和第二外包装膜12的四周边沿互相粘接，第一外包装膜11和第二外包装膜12将电芯的极耳10，20一侧进行顶封，并且将另外三侧的其中两侧密封，留下一侧作为开口，用于注入电解液。密封胶与电芯所形成的封口处厚度小于或等于0.4mm。电池的整体厚度可在0.1~5.5mm。
本发明还包括一种薄膜电池的制备方法，该制备方法用于制备上文所述的薄膜电池，主要包括以下制备正极片13、制备负极片15以及封装电池等几个步骤。具体如下。
1）制备正极片13，包括以下步骤：
A1：将预先制成的石墨烯溶液按预定的形状大小以及预定的位置，如图1中第一外包装膜11中的虚线方框所示，直接涂在第一外包装膜11上，并将石墨烯层131烘干后进行碾压，使其固化形成为覆盖在第一外包装膜11的预定位置上的石墨烯层131，即正极片的集流体层131；
A2：将正极极耳的一端放置于石墨烯层的一端，使正极极耳从正极片的一端伸出；
A3：将调配好的粘接剂和溶剂放入搅拌机，以预定要求进行公转和自转制成胶水，然后加入正极活性物质进行搅拌，制成正极浆料；将正极浆料以预定的面密度涂覆于石墨烯层的表面以及正极极耳与石墨烯层的连接处的表面，形成正极材料层132；石墨烯层131和正极材料层132形成为正极片13；将正极片烘干备用。其中如果是制备锂一次电池，正极活性材料为二氧化锰；如果是制备锂二次电池，正极活性物质包括磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂中的其中一种或几种；
A4：在第一外包装膜11靠近正极极耳10的一侧的末端位置涂上密封胶，正极极耳10正好粘贴于第一外包装膜111的密封胶上，并且正极极耳10的延伸长度不超出第一外包装膜11的范围。其中，密封胶也可以在A1-A3步骤中涂覆。
2）制备负极片15，其中锂一次电池的负极片15的制备方法包括以下步骤：
B1：将金属锂片或锂合金片按预定的形状大小裁切成长条形的负极片15；
B2：将负极极耳20与负极片15的一端进行固定连接，使负极极耳20从负极片15的一端伸出，负极极耳20也粘贴在第一外包装膜11的密封胶处，并且负极极耳20的延伸长度也不超出第一外包装膜11的范围；
锂二次电池的负极片15的制备方法包括以下步骤：
C1：在第二外包装膜12上按预定的形状大小及预定位置，如图1中第二外包装膜12中的虚线方框所示，涂布石墨烯溶液，并烘干后进行碾压，使其固化形成为石墨烯层作为负极片15的集流体层；
C2：将负极极耳20的一端放置于石墨烯层的一端，使负极极耳20从负极片15的一端伸出，负极极耳20也粘贴在第一外包装膜11的密封胶处，并且负极极耳20的延伸长度也不超出第一外包装膜11的范围；
C3：在石墨烯层以及负极极耳与石墨烯层的连接片涂覆石墨层，形成为负极片的负极材料层，然后将负极片烘干后备用。
3）将固定有正极片13的第一外包装膜11、隔膜14、负极片15和第二外包装膜12依次层叠，使正极极耳10和负极极耳20位于电池的同一侧，对第一外包装膜11和第二外包装膜12的周边进行热熔封装，使第一和第二外包装膜的其中三侧的周边相互粘接，其中密封的三侧包括正极极耳和负极极耳一侧的顶封，顶封还通过密封胶进行封装，仅剩其中一侧作为开口，然后经该开口注入电解液后将该开口侧进行热熔封装，制成薄膜电池。
上述薄膜电池的制备方法中所述的第一外包装膜11和第二外包装膜12均优选为铝塑膜，该铝塑膜含有热熔性涂层。当用第一外包装膜和第二包包装膜对电芯进行封装时，第一外包装膜和第二外包装膜的热熔性涂层遇热后熔化，同时通过机器以预设强度分别从第一外包装膜和第二外包装膜的两侧对电芯碾压，使第一外包装膜和第二外包装膜的四周边沿相互粘接，形成对电芯的真空封装。
本发明的薄膜电池的制备方法通过直接在外包装膜上涂布石墨烯层制成正极片的集流体，该制备方法非常简单方便，不仅能够提高电池的导电性能，而且能够提高电池的生产效率。
综上所述，本发明的薄膜电池具有厚度薄、导电性能好、密封性好以及极耳在加工过种中不容易断裂等特点，不仅适用于锂第一次电池，也适用于锂第二次电池。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。
Claims (10)
1.一种薄膜电池，包括依次层叠的正极片、隔膜和负极片；正极极耳从所述正极片的一端引出；负极极耳从所述负极片的一端引出；所述正极极耳和所述负极极耳设置于同一侧端；其特征在于，还包括设置于正极片侧的第一外包装膜和设置于负极片侧的第二外包装膜，第一和第二外包装膜周边密封以将正极片、隔膜、负极片和电池电解液封装；所述正极片包括集流体层以及涂布在集流体层上的正极材料层；所述第一外包装膜靠近所述正极极耳的一侧向外延伸出一延伸片，该延伸片朝向所述正极极耳的一面上涂有密封胶，所述正极极耳和负极极耳固定粘贴于所述第一外包装膜上的延伸片上，所述电池的厚度为0.1~5.5mm；所述正极片的集流体层涂覆在所述第一外包装膜上；所述集流体层为石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的薄膜电池，所述正极极耳和负极极耳的封口处厚度小于或等于0.4mm。
3.根据权利要求1所述的薄膜电池，所述集流体层为厚度为0.01μm ~100μm的石墨烯层。
4.根据权利要求3所述的薄膜电池，所述正极材料层包括正极活性物质和粘结剂；所述粘结剂为PVDF或PTFE；所述正极片的各成分的质量比为：集流体的质量比为1%~50%、正极活性物质的质量比为50~99%和粘结剂的质量比为0%~20%。
5.根据权利要求2所述的薄膜电池，其特征在于，所述密封胶的厚度小于或等于0.05mm。
6.根据权利要求5所述的薄膜电池，其特征在于，所述薄膜电池为锂一次电池时，所述正极活性物质包括二氧化锰、二硫化亚铁、氟化碳、硫磺、二硫化钼中的一种或几种，所述负极片为金属锂片或含有金属锂的锂合金片；所述薄膜电池为锂二次电池时，所述正极活性物质包括磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂中的一种或几种，所述负极片包括涂布在所述第二外包装膜上的集流体层和涂覆在该集流体层上的负极材料层，该集流体层为石墨烯层，负极材料层为石墨层。
7.根据权利要求5所述的薄膜电池，其特征在于，所述正极极耳为镍带、铜带、钢带或铝带的其中一种或是多种的组合；所述正极极耳远离第一外包装膜的表面涂有正极材料层；所述薄膜电池的负极极耳是镍带、铜带、钢带或铝带中的其中一种或是几种的组合。
8.根据权利要求6所述的薄膜电池，其特征在于，所述薄膜电池的第一外包装膜和第二外包装膜为铝塑膜，该铝塑膜含有热熔性涂层，用于封装所述薄膜电池。
9.一种薄膜电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）制备正极片，包括以下步骤：
A1：将石墨烯溶液按预定的位置涂布在第一外包装膜上，并进行烘干、碾压，使其固化形成覆盖在第一外包装膜的预定位置上的石墨烯层；
A2：将正极极耳的一端放置于石墨烯层的一端，使正极极耳从所述正极片的一端伸出；
A3：将粘接剂和溶剂搅拌制成胶水后加入正极活性物质进行搅拌，制成正极浆料；将正极浆料以预定面密度涂覆于所述石墨烯层上以及所述正极极耳与石墨烯层连接处的表面，形成正极材料层；所述石墨烯层和正极材料层形成为正极片；然后将正极片烘干后备用；
2）制备负极片，其中，锂一次电池的负极片的制备方法包括以下步骤：
B1：将金属锂片或锂合金片按预定形状裁切成长条形的负极片；
B2：将负极极耳与负极片的一端进行固定连接，使负极极耳从所述负极片的一端伸出；
锂二次电池的负极片的制备方法包括以下步骤：
C1：在第二外包装膜上的预定位置涂布石墨烯溶液，并烘干、碾压，使其固化形成石墨烯层作为负极片的集流体层；
C2：将负极极耳的一端放置于石墨烯层的一端，使负极极耳从所述负极片的一端伸出；
C3：在石墨烯层以及负极极耳与石墨烯层的连接处涂覆石墨层，形成为负极片的负极材料层，然后将负极片烘干备用；
3）将固定有正极片的第一外包装膜、隔膜、负极片和第二外包装膜依次层叠，使正极极耳和负极极耳位于电池的同一侧，对第一和第二外包装膜的周边进行热熔封装，仅剩除极耳一侧的其他侧面的其中一个开口，然后经该开口注入电解液后进行真空封装制成所述薄膜电池。
10.根据权利要求9所述的薄膜电池的制备方法，其特征在于，制作正极片的步骤还包括：在第一外包装膜靠近正极极耳的一侧末端位置涂上密封胶。
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