CN106229542A - 一种锂离子电池用电芯及其制备方法、锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池用电芯及其制备方法、锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。本发明的锂离子电池用电芯，所述电芯包括极片以及设置在极片之间的锂片，所述极片包括集流体以及涂覆在集流体表面的电极活性物质层，所述集流体具有网状结构。本发明的锂离子电池用电芯可以解决锂离子电池的电芯的极片之间的锂离子浓度差问题。

Description

一种锂离子电池用电芯及其制备方法、锂离子电池

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用电芯及其制备方法、锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

随着绿色能源产业的快速发展，锂离子电池在各应用领域发挥着越来越重要的作用。一般的，锂离子电池的电芯主要包括正极片、负极片及隔膜，正负极片由集流体及涂覆在其表面的活性物质层组成。由于锂离子电池在充放电过程中，锂离子的脱嵌主要在相邻的正极片和负极片之间进行，并形成SEI膜消耗锂离子，造成正负极片之间电解液中锂离子数量减少，降低了锂离子的传输速率，同时由于锂离子电池中极片与极片之间的差别，造成每一单元正负极片、电解液之间的锂离子数量不同，长期循环后每个单元之间存在锂离子浓度梯度差，造成锂离子电池循环性能下降。

为了克服锂离子消耗造成的电池性能下降，目前一般通过在锂离子电池内进行补锂的方式，如申请公布号为CN102610861A的发明专利公开了一种锂离子电池，其电芯由正极片、隔膜及处理的负极片组成，其中处理的负极片是将金属锂片压在负极片上制得。该锂片能够为极片进行补锂，补偿容量的损耗，提高锂离子电池容量。但是由于其所用集流体采用实心铜铝箔，造成锂离子在正负极片之间的传递路径较长，无法从根本上消除锂离子浓度梯度差，造成锂离子电池的循环性能仍然较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高电池循环性能的锂离子电池用电芯。本发明的目的还在于提供一种上述锂离子电池用电芯的制备方法以及使用该电芯的锂离子电池。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种锂离子电池用电芯，所述电芯包括极片以及设置在极片之间的锂片，所述极片包括集流体以及涂覆在集流体表面的电极活性物质层，所述集流体具有网状结构。

所述集流体的网孔率为40-50％。

所述集流体上的网孔孔径为20-100μm。

所述锂片具有网状结构。

所述极片包括正极片和负极片，所述电芯包括两个半电芯，所述半电芯由正极片、隔膜、负极片依次交替设置构成，所述锂片设置在两个半电芯之间。也可以将锂片设置在正极片与隔膜之间或者负极片与隔膜之间。

所述集流体上涂覆电极活性物质层的区域为网状结构，没有涂覆电极活性物质的区域为实心结构。

上述的锂离子电池用电芯的制备方法，包括如下步骤：

1)在集流体一面粘贴分离膜，然后在集流体的另一面喷涂电极活性物质浆料，干燥形成电极活性物质层，将分离膜与集流体分离，在集流体与分离膜对应的一面喷涂电极活性物质，干燥形成电极活性物质层，制得极片；

2)将步骤1)中制得的极片与隔膜叠片制得预制电芯，然后将锂片插入极片之间，制得锂离子电池用电芯。

所述预制电芯为半电芯，所述锂片插入两个半电芯之间。也可以将锂片设置在正极片与隔膜之间或者负极片与隔膜之间。

所述分离膜为芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚苯并咪唑、聚丙烯腈纳米纤维膜、聚酰胺酰亚胺中的一种。

所述分离膜的厚度为20-200μm。

步骤1)中分离膜与集流体的分离在双层卷绕机上进行，双层卷绕机的一层卷绕集流体，另一层反转卷绕分离膜。

所述集流体的网孔率为40-50％。

所述集流体上的网孔孔径为20-100μm。

所述锂片具有网状结构。

所述集流体上涂覆电极活性物质层的区域为网状结构，没有涂覆电极活性物质的区域为实心结构。

所述分离膜的大小与集流体上涂覆电极活性物质的区域大小相同。

所述正极片包括正极活性物质，所述正极活性物质为磷酸铁锂、三元材料、钴酸锂、锰酸锂中的一种。

所述负极片包括负极活性物质，所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硅碳负极、活性炭中的一种。

一种锂离子电池，使用上述锂离子电池用电芯。

本发明的锂离子电池用电芯可以解决锂离子电池的电芯的极片之间的锂离子浓度差问题。现有技术中的锂离子电池由于使用的集流体为实心集流体，其在充放电过程中，锂离子的脱嵌是在相邻的正负极片之间进行，锂离子无法穿透铜铝箔集流体，造成不同正负极单元存在锂离子浓度差，导致一部分析锂，另一部分锂离子不足，影响电池的一致性。本发明采用网状集流体，整个电池体系处于一整个体系中，锂离子可以在极片间传递，极片间过剩的锂离子可以及时补充到锂离子不足的极片上，避免了极片单元之间的锂离子浓度差，进而提高了电池的循环性能和能量密度。

本发明的锂离子电池用电芯的制备方法中，采用高分子分离薄膜粘贴技术，浆料在网状集流体表面涂覆时，防止浆料涂覆在正面时浆料从反面漏液，同时高分子分离薄膜与活性物质和集流体具有较高的分离性能，避免了活性物质粘附在高分子分离薄膜表面，提高其涂布过程中极片的合格率。

附图说明

图1为实施例1中锂离子电池的结构示意图；

图2为对比例中锂离子电池的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更容易理解，下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例的锂离子电池用电芯包括两个半电芯以及夹设在两个半电芯之间的锂网，锂网的网孔率为30％，孔径为40μm，如图1所示，半电芯由正极片1、隔膜2、负极片3、隔膜2依次叠放构成，正极片包括正极集流体11以及涂覆在正极集流体两面的正极活性物质层12，正极集流体为网状铝箔，网状铝箔的厚度为20μm，网孔率为50％，孔径为50μm，正极活性物质层包括正极活性物质、导电剂及粘结剂，正极活性物质为磷酸铁锂；负极片3包括负极集流体31以及涂覆在负极集流体两面的负极活性物质层32，负极集流体为网状铜箔，网状铜箔的厚度为12μm，网孔率为45％，孔径为30μm，负极活性物质层包括负极活性物质、导电剂及粘结剂，负极活性物质为人造石墨；所述正极集流体和负极集流体上都仅在涂覆电极活性物质层的区域设置为网状结构，没有涂覆电极活性物质的区域为实心结构。

上述锂离子电池用电芯的制备方法包括如下步骤：

1)将人造石墨、导电剂、粘结剂分散在溶剂中制得负极浆料，在负极集流体网状铜箔的背面粘贴一层厚度为100μm的聚对苯二甲酰对苯二胺膜作为分离膜，然后在集流体的正面喷涂负极浆料，涂覆厚度为100μm，干燥后在集流体表面形成一层负极活性物质层，然后将分离膜去除，具体的，分离膜的去除采用双层卷绕机上进行，双层卷绕机一层卷绕一面涂覆负极活性物质层的集流体，另一层反转卷绕分离膜；然后在原来粘贴分离膜的一面上喷涂负极浆料，涂覆厚度为100μm，干燥后在集流体的该表面形成一层负极活性物质层，制得负极片；

将磷酸铁锂、导电剂、粘结剂分散在溶剂中制得正极浆料，在正极集流体网状铝箔的背面粘贴一层厚度为100μm的聚对苯二甲酰对苯二胺膜作为分离膜，然后在集流体的正面喷涂正极浆料，涂覆厚度为120μm，干燥后在集流体表面形成一层正极活性物质层，然后将分离膜去除，具体的，分离膜的去除采用双层卷绕机上进行，双层卷绕机一层卷绕一面涂覆正极活性物质层的集流体，另一层反转卷绕分离膜；然后在原来粘贴分离膜的一面上喷涂正极浆料，涂覆厚度为120μm，干燥后在集流体的该表面形成一层正极活性物质层，制得正极片；

2)通过叠片机，按照负极片、隔膜、正极片、隔膜…的顺序依次叠片，叠片层数为20层，制得半电芯；取两个半电芯，在两个半电芯之间夹设锂网，并使用胶带将两个半电芯及锂网缠绕，制得锂离子电池用电芯。

本实施例的锂离子电池使用上述锂离子电池用电芯制成。

实施例2

本实施例的锂离子电池用电芯包括两个半电芯以及夹设在两个半电芯之间的锂网，锂网的网孔率为20％，孔径为20μm，半电芯由正极片、隔膜、负极片、隔膜依次叠放构成，正极片包括正极集流体以及涂覆在正极集流体两面的正极活性物质层，正极集流体为网状铝箔，网状铝箔的厚度为15μm，网孔率为40％，孔径为20μm，正极活性物质层包括正极活性物质、导电剂及粘结剂，正极活性物质为三元正极材料；负极片包括负极集流体以及涂覆在负极集流体两面的负极活性物质层，负极集流体为网状铜箔，网状铜箔的厚度为8μm，网孔率为40％，孔径为20μm，负极活性物质层包括负极活性物质、导电剂及粘结剂，负极活性物质为天然石墨；所述正极集流体和负极集流体上都仅在涂覆电极活性物质层的区域设置为网状结构，没有涂覆电极活性物质的区域为实心结构。

上述锂离子电池用电芯的制备方法包括如下步骤：

1)将天然石墨、导电剂、粘结剂分散在溶剂中制得负极浆料，在负极集流体网状铜箔的背面粘贴一层厚度为20μm的聚四氟乙烯膜作为分离膜，然后在集流体的正面喷涂负极浆料，涂覆厚度为80μm，干燥后在集流体表面形成一层负极活性物质层，然后将分离膜去除，具体的，分离膜的去除采用双层卷绕机上进行，双层卷绕机一层卷绕一面涂覆负极活性物质层的集流体，另一层反转卷绕分离膜；然后在原来粘贴分离膜的一面上喷涂负极浆料，涂覆厚度为80μm，干燥后在集流体的该表面形成一层负极活性物质层，制得负极片；

将三元正极材料、导电剂、粘结剂分散在溶剂中制得正极浆料，在正极集流体网状铝箔的背面粘贴一层厚度为20μm的聚四氟乙烯膜作为分离膜，然后在集流体的正面喷涂正极浆料，涂覆厚度为100μm，干燥后在集流体表面形成一层正极活性物质层，然后将分离膜去除，具体的，分离膜的去除采用双层卷绕机上进行，双层卷绕机一层卷绕一面涂覆正极活性物质层的集流体，另一层反转卷绕分离膜；然后在原来粘贴分离膜的一面上喷涂正极浆料，涂覆厚度为100μm，干燥后在集流体的该表面形成一层正极活性物质层，制得正极片；

2)通过叠片机，按照负极片、隔膜、正极片、隔膜…的顺序依次叠片，叠片层数为20层，制得半电芯；取两个半电芯，在两个半电芯之间夹设锂网，并使用胶带将两个半电芯及锂网缠绕，制得锂离子电池用电芯。

本实施例的锂离子电池使用上述锂离子电池用电芯制成。

实施例3

本实施例的锂离子电池用电芯包括两个半电芯以及夹设在两个半电芯之间的锂网，锂网的网孔率为50％，孔径为100μm，半电芯由正极片、隔膜、负极片、隔膜依次叠放构成，正极片包括正极集流体以及涂覆在正极集流体两面的正极活性物质层，正极集流体为网状铝箔，网状铝箔的厚度为25μm，网孔率为50％，孔径为100μm，正极活性物质层包括正极活性物质、导电剂及粘结剂，正极活性物质为三元正极材料；负极片包括负极集流体以及涂覆在负极集流体两面的负极活性物质层，负极集流体为网状铜箔，网状铜箔的厚度为20μm，网孔率为50％，孔径为100μm，负极活性物质层包括负极活性物质、导电剂及粘结剂，负极活性物质为天然石墨；所述正极集流体和负极集流体上都仅在涂覆电极活性物质层的区域设置为网状结构，没有涂覆电极活性物质的区域为实心结构。

上述锂离子电池用电芯的制备方法包括如下步骤：

1)将天然石墨、导电剂、粘结剂分散在溶剂中制得负极浆料，在负极集流体网状铜箔的背面粘贴一层厚度为200μm的聚酰胺酰亚胺膜作为分离膜，然后在集流体的正面喷涂负极浆料，涂覆厚度为120μm，干燥后在集流体表面形成一层负极活性物质层，然后将分离膜去除，具体的，分离膜的去除采用双层卷绕机上进行，双层卷绕机一层卷绕一面涂覆负极活性物质层的集流体，另一层反转卷绕分离膜；然后在原来粘贴分离膜的一面上喷涂负极浆料，涂覆厚度为120μm，干燥后在集流体的该表面形成一层负极活性物质层，制得负极片；

将三元正极材料、导电剂、粘结剂分散在溶剂中制得正极浆料，在正极集流体网状铝箔的背面粘贴一层厚度为200μm的聚酰胺酰亚胺膜作为分离膜，然后在集流体的正面喷涂正极浆料，涂覆厚度为150μm，干燥后在集流体表面形成一层正极活性物质层，然后将分离膜去除，具体的，分离膜的去除采用双层卷绕机上进行，双层卷绕机一层卷绕一面涂覆正极活性物质层的集流体，另一层反转卷绕分离膜；然后在原来粘贴分离膜的一面上喷涂正极浆料，涂覆厚度为150μm，干燥后在集流体的该表面形成一层正极活性物质层，制得正极片；

2)通过叠片机，按照负极片、隔膜、正极片、隔膜…的顺序依次叠片，叠片层数为20层，制得半电芯；取两个半电芯，在两个半电芯之间夹设锂网，并使用胶带将两个半电芯及锂网缠绕，制得锂离子电池用电芯。

本实施例的锂离子电池使用上述锂离子电池用电芯制成。

实施例4

本实施例的锂离子电池用电芯包括电芯基体以及设置在电芯基体中的锂片，电芯基体由正极片、隔膜、负极片、隔膜依次叠放构成，锂片为一片，设置在电芯基体中靠近中心处的一片负极片与隔膜之间，正极片包括正极集流体以及涂覆在正极集流体两面的正极活性物质层，正极集流体为网状铝箔，网状铝箔的厚度为25μm，网孔率为50％，孔径为100μm，正极活性物质层包括正极活性物质、导电剂及粘结剂，正极活性物质为三元正极材料；负极片包括负极集流体以及涂覆在负极集流体两面的负极活性物质层，负极集流体为网状铜箔，网状铜箔的厚度为20μm，网孔率为50％，孔径为100μm，负极活性物质层包括负极活性物质、导电剂及粘结剂，负极活性物质为天然石墨；所述正极集流体和负极集流体上都仅在涂覆电极活性物质层的区域设置为网状结构，没有涂覆电极活性物质的区域为实心结构。

上述锂离子电池用电芯的制备方法包括如下步骤：

1)将天然石墨、导电剂、粘结剂分散在溶剂中制得负极浆料，在负极集流体网状铜箔的背面粘贴一层厚度为200μm的聚乙烯醇膜作为分离膜，然后在集流体的正面喷涂负极浆料，涂覆厚度为120μm，干燥后在集流体表面形成一层负极活性物质层，然后将分离膜去除，具体的，分离膜的去除采用拉力机将分离膜从集流体上揭下；然后在原来粘贴分离膜的一面上喷涂负极浆料，涂覆厚度为120μm，干燥后在集流体的该表面形成一层负极活性物质层，制得负极片；

将三元正极材料、导电剂、粘结剂分散在溶剂中制得正极浆料，在正极集流体网状铝箔的背面粘贴一层厚度为200μm的聚乙烯醇膜作为分离膜，然后在集流体的正面喷涂正极浆料，涂覆厚度为150μm，干燥后在集流体表面形成一层正极活性物质层，然后将分离膜去除，具体的，分离膜的去除采用拉力机将分离膜从集流体上揭下；然后在原来粘贴分离膜的一面上喷涂正极浆料，涂覆厚度为150μm，干燥后在集流体的该表面形成一层正极活性物质层，制得正极片；

2)通过叠片机，按照负极片、隔膜、正极片、隔膜…的顺序依次叠片，叠片层数为40层，制得电芯基体；在电芯基体靠近中心位置的一片负极片与隔膜之间夹设锂片，并使用胶带将电芯，制得锂离子电池用电芯。

本实施例的锂离子电池使用上述锂离子电池用电芯制成。

对比例

如图2所示，本对比例的锂离子电池用电芯由正极片1、隔膜2、负极片3、隔膜依次叠放构成，正极片1包括正极集流体10以及涂覆在正极集流体两面的正极活性物质层12，正极集流体为铝箔，铝箔的厚度为20μm，正极活性物质层包括正极活性物质、导电剂及粘结剂，正极活性物质为磷酸铁锂正极材料；负极片3包括负极集流体30以及涂覆在负极集流体两面的负极活性物质层32，负极集流体为铜箔，铜箔的厚度为12μm，负极活性物质层包括负极活性物质、导电剂及粘结剂，负极活性物质为人造石墨。

上述锂离子电池用电芯的制备方法包括如下步骤：

1)将人造石墨、导电剂、粘结剂分散在溶剂中制得负极浆料，在负极集流体铜箔的两面涂覆负极浆料，涂覆厚度为120μm，干燥后在集流体的两个表面形成负极活性物质层，制得负极片；

将磷酸铁锂正极材料、导电剂、粘结剂分散在溶剂中制得正极浆料，在正极集流体铝箔的两面涂覆正极浆料，涂覆厚度为150μm，干燥后在集流体的两个表面形成正极活性物质层，制得正极片；

2)通过叠片机，按照负极片、隔膜、正极片、隔膜…的顺序依次叠片，叠片层数为40层，制得锂离子电池用电芯。

本实施例的锂离子电池使用上述锂离子电池用电芯制成。

试验例

实施例1-4及对比例中制得的锂离子电池均为5Ah软包电池，其电解液中，电解质为LiPF₆，浓度为1.0mol/L，溶剂为碳酸乙烯酯与碳酸二乙酯按照体积比1:1混合得到的混合溶剂。

在温度为25±3℃下，以1.0C倍率充电，1.0C倍率放电，进行循环性能测试。

表1实施例1-4及对比例中的锂离子电池的电化学性能对比

由表1可以看出，本发明的锂离子电池的循环性能明显由于对比例，其原因可能为，锂离子电池循环过程中形成的SEI消耗一部分锂离子造成循环性能下降，而锂片或者锂网可以及时补充充放电过程中消耗的锂离子，并因此提高电池的循环性能。同时通过锂片或锂网层可以提高锂离子电池的容量，并因此提高锂离子电池的能量密度。

由图1和图2可以看出，本发明的锂离子电池采用网状集流体，可以使电池体系中的锂离子在正负极极片和隔膜之间自由移动，不会造成电池体系内溶液的浓度差，并缩短了充放电过程中锂离子的迁移距离。而采用实心集流体，锂离子只能在正负极之间移动，容易造成由于极片涂覆厚度的不同造成锂离子的数量分布不同，导致不同正负极片之间的锂离子的数量及其浓度不同造成的浓度差，降低锂离子电池的循环性能。

Claims (10)

1.一种锂离子电池用电芯，所述电芯包括极片以及设置在极片之间的锂片，所述极片包括集流体以及涂覆在集流体表面的电极活性物质层，其特征在于，所述集流体具有网状结构。

2.如权利要求1所述的锂离子电池用电芯，其特征在于，所述集流体的网孔率为40-50％。

3.如权利要求1所述的锂离子电池用电芯，其特征在于，所述集流体上的网孔孔径为20-100μm。

4.如权利要求1所述的锂离子电池用电芯，其特征在于，所述锂片具有网状结构。

5.如权利要求1所述的锂离子电池用电芯，其特征在于，所述极片包括正极片和负极片，所述电芯包括两个半电芯，所述半电芯由正极片、隔膜、负极片依次交替设置构成，所述锂片设置在两个半电芯之间

6.如权利要求1所述的锂离子电池用电芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在集流体一面粘贴分离膜，然后在集流体的另一面喷涂电极活性物质浆料，干燥形成电极活性物质层，将分离膜与集流体分离，在集流体与分离膜对应的一面喷涂电极活性物质，干燥形成电极活性物质层，制得极片；

2)将步骤1)中制得的极片与隔膜叠片制得预制电芯，然后将锂片插入极片之间，制得锂离子电池用电芯。

7.如权利要求6所述的锂离子电池用电芯的制备方法，其特征在于，步骤1)中分离膜与集流体的分离在双层卷绕机上进行，双层卷绕机的一层卷绕集流体，另一层反转卷绕分离膜。

8.如权利要求6所述的锂离子电池用电芯的制备方法，其特征在于，所述分离膜为芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚苯并咪唑、聚丙烯腈纳米纤维膜、聚酰胺酰亚胺中的一种。

9.如权利要求6所述的锂离子电池用电芯的制备方法，其特征在于，所述分离膜的厚度为20-200μm。

10.一种锂离子电池，其特征在于，采用如权利要求1所述的锂离子电池用电芯。