CN104600365A - 超薄型锂锰电池的一体化结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超薄型锂锰电池的一体化结构，包括正极结构、负极结构、隔膜结构。正极结构采用二氧化锰、导电剂和粘结剂涂布在铝网上；负极结构采用超薄锂带复合冲孔铜薄；隔膜结构采用隔膜两侧涂敷电化学稳定的胶粘剂；正负极极片及隔膜粘贴在一起，形成一体化结构；镍质/铜镀镍正负极极耳和一体化结构封装。本发明充分利用有限的体积获得最大的能量，设计合理、制作简单，易实现自动化生产，适用制备厚度小于0.45mm的超薄型锂锰电池。采用此种结构制备的超薄型锂锰电池具有能量密度高，很好的柔性和稳定性，电池在弯曲变形时不会发生电极错位而导致微短路发生。

Description

超薄型锂锰电池的一体化结构
技术领域
本发明涉及一种超薄型锂锰电池。
背景技术
超薄电池应用于动态密码智能卡(OTP)等移动电子领域，例如下一代银行卡(OPT卡)，金融卡，电子储存卡片、军事密令传递卡、身份证件、电子存取信用卡、智能卡、以及电子芯片等。
动态密码智能卡(OTP)通常由芯片、电池、和显示屏组成。OTP卡的良好的信息处理能力和保密性能，使其成为智能卡发展的主要方向。OTP卡适用于保密性要求高的场合，如金融卡、军事密令传递卡、身份证件等。OTP卡的标准厚度仅为0.76mm，而制备超薄型电池(厚度小于0.45mm)成为OTP卡的关键技术之一。超薄型软包装锂锰电池(Li/MnO2)和锂离子电池是可供选择体系，但是自放电和比能量制约了锂离子电池体系，因而超薄型软包装锂锰电池是OTP卡应用的最佳选择。
超薄型锂锰电池的结构设计及制备需要解决以下动态密码智能卡应用的关键问题：1)如何实现锂电池超薄型设计(在满足厚度不大于0.45mm的前提条件下实现高比能量、低自放电率等性能)；2)如何保证电池在弯曲变形时不会发生电极错位而导致微短路发生；3)如何实现超薄型锂电池的自动化生产以降低成本等。
目前，超薄型锂锰电池的结构设计主要采用以下两种设计：
1)采用双层正极和一层负极结构，将正极粘贴在铝塑膜上；由于电芯没有形成一体化，在弯折中容易出现断(短)路现象，且这种结构设计的电池比能量密度较低，不易实现自动化生产；
2)采用一层正极和一层负极，然后将其粘贴在铝塑膜上，同样由于电芯没有形成一体化，在弯折中容易出现断(短)路现象，且这种结构设计的电池比能量密度较低，不易实现自动化生产。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种超薄型锂锰电池的一体化结构，充分利用有限的体积获得最大的能量，设计合理、制作简单，易实现自动化生产，适用制备厚度小于0.45mm的超薄型锂锰电池，采用此种结构制备的超薄型锂锰电池具有能量密度高，很好的柔性和稳定性，电池在弯曲变形时不会发生电极错位而导致微短路发生。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括正极结构、负极结构和隔膜结构。所述的正极结构将经200℃～600℃热处理2-20h后的电解二氧化锰MnO2与导电炭黑和取代聚乙烯类粘结剂按质量比70～95：2～10：3～20混合，然后加入去离子水或蒸馏水，液固质量比为25％-45％，涂布在集流体铝网上，厚度小于0.4mm；所述去离子水或蒸馏水中含醇类试剂，醇类试剂占总液体的质量比为0.01％～5％；所述的负极结构采用厚度小于0.05mm的超薄型锂带与铜箔或铜带复合，所述的铜箔或铜带上冲有若干通孔；隔膜结构在厚度大于15um的隔膜两侧涂敷电化学稳定的树脂型油性胶粘剂5-20um；所述的电化学稳定指在电压大于3.6V时仍不会发生反应；所述的正极结构和负极结构胶粘在隔膜两侧，形成一体化电芯，采用铝塑膜封装，镍质或铜镀镍正负极极耳分别连接正极结构和负极结构。
所述的正极极片为长方形极片，一侧冲切有缺口，镍质或铜镀镍极耳焊接在该侧的无缺口位置。
所述的负极极片为长方形极片，一侧冲切有缺口，缺口的边长比正极极片缺口的边长小0.5-3mm，镍质或铜镀镍极耳焊接在该侧的无缺口位置。
本发明的有益效果是：通过独特的正极结构、负极结构、隔膜结构、电芯一体化结构、电池结构设计成功地解决了动态密码智能卡应用的关键问题，按照本发明制备的电池性能优于其他结构设计，具有以下特点和性能：
(1)超薄设计：产品整体厚度不大于0.45mm，满足标准OTP卡的设计要求。
(2)一体化设计：采用独特的隔膜结构、正负极极片结构，形成一种类似于凝胶电池的新结构，正负极极片及隔膜形成一体化的电芯结构，确保了电池很好的柔性和稳定性，电池在弯曲变形时不会发生电极错位而导致微短路发生。
(3)低自放电率：产品自放电率低，年自放电率小于1.5％。
(4)易于焊接：正负极耳均采用镍质或铜镀镍材料，易于焊接。
(5)高比能量：电池容量相对其他方法制备的同型号产品高10％～20％，例如：本发明生产的CP042532的放电容量可达25mAh以上，其他方法生产的CP042532放电容量仅为20mAh。
(6)性价比高：一体化设计便于自动化生产并且产品成品率高。
附图说明
图1是冲切的正极极片示意图；
图2是焊接极耳的正极极片示意图；
图3是冲切的冲孔铜箔示意图；
图4是焊接极耳的冲孔铜箔示意图；
图5是负极极片(铜箔锂带复合)示意图；
图6是涂胶隔膜示意图；
图7是电芯一体化结构示意图；
图8是超薄型锂电池示意图；
图中，1-隔离纸，2-涂胶隔膜，3-胶粘剂，4-隔膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明是关于一种超薄型锂锰电池的一体化结构设计，包括由正极结构、负极结构、隔膜结构组成的电芯一体化结构及最后完成的电池结构设计。其中，正极结构采用将经高温(200℃～600℃)热处理2-20h后的电解二氧化锰(MnO2)，与导电炭黑(C)和取代聚乙烯类粘结剂按质量比例(MnO2:C:粘结剂(固含量)＝70～95：2～10：3～20)混合，然后加入去离子水(或蒸馏水)，去离子水(或蒸馏水)中含一定比例醇类试剂(分析纯)(其中，醇类试剂占总液体的质量比例控制在0.01％～5％)，液固比(质量比)控制在25％-45％，涂布在集流体铝网上，厚度小于0.4mm；负极结构采用超薄锂带复合冲孔铜箔或铜带的结构；隔膜结构采用隔膜(锂电池专用隔膜，厚度大于15um)两侧涂敷电化学稳定(在电压大于3.6V时仍不会发生反应)的树脂型油性胶粘剂(如油性丙烯酸酯胶，两侧的胶粘剂的厚度控制在5-20um)的结构；通过胶粘的形式将正负极极片分别粘贴在隔膜两侧(正极极片粘贴在隔膜的一侧，负极有金属锂带的一面粘贴在隔膜的另一侧)，形成一体化结构；电池结构采用镍质或铜镀镍正负极极耳、一体化结构的电芯、铝塑膜三面(封装电池的三个位置，顶封、侧封及底封位)封装结构。此种结构设计充分利用有限的体积获得最大的能量，设计合理、制作简单，易实现自动化生产，适用制备厚度小于0.45mm的超薄型锂锰电池。采用此种结构制备的超薄型锂锰电池具有能量密度高，很好的柔性和稳定性，电池在弯曲变形时不会发生电极错位而导致微短路发生。
正极极片结构采用上面介绍的涂布结构，制备方法参考发明专利(申请号：201310258416.9)。正极极片经烘烤后，进行多次辊压至极片厚度小于0.15mm，然后进行极片冲切，冲切成在右上方有缺口的长方形极片(如图1，也可为其他形状)。通过超声波焊接，将镍质或铜镀镍极耳焊接在正极极片左上方位置(焊接在铜箔或铜带的位置可依据所设计电池的极耳间距进行调节)，如图2所示。
负极极片结构是将超薄型锂带(厚度小于0.05mm)与冲孔铜箔复合。负极极片制备首先是对铜箔或铜带冲孔，然后冲切成左上方有缺口的长方形极片(如图3，也可为其他形状)，冲切尺寸是每条边小于正极极片0.5-3mm)，通过超声波焊接，将镍质或铜镀镍极耳焊接在冲孔铜箔或铜带的右上方位置(焊接在铜箔或铜带的位置可依据所设计电池的极耳间距进行调节)，如图4所示。最后在干燥的环境中(湿度小于2％)，将超薄锂带与冲孔铜箔复合，如图5所示。
隔膜结构是采用隔膜两侧涂敷电化学稳定的胶粘剂的结构。隔膜制备是配制一定浓度(5％-60％)的电化学稳定(在电压大于3.6V时仍不会发生反应)的树脂型油性胶粘剂，然后通过涂布设备将胶粘剂涂布于隔膜两侧，并烘干，结构如图6所示，涂胶隔膜两侧贴上隔离纸。
电芯一体化结构是将正负极极片粘贴在涂胶隔膜两侧(正极极片粘贴在隔膜的一侧，负极有金属锂带的一面粘贴在隔膜的另一侧)。电芯制造工艺及方法是去掉涂胶隔膜两侧的隔离纸，按电池型号要求将制备好的正负极极片粘贴在隔膜两侧，结构如图7所示。
电池结构是将一体化的电芯装入铝塑膜中，采用三面封装结构，其结构如图8所示。
所述正极极片的厚度小于0.15mm，所述负极极片的厚度小于0.07mm；所述的正极结构和负极结构胶粘在隔膜两侧，胶粘的厚度小于0.05mm；形成的一体化电芯厚度小于0.27mm。
所述铝塑膜的厚度为0.088mm。所述正负极极耳的厚度为0.05mm。
实施例1：CP042529制备
按发明专利(申请号：201310258416.9)介绍的方法制备正极极片，极片厚度小于0.4mm，经多次辊压后，极片厚度小于0.15mm。由冲压设备冲压成需求的正极极片尺寸(极片尺寸：22*21mm，缺口尺寸：2*16mm)，放入烘箱200℃烘烤2h，然后按图1所示焊接正极极耳(0.05*3mm的镍极耳，极耳宽度可调)，备用。
冲压图3所示的冲孔铜箔(铜箔尺寸：21*20mm，缺口尺寸：3*8mm)，并在相应位置焊接负极极耳(0.05*3mm的镍极耳，极耳宽度可调)，通过辊压将薄锂带压入冲孔铜箔，见图5，备用。
隔膜制备是配制一定浓度(5％-60％)树脂型油性胶粘剂-油性丙烯酸酯胶，然后通过涂布设备将胶粘剂涂布于隔膜两侧，并烘干(60℃)，用隔离纸粘贴在隔膜两侧，放入干室备用(湿度小于2％)；
铝塑包装膜(规格DNP包装膜，D-EL35H(Ⅱ))，尺寸：29*140mm，对折为29*70mm，备用；
将备用的正负极粘贴在涂胶隔膜两侧，并进行裁剪，装入铝塑膜，顶侧封并整形后，加入LiTFSI(二(三氟甲基磺酰)亚胺锂)电解液0.1g，然后进行预封，并按照相似的锂锰一次电池制备工艺进行后处理，即可制备出超薄CP042529锂电池，锂电池的容量可达25mAh，电池的厚度不超过0.45mm。
实施例2：CP042229制备
按发明专利(申请号：201310258416.9)介绍的方法制备正极极片，极片厚度小于0.4mm，经多次辊压后，极片厚度小于0.15mm。由冲压设备冲压成需求的正极极片尺寸(极片尺寸：22*19mm，缺口尺寸：2*13mm)，放入烘箱200℃烘烤2h，然后按图1所示焊接正极极耳(0.05*3mm的镍极耳，极耳宽度可调)，备用。
冲压图3所示的冲孔铜箔(铜箔尺寸：21*17mm，缺口尺寸：3*5mm)，并在右上方位置焊接负极极耳(0.05*3mm的镍极耳，极耳宽度可调)，通过辊压将薄锂带压入冲孔铜箔，见图5，备用。
隔膜制备是配制一定浓度(5％-60％)树脂型油性胶粘剂-油性丙烯酸酯胶，然后通过涂布设备将胶粘剂涂布于隔膜两侧，并烘干，用隔离纸粘贴在隔膜两侧，放入干室备用(湿度小于2％)；
裁剪铝塑包装膜(规格DNP包装膜，D-EL35H)，尺寸：29*140mm，对折为29*70mm，备用；
将备用的正负极粘贴在涂胶隔膜两侧，并进行裁剪，装入铝塑膜，进行顶侧封并整形后，加入LiTFSI(二(三氟甲基磺酰)亚胺锂)电解液0.1g，然后进行预封，并按照相似的锂锰一次电池制备工艺进行后处理，即可制备出超薄CP042529锂电池，锂电池的容量可达20mAh，电池的厚度不超过0.45mm。

Claims (3)

1.一种超薄型锂锰电池的一体化结构，包括正极结构、负极结构和隔膜结构，其特征在于：所述的正极结构将经200℃～600℃热处理2-20h后的电解二氧化锰MnO2与导电炭黑和取代聚乙烯类粘结剂按质量比70～95：2～10：3～20混合，然后加入去离子水或蒸馏水，液固质量比为25％-45％，涂布在集流体铝网上，厚度小于0.4mm；所述去离子水或蒸馏水中含醇类试剂，醇类试剂占总液体的质量比为0.01％～5％；所述的负极结构采用厚度小于0.05mm的超薄型锂带与铜箔或铜带复合，所述的铜箔或铜带上冲有若干通孔；隔膜结构在厚度大于15um的隔膜两侧涂敷电化学稳定的树脂型油性胶粘剂5-20um；所述的电化学稳定指在电压大于3.6V时仍不会发生反应；所述的正极结构和负极结构胶粘在隔膜两侧，形成一体化电芯，采用铝塑膜封装，镍质或铜镀镍正负极极耳分别连接正极结构和负极结构。
2.根据权利要求1所述的超薄型锂锰电池的一体化结构，其特征在于：所述的正极极片为长方形极片，一侧冲切有缺口，镍质或铜镀镍极耳焊接在该侧的无缺口位置。
3.根据权利要求1所述的超薄型锂锰电池的一体化结构，其特征在于：所述的负极极片为长方形极片，一侧冲切有缺口，缺口的边长比正极极片缺口的边长小0.5-3mm，镍质或铜镀镍极耳焊接在该侧的无缺口位置。
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