CN105355980B - 一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，包括正极片制作、负极片制作和装配成型等步骤、在装配成型的过程中，将正极片、负极片、隔膜、阴极铝箔和隔离纸采用卷绕或叠片的方式装配成型得到电芯，在装配过程中，所述隔膜设置在负极片和正极片之间，间隔的负极片之间设有两正极片，所述两正极片的正极活性材料层分别与相邻负极片的负极活性材料层相对，两阳极铝箔之间设有铝电解电容器的阴极铝箔，阳极铝箔和阴极铝箔之间设有浸泡有电容器电解液的隔离纸。本发明的铝电解电容器型锂离子电池的制备方法具有结构简单、加工方便、品质稳定、性能优异和成本低廉的特点。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体为一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法。
背景技术
随着现代社会信息化和智能化的高速发展，以及环境污染和能源匮乏日渐严重，社会对蓄电器件的容量和输出功率要求越来越高，锂离子电池和电容器等成为当前研究热点。锂离子电池具有能量密度高、自放电率低等优点，但倍率性能不理想，功率密度较低，而且锂离子电池的电压范围在3. 0～4.1V之间，高于4.1V时，电池正极材料和电解液不稳定、易氧化，负极表面易析锂形成锂枝晶，带来安全隐患。电容器虽然具有功率密度高、循环寿命长等优点，但能量密度相对较低，而且自放电率较大。
为了满足高能量密度、高输出特性的需求，近年来，将锂离子电池和电容器的蓄电原理结合的、被称之为混合式电容器的蓄电装置引人注目。但是，目前将锂离子电池与电容器的联用多局限在锂离子电池和活性炭双层电解电容器联用，一般把活性炭材料加入到锂离子电池的活性材料中，如中国专利申请CN103021671 A提出了一种锂离子电池电容器，透过在正极活性材料中加入活性炭和在负极活性材料中加入软碳或硬碳形成双电层活性炭电容器，使其制备的锂离子电池电容器同时具有锂离子电池高能量密度和电容器高公路的特点，拓宽了其使用的温度范围和电压范围，具有优良的电量（电荷）保持率。但是，在其技术方案中，活性碳占正极活性材料容量百分比的5. 0%～50. 0%，软碳或硬碳等A类材料占负极活性材料容量百分比的50. 0～95. 0%，严重降低了锂离子电池的能量密度；而且，把诸如软碳或硬碳等A类材料加入负极材料、活性炭加入正极材料中，在加工过程在正极和负极的混浆过程即需要加入，不仅加工难度较大不利于生产效率的提升，而且给正负极打浆过程造成诸多不确定因素，产品品质严重依赖于混浆的均匀性，品质风险过高。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，具有结构简单、加工方便、品质稳定、性能优异和成本低廉的特点。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
正极片制作：将 85%-95% 重量的正极活性物质、1%-10% 的导电剂和 1%-15% 的粘结剂溶于溶剂中制作正极浆料，以铝电解电容器的阳极铝箔作为正极集流体，将正极浆料单面涂覆到正极集流体形成正极活性材料层上并干燥，制作极片，然后将将极片辗压，剪切分条制成正极片。
负极片制作：将 90%-98% 重量的负极活性物质、1%-5% 的导电剂和 1%-5% 的粘结剂溶于溶剂中制作负极浆料，将负极浆料双面涂覆到负极集流体上形成负极活性材料层并干燥，制作极片，然后将将极片辗压，剪切分条制成负极片。
装配成型：将正极片、负极片、隔膜、阴极铝箔和隔离纸采用卷绕或叠片的方式装配成型得到电芯，在装配过程中，所述隔膜设置在负极片和正极片之间，间隔的负极片之间设有两正极片，所述两正极片的正极活性材料层分别与相邻负极片的负极活性材料层相对，两正极片之间设有铝电解电容器的阴极铝箔，阳极铝箔和阴极铝箔之间设有浸泡有电容器电解液的隔离纸。
通过采用正极片单面涂层结构，正极集流体选用铝电解电容器的阳极铝箔，进而在阳极铝箔之间设置阴极铝箔，从而实现了锂离子电池和铝电解电容器在结构上的一体化设计，结构简单；通过采用锂离子电池和铝电解电容器一体化的结构设计，在加工过程中锂离子电池的正极片、负极片和铝电解电容器的阳极铝箔、阴极铝箔均采用常规成熟的加工工艺进行加工，不仅便于规模化生产提高生产效率，而且有效避免诸如活性炭电容器中的电容器活性材料对加工过程造成的品质隐患，有效保证了锂离子电池和铝电解电容器联用的品质稳定性。此外，铝电解电容器相的阳极铝箔厚度为40～105um，阴极铝箔的厚度为15～60um，通过层叠或卷绕后，占据的看见体积小，有效保证了铝电解电容器型锂离子电池的制备方法能量密度的提升。同时，铝电解电容器相对于传统的活性炭双层电容器具有耐压性强、电容容量高的特点，可以根据实际需要灵活设置铝电解电容器的额定电压和通过调整阳极铝箔、阴极铝箔的长度来调整电容容量，相对于活性炭双电层电容器优势明显。此外，应用在电容器的铝箔加工过程简单，工艺成熟，相对于应用在活性炭电容器的活性炭材料无论从材料来源还是加工过程均均有明显优势，有效降低铝电解电容器型锂离子电池的制备方法的制造成本。
进一步地，所述锂离子电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯（DMC)、碳酸二乙酯（DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯（EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC 占 10%～20%，EC 占 25%～50%。锂离子电池电解液体系与铝电解电容器的电解液体系均为性质现实的有机溶剂体系，既满足锂离子电池的要求，又满足了铝电解电容器的工作需要，有效简化了加工制造过程。
进一步地，所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯（VEC)、碳酸亚乙烯酯（VC)，浓度为0.5～3. 0%，防过充添加剂有环已苯（CHB)、联苯、二甲苯，浓度为0.5～3. 0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯（AS)、邻苯二甲酸酐（PA)，其浓度为0.5～3. 0%。
进一步地，所述锂离子电池为卷绕结构结构设计，所述卷绕结构设计的锂离子电池还包括圆柱形外壳。
进一步地，所述锂离子电池为层叠结构结构设计，所述层叠结构设计的锂离子电池还包括方形铝塑膜外壳。
进一步地，所述负极集流体为铜箔。
进一步地，所述隔膜为PE隔膜、PP隔膜或PE/PP复合隔膜。
进一步地，所述负极活性材料层为天然石墨材料层和和/或人工石墨材料层。
进一步地，所述正极活性材料层为磷酸铁锂正极材料层、锰酸锂正极材料层、钴酸锂正极材料层或镍钴锰三元正极材料层。
进一步地，所述阳极铝箔表面包括经过腐蚀处理形成的阳极氧化膜，所负极铝箔表面包括未经腐蚀处理的天然氧化膜，所述阳极氧化膜和天然氧化膜透过隔离纸彼此相对。
本发明一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，具有如下的有益效果：
第一、结构简单，通过采用正极片单面涂层结构，正极集流体选用铝电解电容器的阳极铝箔，进而在阳极铝箔之间设置阴极铝箔，从而实现了锂离子电池和铝电解电容器在结构上的一体化设计，结构简单；
第二、加工方便，通过采用锂离子电池和铝电解电容器一体化的结构设计，在加工过程中锂离子电池的正极片、负极片和铝电解电容器的阳极铝箔、阴极铝箔均采用常规成熟的加工工艺进行加工，便于规模化生产提高生产效率；
第三、品质稳定，通过采用锂离子电池和铝电解电容器一体化的结构设计，在加工过程中锂离子电池的正极片、负极片和铝电解电容器的阳极铝箔、阴极铝箔均采用常规成熟的加工工艺进行加工，有效避免诸如活性炭电容器中的电容器活性材料对加工过程造成的品质隐患，有效保证了锂离子电池和铝电解电容器联用的品质稳定性；
第四、性能优异，铝电解电容器相的阳极铝箔厚度为40～105um，阴极铝箔的厚度为15～60um，通过层叠或卷绕后，占据的看见体积小，有效保证了铝电解电容器型锂离子电池的制备方法能量密度的提升。同时，铝电解电容器相对于传统的活性炭双层电容器具有耐压性强、电容容量高的特点，可以根据实际需要灵活设置铝电解电容器的额定电压和通过调整阳极铝箔、阴极铝箔的长度来调整电容容量，相对于活性炭双电层电容器优势明显；
第五、成本低廉，应用在电容器的铝箔加工过程简单，工艺成熟，相对于应用在活性炭电容器的活性炭材料无论从材料来源还是加工过程均均有明显优势，有效降低铝电解电容器型锂离子电池的制备方法的制造成本。
附图说明
附图1为本发明一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法的工艺流程图；
附图3为本发明一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法制备得到的圆柱形电芯内部结构示意图；
附图2为本发明一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法制备得到的方形电芯内部结构示意图；
附图3为本发明一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法制备得到的圆柱形电芯内部结构示意图；
附图中标记包括：100、负极片，101、负极集流体，102、负极活性材料层，200、正极片，201、正极集流体，202、正极活性材料层；300、阴极铝箔，400、隔膜，500、隔离纸，600、铝塑膜，700、钢壳，800、盖帽，900、绝缘片。
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的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。
实施例1
如图1、图2所示，本发明公开了一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
正极片制作：将 85%-95% 重量的正极活性物质、1%-10% 的导电剂和 1%-15% 的粘结剂溶于溶剂中制作正极浆料，以铝电解电容器的阳极铝箔作为正极集流体201，将正极浆料单面涂覆到正极集流体201形成正极活性材料层202上并干燥，制作极片，然后将将极片辗压，剪切分条制成正极片200。
负极片制作：将 90%-98% 重量的负极活性物质、1%-5% 的导电剂和 1%-5% 的粘结剂溶于溶剂中制作负极浆料，将负极浆料双面涂覆到负极集流体101上形成负极活性材料层102并干燥，制作极片，然后将将极片辗压，剪切分条制成负极片100。
装配成型：将正极片200、负极片100、隔膜400、阴极铝箔300和隔离纸500采用叠片的方式装配成型得到方形电芯，在装配过程中，所述隔膜400设置在负极片100和正极片200之间，间隔的负极片100之间设有两正极片200，所述两正极片200的正极活性材料层202分别与相邻负极片100的负极活性材料层102相对，两正极片之间设有铝电解电容器的阴极铝箔300，阳极铝箔和阴极铝箔300之间设有浸泡有电容器电解液的隔离纸500。
所述锂离子电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯（DMC)、碳酸二乙酯（DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯（EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC 占10%～20%，EC 占 25%～50%。所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯（VEC)、碳酸亚乙烯酯（VC)，浓度为0.5～3. 0%，防过充添加剂有环已苯（CHB)、联苯、二甲苯，浓度为0.5～3. 0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯（AS)、邻苯二甲酸酐（PA)，其浓度为0.5～3. 0%。所述层叠结构设计的锂离子电池还包括方形铝塑膜600外壳。所述负极集流体101为铜箔。所述隔膜400为PE隔膜400、PP隔膜400或PE/PP复合隔膜400。所述负极活性材料层102为天然石墨材料层和和/或人工石墨材料层。所述正极活性材料层202为磷酸铁锂正极材料层、锰酸锂正极材料层、钴酸锂正极材料层或镍钴锰三元正极材料层。所述阳极铝箔表面包括经过腐蚀处理形成的阳极氧化膜，所负极铝箔表面包括未经腐蚀处理的天然氧化膜，所述阳极氧化膜和天然氧化膜透过隔离纸500彼此相对。
在图2的方形铝电解电容器型锂离子电池的制备方法中，铝塑膜600上设有正极极耳和负极极耳，正极片200与正极极耳电连通，负极片100、阴极铝箔300与负极极耳电连通。
经过测试，采用备发明方法制备得到的方形叠片的铝电解电容器型锂离子电池的能量密度高达90～110Wh0kg，功率密度4000～10000W/kg，工作电压2.5～4.8V，规模化生产制作10000PCS产品良率为97.8%，单位产品成本相对活性炭双电层电容器型的锂离子电池下降10～15%。
实施例2
如图1、图3所示，本发明公开了一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
正极片制作：将 85%-95% 重量的正极活性物质、1%-10% 的导电剂和 1%-15% 的粘结剂溶于溶剂中制作正极浆料，以铝电解电容器的阳极铝箔作为正极集流体201，将正极浆料单面涂覆到正极集流体201形成正极活性材料层202上并干燥，制作极片，然后将将极片辗压，剪切分条制成正极片200。
负极片制作：将 90%-98% 重量的负极活性物质、1%-5% 的导电剂和 1%-5% 的粘结剂溶于溶剂中制作负极浆料，将负极浆料双面涂覆到负极集流体101上形成负极活性材料层102并干燥，制作极片，然后将将极片辗压，剪切分条制成负极片100。
装配成型：将正极片200、负极片100、隔膜400、阴极铝箔300和隔离纸500采用卷绕的方式装配成型得到圆柱形电芯，在装配过程中，所述隔膜400设置在负极片100和正极片200之间，间隔的负极片100之间设有两正极片200，所述两正极片200的正极活性材料层202分别与相邻负极片100的负极活性材料层102相对，两正极片之间设有铝电解电容器的阴极铝箔300，阳极铝箔和阴极铝箔300之间设有浸泡有电容器电解液的隔离纸500。
所述锂离子电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯（DMC)、碳酸二乙酯（DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯（EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC 占10%～20%，EC 占 25%～50%。所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯（VEC)、碳酸亚乙烯酯（VC)，浓度为0.5～3. 0%，防过充添加剂有环已苯（CHB)、联苯、二甲苯，浓度为0.5～3. 0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯（AS)、邻苯二甲酸酐（PA)，其浓度为0.5～3. 0%。所述卷绕结构设计的锂离子电池还包括圆柱形外壳。所述负极集流体101为铜箔。所述隔膜400为PE隔膜400、PP隔膜400或PE/PP复合隔膜400。所述负极活性材料层102为天然石墨材料层和和/或人工石墨材料层。所述正极活性材料层202为磷酸铁锂正极材料层、锰酸锂正极材料层、钴酸锂正极材料层或镍钴锰三元正极材料层。所述阳极铝箔表面包括经过腐蚀处理形成的阳极氧化膜，所负极铝箔表面包括未经腐蚀处理的天然氧化膜，所述阳极氧化膜和天然氧化膜透过隔离纸500彼此相对。
在图3的圆柱形铝电解电容器型锂离子电池的制备方法中，盖帽800作为锂离子电池的正极，钢壳700底部作为锂离子电池的负极，正极片200与正极电连通，负极片100、阴极铝箔300与负极电连通，盖帽900与正极片200、负极片200通过绝缘片900间隔绝缘。
经过测试，采用备发明方法制备得到的圆柱卷绕的铝电解电容器型锂离子电池的能量密度高达80～105Wh0kg，功率密度3500～10000W/kg，工作电压2.5～4.8V，规模化生产制作10000PCS产品良率为98.9%，单位产品成本相对活性炭双电层电容器型的锂离子电池下降12～15%。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
正极片制作：将 85%-95% 重量的正极活性物质、1%-10% 的导电剂和 1%-15% 的粘结剂溶于溶剂中制作正极浆料，以铝电解电容器的阳极铝箔作为正极集流体，将正极浆料单面涂覆到正极集流体形成正极活性材料层上并干燥，制作极片，然后将将极片辗压，剪切分条制成正极片；
负极片制作：将 90%-98% 重量的负极活性物质、1%-5% 的导电剂和 1%-5% 的粘结剂溶于溶剂中制作负极浆料，将负极浆料双面涂覆到负极集流体上形成负极活性材料层并干燥，制作极片，然后将将极片辗压，剪切分条制成负极片；
装配成型：将正极片、负极片、隔膜、阴极铝箔和隔离纸采用卷绕或叠片的方式装配成型得到电芯，在装配过程中，所述隔膜设置在负极片和正极片之间，间隔的负极片之间设有两正极片，所述两正极片的正极活性材料层分别与相邻负极片的负极活性材料层相对，两正极片之间设有铝电解电容器的阴极铝箔，阳极铝箔和阴极铝箔之间设有浸泡有电容器电解液的隔离纸。
2.根据权利要求1所述的铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述锂离子电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯（DMC)、碳酸二乙酯（DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯（EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC 占 10%～20%，EC 占25%～50%。
3.根据权利要求2所述的铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯（VEC)、碳酸亚乙烯酯（VC)，浓度为0.5～3. 0%，防过充添加剂有环已苯（CHB)、联苯、二甲苯，浓度为0.5～3. 0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯（AS)、邻苯二甲酸酐（PA)，其浓度为0.5～3. 0%。
4.根据权利要求3所述的铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述锂离子电池为卷绕结构结构设计，所述卷绕结构设计的锂离子电池还包括圆柱形外壳。
5.根据权利要求3所述的铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述锂离子电池为层叠结构结构设计，所述层叠结构设计的锂离子电池还包括方形铝塑膜外壳。
6.根据权利要求4或5所述的铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述负极集流体为铜箔。
7.根据权利要求6所述的铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述隔膜为PE隔膜、PP隔膜或PE/PP复合隔膜。
8.根据权利要求7所述的铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述负极活性材料层为天然石墨材料层和和/或人工石墨材料层。
9.根据权利要求8所述的铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极活性材料层为磷酸铁锂正极材料层、锰酸锂正极材料层、钴酸锂正极材料层或镍钴锰三元正极材料层。
10.根据权利要求8所述的铝电解电容器型锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述阳极铝箔表面包括经过腐蚀处理形成的阳极氧化膜，所负极铝箔表面包括未经腐蚀处理的天然氧化膜，所述阳极氧化膜和天然氧化膜透过隔离纸彼此相对。
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