CN106602124A - 一种堆叠型电极组件及其制备方法、锂电池、电池模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种堆叠型电极组件及其制备方法、锂电池、电池模块，属于锂电池领域。本发明的堆叠型电极组件，包括堆叠设置的A型电池组件和B型电池单元，A型电池组件包括一个或者堆叠设置的两个以上的A型电池单元；A型电池单元包括一个或者堆叠设置的两个以上的A型电极对；A型电极对由隔离器、阳极电极片、阴极电极片按照“隔离器‑阳极电极片‑隔离器‑阴极电极片”的顺序堆叠而成，A型电池组件中的A型电极对均以阴极电极片靠近B型电池单元的方式设置；B型电池单元由隔离器、阳极电极片按照“隔离器‑阳极电极片‑隔离器”的顺序堆叠而成。本发明利用热压技术将堆叠后的隔离器与阴电极和阳电极粘合在一起，提高了电池生产的效率。

Description

一种堆叠型电极组件及其制备方法、锂电池、电池模块

技术领域

本发明涉及一种堆叠型电极组件及其制备方法、锂电池、电池模块，属于锂电池领域。

背景技术

锂电池具有工作电压高、没有记忆功能、循环寿命长等优点。锂电池在作为大型装置和小型移动装置电源得到迅速发展。

堆叠型电极组件是锂电池领域电芯结构的主要结构之一。然而现有技术中，当锂电池重复进行充放电后，将会导致电极组件内的电极与隔离器之间会存在少许间歇，使电极与隔离器的界面不能充分的接触，会直接导致锂电池的容量和性能迅速地变差。

与此同时，在传统的堆叠型电极组件的制备方法中，通常是采用以单独的正极片、隔膜、负极片作为堆叠单元进行堆叠，此方法生产效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种堆叠型电极组件，以提高锂电池的生产效率。

本发明的目的还在于提供上述堆叠型电极组件的制备方法及使用上述堆叠型电极组件的锂电池。

发明的目的还在于提供一种由上述锂电池组成的电池模块。

为了实现上述目的，本发明的堆叠型电极组件的技术方案如下：

一种堆叠型电极组件，所述电极组件包括堆叠设置的A型电池组件和B型电池单元，所述A型电池组件包括一个或者堆叠设置的两个以上的A型电池单元；所述A型电池单元包括一个或者堆叠设置的两个以上的A型电极对；所述A型电极对由隔离器、阳极电极片、阴极电极片按照“隔离器-阳极电极片-隔离器-阴极电极片”的顺序堆叠而成，所述A型电池组件中的A型电极对均以阴极电极片靠近B型电池单元的方式设置；所述B型电池单元由隔离器、阳极电极片按照“隔离器-阳极电极片-隔离器”的顺序堆叠而成。

优选的，上述A型电池单元仅包括一个A型电极对。

上述阳极电极片和阴极电极片大小相等。

上述隔离器表层涂敷有热熔粘结剂层。

上述热熔剂粘结剂层为乙烯-醋酸乙烯共聚物。

上述A型电池组件中A型电池单元的数量为3个以上。优选为3层。

本发明的堆叠型电极组件的制备方法的技术方案如下：

上述的堆叠型电极组件的制备方法，包括以下步骤：

将B型电池单元靠近A型电池单元中的阴极电极片使A型电池单元与B型电池单元叠放，热压，即得；

或者将两个以上的A型电池单元同向堆叠，形成A型电池组件，然后将B型电池单元叠放在A型电池组件外侧具有阴极极片的一端，热压，即得；

上述A型电池单元的制备方法包括以下步骤：

将阳极电极片沿隔离器延伸方向依次间隔设置在第一隔离器上，然后在阳极电极片上设置第二隔离器将阳极电极片覆盖，在第二隔离器上沿隔离器延伸方向依次间隔设置阴极电极片并使阴极电极片的位置与阳极电极片的位置一一对应，热压，使隔离器与阳极电极片及隔离器与阴极电极片粘合在一起，将相邻两个阳极电极片之间的隔离器及相邻两个阴极电极片之间的隔离器切断，即得。

上述B型电池单元的制备方法包括以下步骤：

将阳极电极片沿隔离器延伸方向依次间隔设置在下层隔离器上，然后在阳极电极片上设置上层隔离器并将阳极电极片覆盖，热压，使隔离器与阳极电极片粘合在一起，将相邻两个阳极电极片之间的隔离器切断，即得。

上述隔离器表层涂敷有热熔粘结剂层。

上述隔离膜的粘结剂层的成分为乙烯-醋酸乙烯共聚物。

上述粘结剂层厚度为2～10μm。

上述隔离器为聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚乙烯膜和聚丙烯复合膜、聚合物电解质膜中的任意一种。

上述聚合物电解质膜的基膜由偏二氟乙烯、丙烯腈、环氧乙烷、六氟丙烯中的一种或两种以上聚合制成。具体的，可以采用上述单体中的一种均聚而成，或者采用其中的两种以上共聚而成。优选的，采用偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物。

上述A型电池组件中A型电池单元的数量为3个以上。优选为3个。

上述阳极电极片由包括以下制备步骤的制备方法制得：

在阳极电流集流体上涂敷阳极活性材料后经碾压制成阳极电极片。

上述阴极电极片由包括以下制备步骤的制备方法制得：

在阴极电流集流体上涂敷阴极活性材料后经碾压制成阴极电极片。

上述隔离器的制备方法包括如下步骤：在隔离器上涂覆粘结液，干燥除去溶剂，从而制备出表面具有粘结剂层的隔离器。粘结液为将粘结剂在相应溶剂内溶解成的溶液。所述粘结剂为PVDF、HFD、PMMA、PEO或PMMA。

上述隔离器表层涂敷的粘结剂溶液在0～5V的电势范围内电化学性能是稳定的，不能与活性材料、电解质进行化学反应。

上述隔离器上下表面上先涂敷一层陶瓷，然后再涂敷粘结剂。

上述陶瓷层包含95％的α型氧化铝以及5％的聚丙烯酸酯组成。涂覆层单面厚度为2～5μm。

本发明的锂电池的技术方案如下：

一种锂电池，采用上述的堆叠型电极组件。

本发明的电池模块的技术方案如下：

一种采用上述的锂电池的电池模块。

本发明利用热压技术将堆叠后的电极组件的隔离器与阴电极和阳电极粘合在一起，使堆叠复合型电极组件的容量、性能和安全性都表现很好。

本发明的制备步骤，简洁有效，制备的电极组件性能稳定，适用于工业生产。

本发明所涂敷的粘合剂溶液在0～5V的电势范围内电化学性能是稳定的，不与活性材料、电解质进行化学反应。

附图说明

图1是本发明的堆叠型电极组件的结构示意图；

图2是本发明的堆叠型电极组件中的A型电池单元的结构示意图；

图3是本发明的堆叠型电极组件中的B型电池单元的结构示意图；

图4是本发明的堆叠型电极组件的制备方法中A型电池单元复合体的结构示意图；

图5是实施例1及对照组中的锂电池的循环性能曲线；

图6是实施例1及对照组中的锂电池的安全试验对比图；

其中200所示为阳极电极片，100所示为隔离器，300所示为阴极电极片。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

如图1-3所示，本实施例的堆叠型电极组件包括堆叠设置的A型电池组件和B型电池单元204，A型电池组件包括堆叠设置的三个A型电池单元，每一个A型电池单元中包括一个A型电极对，A型电池组件的结构为：处于最下层的A型电极对201、处于中间层的A型电极对202、处于最上层的A型电极对203；A型电极对由两层隔离器100、一层阳极电极片200及一层阴极电极片300组成，并按照“隔离器-阳极电极片-隔离器-阴极电极片”的顺序从下往上堆叠而成，其中隔离器为聚丙烯微孔膜，聚丙烯微孔膜的两个表面均涂覆有一层陶瓷层，陶瓷曾表面均涂覆有一层热熔粘结剂层；陶瓷层由均匀混合分散的95％的α型氧化铝以及5％的聚丙烯酸酯组成，陶瓷层的厚度为3μm，热熔粘结剂层的成分为乙烯-醋酸乙烯共聚物，粘结剂层的厚度为5μm；B型电池单元由隔离器、阳极电极片按照“隔离器-阳极电极片-隔离器”的顺序堆叠而成；A型电池组件中的A型电池单元同向设置，具体的，A型电池单元中设置阳极电极片的一端朝上，设置阴极电极片的一端朝下，B型电池单元设置在A型电池单元最上端的A型电池单元的上方，即在A型电池组件中，A型电池单元均以阴极电极片靠近B型电池单元的方式设置，以使堆叠型电极组件中极片和隔离器之间按照“隔离器-阳极电极片-隔离器-阴极电极片-隔离器-阳极电极片-…”的顺序排列，并使堆叠型电极组件中处于最外端的极片均为阳极电极片。阳极电极片和阴极电极片尺寸大小相等。

本实施例的堆叠型电极组件的制备方法包括如下步骤：

1)阳极电极片的制备

将由阳极活性材料、导电剂、粘合剂、溶剂形成的混合物均匀地涂敷到阳极电流集流体上，并通过干燥设备除去混合物中的溶剂，然后再对涂敷有阳极活性材料混合物的阳极电流集流体进行碾压制成阳极，然后将阳极按预定尺寸进行裁切，制得多个相同尺寸的阳极电极片；

2)阴极电极片的制备

首先将由阴极活性材料、导电剂、粘合剂、溶剂形成的混合物均匀地涂敷到阴极电流集流体上，并通过干燥设备除去混合物中的溶剂，然后再对涂敷有阴极活性材料混合物的阴极电流集流体进行碾压制成阴极片，将阴极电极片按预定尺寸进行裁切，制得多个相同尺寸的阴极电极片；

制作时，设定阴极电极片的尺寸与阳极电极片的尺寸相同；

3)隔离器的制备

将陶瓷混合料和溶剂均匀混合制得陶瓷浆料，陶瓷混合料由95％的α型氧化铝以及5％的聚丙烯酸酯组成，溶剂为现有技术中分散陶瓷料常用的溶剂，本实施例中为去离子水，在聚丙烯微孔膜隔离器的两个表面上涂敷陶瓷浆料，干燥形成陶瓷层，然后在每一个陶瓷层表面涂覆粘结剂溶液，干燥形成粘结剂层，制得隔离器，粘结剂溶液由粘结剂和相应溶剂均匀混合得到，粘结剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物，溶剂为去离子水；本实施例所涂敷的粘合剂溶液在0～5V的电势范围内电化学性能是稳定的，不与活性材料、电解质进行化学反应。

4)A型电池单元的制备

A型电池单元由隔离器100、阳极200、隔离器100、阴极300依次上下堆叠后经加热、加压粘合而成，具体步骤为：

取上述隔离器平铺，取上述尺寸大小相等阳极电极片和阴极电极片，将阳极电极片按照设定间隔距离依次间隔铺设在隔离器表面上，然后在这些阳极电极片的上表面上铺设另一层上述隔离器，使两层隔离器将所有的阳极电极片夹设在中间，然后将阴极电极片依次间隔铺设在上层隔离器上表面，并使阴极电极片的位置与阳极电极片的位置一一对应；在10MPa的压力、100℃的温度下热压，使隔离器与阳极电极片、隔离器与阴极电极片粘结在一起，制得A型电池单元复合体，如图4所示；

将A型电池单元复合体中处于相邻两个阳极电极片之间的上下两层隔离器沿极片间隔的中线裁切断开，制得A型电池单元；

5)B型电池单元的制备

取上述隔离器平铺，将上述阳极电极片按照设定间隔距离依次间隔铺设在隔离器表面上，然后在这些阳极电极片的上表面上铺设另一层上述隔离器，使两层隔离器将所有的阳极电极片夹设在中间，在10MPa的压力、100℃的温度下热压，使隔离器与阳极电极片粘结在一起，制得B型电池单元复合体；将B型电池单元复合体中处于相邻两个阳极电极片之间的上下两层隔离器沿极片间隔的中线裁切断开，制得B型电池单元；

6)堆叠电极组件的制备

将3个A型电池单元从下向上依次叠放，每一个A型电池单元均使设置有阳极电极片的一端朝上设置，3个A型电池单元叠放完毕后，在最上方的A型电池单元的上端的阴极电极片上方放置一个B型电池；在50MPa的压力、80℃的温度下热压，A型电池单元和B型电池单元粘结在一起，制得堆叠型电极组件。

本实施例的锂电池由包括如下步骤的制备方法制得：

将上述堆叠型电极组件装入铝塑膜电池壳，注液，封口，化成，制得软包锂电池。

本实施例的电池模块由包括如下步骤的制备方法制得：

将上述锂电池进行成组制成电池模块。

实施例2

本实施例的堆叠型电极组件中，隔离膜的粘结剂层的成分为乙烯-醋酸乙烯共聚物，粘结剂层的厚度为10μm，陶瓷层的厚度为5μm。相应的，在堆叠型电极组件的制备方法的实施例中也进行相应的调整。A型电池单元、B型电池单元制备时热压的压力为50MPa、温度为80℃，电极组件制备时热压的压力为100MPa、温度为60℃。

其他的均与实施例1中的相同。

实施例3

本实施例的堆叠型电极组件中，隔离膜的粘结剂层的成分为乙烯-醋酸乙烯共聚物，粘结剂层的厚度为2μm，陶瓷层的厚度为2μm。相应的，在堆叠型电极组件的制备方法的实施例中也进行相应的调整。A型电池单元、B型电池单元制备时热压的压力为100MPa、温度为60℃，电极组件制备时热压的压力为10MPa、温度为100℃。

其他的均与实施例1中的相同。

实施例4

本实施例的堆叠型电极组件中，隔离膜表面不设置陶瓷层，直接在聚丙烯微孔膜表面涂覆粘结剂层，隔离膜的粘结剂层的成分为乙烯-醋酸乙烯共聚物，其他的均与实施例1中的相同。

实施例5

本实施例的堆叠型电极组件中，A型电池组件中A型电池单元的数量为5个，隔离膜为聚乙烯微孔膜，其表面不设置陶瓷层和粘结剂层，其他的均与实施例1中的相同。

实施例6

本实施例的堆叠型电极组件中，A型电池组件中A型电池单元的数量为5个，隔离膜为聚乙烯微孔膜，粘结剂层位PEO，其他的均与实施例1中的相同。

实施例7

本实施例的堆叠型电极组件中，A型电池组件中A型电池单元的数量为4个，隔离膜为基膜为偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的聚合物电解质膜，其他的均与实施例1中的相同。

实施例8

本实施例的堆叠型电极组件包括堆叠设置的A型电池组件和B型电池单元，A型电池组件包括堆叠设置的三个A型电池单元，每一个A型电池单元中包括两个A型电极对，这样在A型电池组件中就包括六个A型电极对，其他的均与实施例1中的相同。

试验例

取实施例1-4中制得的锂电池作为实验组，同时取4个采用现有技术中常规叠片方式制得的锂电池作为对照组，测试其首次放电容量、循环性能、安全性能指标。

(1)容量测试

将实施例1-4中制得的锂电池及对照组锂电池在23±2℃条件下采用1C充电，1C倍率放电，测得电池的放电容量，测试结果如表1所示。

表1实验组与对照组锂电池的容量对比

由表1可以看出，实验组与对照组在容量发挥方面没有太大差异，即本发明的锂电池的电池容量与现有技术中的锂电池相比，没有显著降低，本发明采用的在隔离器表面设置陶瓷层和粘结剂层的方式对电池容量的影响较小。

(2)循环性能测试

将实施例1-4中制得的锂电池及对照组锂电池在23±2℃的条件下，采用2C倍率进行充放电循环(100％DOD)，测试其电池寿命，循环1000次，容量保持率变化曲线如图5所示。

由图5可以看出，实验组和对照组的锂离子电池都有着优良的循环性能。

(3)安全性能

将实施例1-4中制得的锂电池及对照组锂电池充电至100％SOC，然后使用直径为5mm的不锈钢针贯穿电池，并在电池中停留1小时，测试结果如图6所示，图6中(a)为实施例1中的锂电池试验后的状态示意图，(b)为对照组1中的锂电池试验后的状态示意图。

由图6可以看出，实验组电池没有燃烧、爆炸，可以通过针刺测试。实验电池比对照组电池有着优良的安全性能。

Claims (10)

1.一种堆叠型电极组件，其特征在于，所述电极组件包括堆叠设置的A型电池组件和B型电池单元，所述A型电池组件包括一个或者堆叠设置的两个以上的A型电池单元；所述A型电池单元包括一个或者堆叠设置的两个以上的A型电极对；所述A型电极对由隔离器、阳极电极片、阴极电极片按照“隔离器-阳极电极片-隔离器-阴极电极片”的顺序堆叠而成，所述A型电池组件中的A型电极对均以阴极电极片靠近B型电池单元的方式设置；所述B型电池单元由隔离器、阳极电极片按照“隔离器-阳极电极片-隔离器”的顺序堆叠而成。

2.如权利要求1所述的堆叠型电极组件，其特征在于，所述阳极电极片和阴极电极片大小相等。

3.如权利要求1所述的堆叠型电极组件，其特征在于，所述隔离器表层涂敷有热熔粘结剂层，所述热熔粘结剂层为乙烯-醋酸乙烯共聚物。

4.如权利要求1所述的堆叠型电极组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将B型电池单元靠近A型电池单元中的阴极电极片使A型电池单元与B型电池单元叠放，热压，即得；

或者将两个以上的A型电池单元同向堆叠，形成A型电池组件，然后将B型电池单元叠放在A型电池组件外侧具有阴极极片的一端，热压，即得。

5.如权利要求4所述的堆叠型电极组件的制备方法，其特征在于，所述A型电池单元的制备方法包括以下步骤：

将阳极电极片沿隔离器延伸方向依次间隔设置在第一隔离器上，然后在阳极电极片上设置第二隔离器将阳极电极片覆盖，在第二隔离器上沿隔离器延伸方向依次间隔设置阴极电极片并使阴极电极片的位置与阳极电极片的位置一一对应，热压，使隔离器与阳极电极片及隔离器与阴极电极片粘合在一起，将相邻两个阳极电极片之间的隔离器及相邻两个阴极电极片之间的隔离器切断，即得。

6.如权利要求4所述的堆叠型电极组件的制备方法，其特征在于，所述B型电池单元的制备方法包括以下步骤：

将阳极电极片沿隔离器延伸方向依次间隔设置在下层隔离器上，然后在阳极电极片上设置上层隔离器并将阳极电极片覆盖，热压，使隔离器与阳极电极片粘合在一起，将相邻两个阳极电极片之间的隔离器切断，即得。

7.如权利要求4～6中任意一项所述的堆叠型电极组件的制备方法，其特征在于，所述隔离器为聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚乙烯膜和聚丙烯复合膜、聚合物电解质膜中的任意一种。

8.如权利要求7所述的堆叠型电极组件的制备方法，其特征在于，所述聚合物电解质膜的基膜由偏二氟乙烯、丙烯腈、环氧乙烷、六氟丙烯中的一种或两种以上聚合制成。

9.一种锂电池，其特征在于，采用如权利要求1所述的堆叠型电极组件。

10.一种采用如权利要求9所述的锂电池的电池模块。