CN105390629A - 一种电化学电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电化学电池领域，特别涉及一种电化学电池，包括电池主体区和电池封装区，所述电池主体区包括正极电极、隔离膜、负极电极、电解质和外封装结构；所述电池封装区包括第一隔水层、密封层与第二隔水层；所述电池封装区中包括所述电池主体中包含的隔离膜及粘接层；且所述电池主体中包含的隔离膜贯穿于所述电池封装区；此时，制备该电池时，可以将多个电池同时进行封装，保持一个整体进入各个工序，最终得到成品电池时，再进行分切得到单个电池，从而实现单次多电芯产出的目的，极大的简化操作，降低单个电池的制造成本。
Description
技术领域
本发明属于电化学电池技术领域，特别涉及一种电化学电池及其制备方法。
背景技术
进入21世纪以后，各种电子器件产品如手机、笔记本、可穿戴设备等层出不穷，极大的丰富了广大用户的生活；同时，电动汽车及各类储能电站也如雨后春笋般迅速萌芽、发展、壮大。以上高科技产品，具有一个共同特征：需要高性能、低成本的电池充当储能部件。
现有的电池主要有一次电池和二次电池两大类；所谓一次电池，即无法反复充电的电池，主要包括碳锌电池、碱性电池、糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式电池(扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池)、锌空气电池、一次锂锰电池等、水银电池；所谓二次电池，即可充电电池，主要包括二次碱性锌锰电池、镍镉充电电池、镍氢充电电池、锂充电电池、铅酸电池、太阳能电池。铅酸蓄电池可分为：开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。而从外包装角度分析，现有电池主要分为软包装电池及硬壳包装电池，由于软包装电池包装膜本身厚度小，可塑性大，被广泛的运用于各类高档一次电池和二次电池中。
然而，随着人们生活品质的提高，对电子产品提出了更高的要求，即更长的待机时间；这就要求为电子产品提供能量的电源具有更高的能量密度。
现有的提高能量密度的方式有：选择更高能量密度的电化学体系，如高电压钴酸锂正极、硅负极等；选择精度更高的制造工艺，提高电池容量的一致性，从而提高电池平均容量；选择厚度更薄的基材，如6um铜箔、8um铝箔、64um铝塑膜等。但是高电压体系安全性能更差，成本更高；硅负极首次效率低、循环性能差，成本高；高精度制造工艺设备投资巨大，制造成本高；而更薄的基材，往往意味着更高的工艺控制要求、更高的材料成本；因此这些方案无一不增加制造成本。
而随着个性化的电子产品的越来越多，如柔性器件的横空出世，其对电池提出了更高的要求：即柔性电池。但柔性电池在弯折过程中，电芯内部的界面处往往是其薄弱环节，极易受到破坏，从而使得柔性电池性能变差；因此尽量降低柔性电池内部界面数量，是提高柔性电池性能的可靠方法。
同时，为了追求更高的能量密度，制造过程中往往会减少有效封装区宽度；而且新的材料、新的电池结构的不断出现，同样对电池封装可靠性提出了更高的要求；且新的电池结构，有可能导致电池正负极之间的绝缘可靠性降低，从而增大电池的自放电速率，使得其不能满足正常使用需求。
有鉴于此，确有必要开发一种新的电化学电池及其制备方法，其不仅能够提高电池的能量密度，改善电池封装可靠性、降低成本(材料成本或/和制造成本)、改善电池的自放电性能，而且当其为柔性电池时，还具有优良的柔性性能及电化学性能。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种电化学电池，包括电池主体区和电池封装区，所述电池主体区包括正极电极、隔离膜、负极电极、电解质和外封装结构；所述电池封装区包括第一隔水层、密封层与第二隔水层；所述电池封装区中包括所述电池主体中包含的隔离膜及粘接层；且所述电池主体中包含的隔离膜贯穿于所述电池封装区；此时，制备该电池时，可以将多个电池同时进行封装，保持一个整体进入各个工序，最终得到成品电池时，再进行分切得到单个电池，从而实现单次多电芯产出的目的，极大的简化操作，降低单个电池的制造成本。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电化学电池，包括电池主体区和电池封装区，所述电池主体区包括正极电极、隔离膜、负极电极、电解质和外封装结构；所述电池封装区包括第一隔水层、密封层与第二隔水层；所述电池封装区中包括所述电池主体中包含的隔离膜及粘接层；且所述电池主体中包含的隔离膜贯穿于所述电池封装区，且封装区内的隔离膜与粘接层有机的融合于一体，保持优良的密封效果；因为隔离膜与粘接层具有相近的熔点，而封装时采用的封装温度应不小于两者的熔点。
作为本发明所述电化学电池的一种改进，所述正极电极包括正极涂层和正极集流体，所述负极电极包括负极涂层和负极集流体；所述外装结构中含有正极集流体或/和负极集流体。
作为本发明所述电化学电池的一种改进，所述电池主体区与所述电池封装区通过正极集流体或/和负极集流体连接在一起；所述第一隔水层包括正极集流体或/和第二所述隔水层包括负极集流体。
作为本发明所述电化学电池的一种改进，所述包含于外封装结构中的正极集流体为正极单面涂敷，正极单面涂敷层中含有正极活性物质；所述包含余外封装结构的负极集流体为负极单面涂敷，所述负极单面涂敷层中含有负极活性物质；所述正极活性物质包括锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂铁氧化物、锂钒氧化物、硫或硫化物、三元或多元复合化合物和聚阴离子阴极材料中的至少一种；所述负极活性物质包括碳材料、含碳化合物和非碳材料中的至少一种。
作为本发明所述电化学电池的一种改进，所述电化学电池由一片单面涂敷电极与一片单面涂敷对电极组成、一片双面涂敷电极与两片单面涂敷对电极组成(双面涂敷电极位于两片单面涂敷电极之间)或多片双面涂敷电极与两片单面涂敷电极(双面涂敷电极位于两片单面涂敷电极之间)组成。
作为本发明所述电化学电池的一种改进，所述隔离膜为离子导通电子绝缘材料；贯穿于所述电池封装区的隔离膜位于粘接层与第一隔水层之间或/和粘接层与隔水层之间或/和两层粘接层之间，且贯穿于所述电池封装区的隔离膜经过热封处理后能够与所述粘接层紧密密封粘接，即隔离膜与粘接层具有相近的熔点，而封装时采用的封装温度应不小于两者的熔点，且隔离膜材质熔融后与粘接层材质熔融后能够有机的粘接在一起。
作为本发明所述电化学电池的一种改进，所述隔离膜包括隔离膜基材和粘接层，所述隔离膜基材选自聚丙烯、聚乙烯、共聚乙丙烯、聚乙烯醋酸乙烯酯共聚物、聚偏氟乙烯、共聚氟乙丙烯、聚酰胺和聚酰亚胺中的至少一种；所述粘接层选自聚丙烯、聚乙烯、改性聚丙烯、改型聚乙烯、热熔胶中的至少一种。
本发明还包括一种电化学电池的制备方法，主要包括如下步骤：
步骤1，电极浆料制备：将活性物质与导电剂、粘接剂、溶剂搅拌均匀得到电极浆料待用；
步骤2，电极片制备：将步骤1得到的电极浆料涂敷于集流体的一个表面，烘干、处理后得到涂敷区长度为L、宽度为d、面积为S、电极四周为空箔材区的电极片A待用；
步骤3，成品电池制备：将步骤2得到的电极片置于表层、整片隔离膜覆盖涂敷区及空箔材区，之后布置对电极，并在电极片A四周的空箔材区位置布置密封层材料组装得到裸电芯，之后封装、化成、整形、分切得到电化学电池。
作为本发明所述电化学电池制备方法的一种改进，步骤2所述四周为空箔材区的电极的空箔材区的制备方法包括间歇涂敷(使用“梳子”状格栅，将涂敷刀头分割开来，其中所述格栅的“格”宽为d，所述格栅的“栅”宽为m；之后进行涂敷操作，将步骤1得到的浆料涂敷于集流体上得到初始膜片；为了使得涂敷长度及涂敷间隙绝对值较小并精确控制，需要优化设备控制精度及调节涂敷速度)、溶剂清洗(连续涂敷后，使用溶剂将涂敷层部分去除，得到符合规格要求的间隙区)、激光清洗(连续涂敷后，使用激光烧蚀技术将涂敷层部分去除，得到符合规格要求的间隙区)、辅助层剥离(即在涂敷间隙区预设一层辅助层，之后联系涂敷后，采用特殊手段使得辅助层与集流体脱落，从而达到去除多余涂层获得间隙区的目的；例如在集流体上间隙区预设一层热熔胶，之后连续涂敷，再通过加热方式去除热熔胶层，同时去掉覆盖在热熔胶表面的涂敷层，从而得到符合要求的间隙区)中的至少一种；所述集流体上分布有一块涂敷层区或多块涂敷层区。
作为本发明所述电化学电池制备方法的一种改进，步骤2所述集流体的空箔材区经过封装辅助处理，所述封装辅助处理包括抛光处理、镀层处理(电镀或化学镀)、有机硅处理或阳极氧化中的至少一种；步骤3所述成品电池制备过程中，可以将电解液喷涂与极片或/和隔离膜上，或是采用注液方式向电池中加入电解液；所述隔离膜覆盖整个涂敷区及空箔材区；所述电池的两个表层均为步骤2制得的极片，且所述极片均为负极片或所述极片均为正极片或一片为正极片一片为负极片。
与现有技术相比，本发明电化学电池及其制备方法具有如下优点：
1.位于电芯外侧的两片单面电极的集流体同时充当电芯的封装材料，可以有效的降低电池的厚度，提高电池的能量密度；
2.当本发明制备柔性电池时，由于集流体充当封装材料，可以有效的减少整个电池的界面数(两个界面)，增加电池的柔性及弯折后电池性能的保持率；
3.制备本发明所述结构的电池时，可以将多个电池同时进行封装，保持一个整体进入各个工序，最终得到成品电池时，再进行分切得到单个电池，从而实现单次多电芯产出的目的，极大的简化操作，降低单个电池的制造成本。
附图说明
附图1为本发明电化学电池横截面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明及其有益效果进行详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
比较例
电极片制备：以钴酸锂为正极活性物质、PVDF为粘接剂、Super-P为导电剂NMP为溶剂搅拌均匀，进行涂敷，得到沿涂敷方向和垂直于涂敷方向均形成涂敷区和空箔材区的单面涂敷卷料，之后冷压、分切，得到中间是涂膜区边缘为空箔材区的正极片；以石墨为负极活性物质、SBR和CMC为粘接剂、Super-P为导电剂、水为溶剂搅拌均匀，进行涂敷，得到沿涂敷方向和垂直于涂敷方向均形成涂敷区和空箔材区的单面涂敷卷料，之后冷压、分切，得到中间是涂膜区边缘为空箔材区的负极片；
电池制备：将隔离膜分切成与电极尺寸相匹配的尺寸，之后与上述正极片、负极片叠片，再在集流体四周的空箔材区设置PP层作为粘接层进行封装，有效封印区宽度h为3mm，隔离膜与有效封印区的重叠区宽度为d，h-d＝0.4mm；之后经过干燥、注液、化成、整形、除气、封口得到成品电池。
实施例1
如图1所示，为本实施例对应的电池横截面示意图，图中电池共分为电池主体1和电池封装区2-1&2-2两个部分，电池主体区1-1由正极片、负极片和隔离膜5组成，正极片由正极集流体3和正极涂敷层4组成，负极片由负极集流体1和负极涂层2组成；封装区2-1由第一隔水层(正极集流体3)、第二隔水层(负极集流体1和密封层7组成；电池主体区1中的隔离膜5贯穿于整个密封层7。
所述电池具体制备方法如下：
电极片制备：以钴酸锂为正极活性物质、PVDF为粘接剂、Super-P为导电剂NMP为溶剂搅拌均匀，进行涂敷，得到沿涂敷方向和垂直于涂敷方向均形成涂敷区和空箔材区的单面涂敷卷料，之后冷压，得到中间是涂膜区边缘为空箔材区的正极片(此时由于未做分切，一个正极片上包含4个独立的涂膜区)；以石墨为负极活性物质、SBR和CMC为粘接剂、Super-P为导电剂、水为溶剂搅拌均匀，进行涂敷，得到沿涂敷方向和垂直于涂敷方向均形成涂敷区和空箔材区的单面涂敷卷料，之后冷压，得到中间是涂膜区边缘为空箔材区的负极片(此时由于未做分切，一个正极片上包含4个独立的涂膜区)；
电池制备：选择熔点为160℃的PP隔离膜为电池的隔离膜，再分别在上述正极片、负极片的空箔材区设置容量为165℃的PP作为密封层，之后将隔离膜、设置有PP的正极片、设置有PP的负极片叠片，再用170℃的温度进行封装，使得隔离膜中的PP与作为密封层的PP融合在一起，起到有效的密封效果；得到四个电芯连接在一起组成的一个整体电池组，再经过化成、除气、封口，最后沿有效封印区中心线分切，得到成品电芯。
其余与比较例相同，不再赘述；
实施例2
与实施例1不同之处在于，包括如下步骤：
电极片制备：以钴酸锂为正极活性物质、PVDF为粘接剂、Super-P为导电剂NMP为溶剂搅拌均匀，进行涂敷，得到沿涂敷方向连续涂敷、垂直于涂敷方向形成涂敷区和空箔材区的单面涂敷卷料，之后冷压，采用激光清晰技术，沿垂直于涂敷方向清洗，得到中间是涂膜区四周均为空箔材区的正极片(此时由于未做分切，一个正极片上包含4个独立的涂膜区)；以石墨为负极活性物质、SBR和CMC为粘接剂、Super-P为导电剂、水为溶剂搅拌均匀，进行涂敷，得到沿涂敷方向连续、垂直于涂敷方向形成涂敷区和空箔材区的单面涂敷卷料，之后冷压，采用溶剂清晰技术，沿垂直于涂敷方向清洗，得到中间是涂膜区四周均为空箔材区的负极片(此时由于未做分切，一个正极片上包含4个独立的涂膜区)；
电池制备：选择熔点为145℃的PE隔离膜为电池的隔离膜，再分别在上述正极片、负极片的空箔材区设置容量为140℃的PE作为密封层，之后将隔离膜、设置有PE的正极片、设置有PE的负极片叠片，再用150℃的温度进行封装，使得隔离膜中的PE与作为密封层的PE融合在一起，起到有效的密封效果；得到四个电芯连接在一起组成的一个整体电池组，再经过化成、除气、封口，最后沿有效封印区中心线分切，得到成品电芯。
其余与实施例1相同，不再赘述。
对比比较例和实施例可得，采用本发明制备本发明所述电池时，效率高、工艺简单，可以极大的降低制造成本。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种电化学电池，包括电池主体区和电池封装区，所述电池主体区包括正极电极、隔离膜、负极电极、电解质和外封装结构；所述电池封装区包括第一隔水层、密封层与第二隔水层；其特征在于：所述电池封装区中包括所述电池主体中包含的隔离膜及粘接层；且所述电池主体中包含的隔离膜贯穿于所述电池封装区。
2.一种权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述正极电极包括正极涂层和正极集流体，所述负极电极包括负极涂层和负极集流体；所述外装结构中含有正极集流体或/和负极集流体。
3.一种权利要求1或2所述电化学电池，其特征在于，所述电池主体区与所述电池封装区通过正极集流体或/和负极集流体连接在一起；所述第一隔水层包括正极集流体或/和第二所述隔水层包括负极集流体。
4.一种权利要求2所述电化学电池，其特征在于，所述包含于外封装结构中的正极集流体为正极单面涂敷，正极单面涂敷层中含有正极活性物质；所述包含于外封装结构中的负极集流体为负极单面涂敷，所述负极单面涂敷层中含有负极活性物质；所述正极活性物质包括锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂铁氧化物、锂钒氧化物、硫或硫化物、三元或多元复合化合物和聚阴离子阴极材料中的至少一种；所述负极活性物质包括碳材料、含碳化合物和非碳材料中的至少一种。
5.一种权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述电化学电池由一片单面涂敷电极与一片单面涂敷对电极组成、一片双面涂敷电极与两片单面涂敷对电极组成或多片双面涂敷电极与两片单面涂敷电极组成。
6.一种权利要求2所述电化学电池，其特征在于，所述隔离膜为离子导通电子绝缘材料；贯穿于所述电池封装区的隔离膜位于粘接层与第一隔水层之间或/和粘接层与隔水层之间或/和两层粘接层之间，且贯穿于所述电池封装区的隔离膜经过热封处理后能够与所述粘接层紧密密封粘接。
7.一种权利要求1所述电化学电池，其特征在于，所述隔离膜包括隔离膜基材和粘接层，所述隔离膜基材选自聚丙烯、聚乙烯、共聚乙丙烯、聚乙烯醋酸乙烯酯共聚物、聚偏氟乙烯、共聚氟乙丙烯、聚酰胺和聚酰亚胺中的至少一种；所述粘接层选自聚丙烯、聚乙烯、改性聚丙烯、改型聚乙烯、热熔胶中的至少一种。
8.一种权利要求1所述电化学电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，电极浆料制备：将活性物质与导电剂、粘接剂、溶剂搅拌均匀得到电极浆料待用；
步骤2，电极片制备：将步骤1得到的电极浆料涂敷于集流体的一个表面，烘干、处理后得到涂敷区长度为L、宽度为d、面积为S、电极四周为空箔材区的电极片A待用；
步骤3，成品电池制备：将步骤2得到的电极片A置于表层、整片隔离膜覆盖涂敷区及空箔材区，之后布置对电极，并在电极片A四周的空箔材区位置布置密封层材料组装得到裸电芯，之后封装、化成、整形、分切得到电化学电池。
9.一种权利要求8所述电化学电池的制备方法，其特征在于：步骤2所述四周为空箔材区的电极的空箔材区的制备方法包括间歇涂敷、溶剂清洗、激光清洗、辅助层剥离中的至少一种；所述集流体上分布有一块涂敷层区或多块涂敷层区。
10.一种权利要求8所述电化学电池的制备方法，其特征在于，步骤2所述集流体的空箔材区经过封装辅助处理，所述封装辅助处理包括抛光处理、镀层处理、有机硅处理或阳极氧化中的至少一种；步骤3所述成品电池制备过程中，将电解液喷涂于极片或/和隔离膜上，或是采用注液方式向电池中加入电解液；所述隔离膜覆盖整个涂敷区及空箔材区；所述电池的两个表层均为步骤2制得的极片，且所述极片均为负极片或所述极片均为正极片或一片为正极片一片为负极片。
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