CN107819130B - 一种三维锂离子电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种三维锂离子电池及制备方法，用于锂离子电池制造。正极、负极分别用三维泡沫多孔铝、铝箔制作，其厚度0.1‑5mm，孔径0.05mm‑10mm，孔隙率30%‑80%。本发明以三维泡沫多孔结构铝、铜箔分别作为正、负极板骨架，以镍钴铝酸锂和镍钴锰酸锂一种或两种混合物作为正极材料，以硅碳负极和硅氧负极的一种或两种混合物作为负极材料，且在正、负极材料中添加纳米Al2O3进行掺杂包覆，以增大锂离子电池活性物质导电界面，减小界面电阻，提高电极倍率充放电性能，满足对动力电池快速充放电要求，能更充分发挥活性物质性能，增加极片制备厚度，提高电池能量密度,改变极片间电荷迁移路径，提高电池安全性能，降低电池制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是一种三维锂离子电池及制备方法。
背景技术
锂离子电池是一种高新技术产品，除用于IT行业配套外，主要用于矿车、电动汽车、电动自行车、电动摩托车、电动场地车、清洁能源存储等领域，其研发、生产和销售得到国家政策的大力支持，国内的产业链成熟，市场迅速增长，但目前使用的技术还是仅限于传统的二维平板电极锂离子电池制造。由于其能量密度低，造成驱动电车续航里程短，倍率性能差，充电时间长，安全性能差，循环寿命短等，制约了二维平板电极锂离子电池在能源输出和电动汽车产业方面的发展。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种三维锂离子电池及制备方法，以实现其高容量、高倍率、长寿命、高安全性能。
为实现上述发明目的，本发明的三维锂离子电池包括外壳、隔膜、负极片、正极片、正极耳、负极耳、电解液，其特征在于：所述正极片所用铝箔为三维泡沫多孔铝箔，负极片所用铜箔为三维泡沫多孔铜箔。
所述三维泡沫多孔铝箔是将铝箔制成三维泡沫多孔结构的铝箔，其厚度为0.1mm-5mm，孔径为0.05mm-10mm，孔隙率30%-80%；所述三维泡沫多孔铝箔是具有通孔的三维立体结构及毛细结构。
所述三维泡沫多孔铜箔是将铜箔制三维泡沫多孔结构的铜箔，其厚度为0.1mm-5mm，孔径为0.05mm-10mm，孔隙率为30%-80%；所述三维泡沫多孔铜箔是具有通孔的三维立体结构及毛细结构。
本发明的三维锂离子电池制备方法，其特征在于：正极片包括三维泡沫多孔铝箔、正极添加剂纳米Al2O3、高镍正极材料；负极片包括三维泡沫多孔铜箔、负极添加剂纳米Al2O3、硅负极材料。
所述高镍正极材料包括高镍含量的镍钴铝酸锂、高镍含量的镍钴锰酸锂中的一种或者两种混合物，其中Ni：Co：Mn或Al， Ni比例为80%以上。
所述硅负极材料包括硅碳负极、硅氧负极中的一种或者两种混合物。
本发明三维锂电池制备方法如下：
A、正极片制备方法：
A1、将高镍正极材料：90%-97%，正极添加剂纳米Al2O3：1%-2%，正极导电剂：1%-3%，正极粘合剂：1%-5%放入搅拌机桶内混合均匀，再按照40%-75%固含量加入N-甲基吡咯烷酮或者去离子水搅拌混合均匀配制得正极浆料；
A2、再将正极浆料按照40mg/cm2-60mg/cm2面密度重量均匀地涂敷在三维泡沫多孔铝箔上，经过涂布机烘箱烘干制备得面密度和厚度均匀的正极片（4）。
B、负极片制备方法：
B1、将硅负极材料：90%-95%，负极添加剂纳米Al2O3：1%-2%，负极导电剂：1%-3%，负极粘合剂：3%-5%放入搅拌机桶内混合均匀，再按照40%-75%固含量加入N-甲基吡咯烷酮或者去离子水搅拌混合均匀配制得负极浆料；
B2、再将负极浆料按照10mg/cm2-30mg/cm2面密度重量均匀地涂敷在三维泡沫多孔铜箔上，经过涂布机烘箱烘干制备得面密度和厚度均匀的负极片。
C、按照A、B步骤方法制备得合格的正极片和负极片，经过辊压、制片工序后，采用隔膜隔离正极片和负极片进行叠片或卷绕制备得电芯，将电芯放入外壳内，再经过烘烤去除水分，将电解液注入外壳内，再经封口、化成、检测工序制备得高容量、高倍率、高安全、长循环的三维锂离子电池。
所述正极导电剂为电石墨、乙炔黑、纳米银粉、碳纳米管、石墨稀一种或者两混合物，正极粘合剂为聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶的一种或者几种混合物；负极导电剂为电石墨、乙炔黑、纳米银粉、碳纳米管、石墨稀的一种或者几种混合物，负极粘合剂为偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶的一种或者几种混合物。
本发明以三维泡沫多孔结构铝、铜箔分别作为锂离子电池正、负极板骨架；以高镍含量的镍钴铝酸锂和镍钴锰酸锂中的一种或两种混合物作为正极材料，以硅碳负极和硅氧负极中的一种或两种混合物作为负极材料，并且在正、负极材料中添加纳米Al2O3进行掺杂包覆，从而增大锂离子电池活性物质导电界面，减小界面电阻，提高电极的倍率充放电性能，满足对动力电池快速充放电要求，能够更充分发挥活性物质性能，增加极片制备厚度，提高电池能量密度及电池安全性能，改变极片间电荷迁移路径，降低电池制造成本。
附图说明
图1为本发明的结构简图。
图2为图1的正极片结构简图。
图3为图1的负极片结构简图。
图4为本发明的电池倍率放电曲线图。
图5为本发明的1C充放电循衰减趋势示意图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本发明包括外壳1、隔膜2、负极片3、正极片4、正极耳5、负极耳6、电解液7，所述正极片4所用铝箔为三维泡沫多孔铝箔，负极片3所用铜箔为三维泡沫多孔铜箔。
所述三维泡沫多孔铝箔是将铝箔制成三维泡沫多孔的结构铝箔，其厚度为0.1mm-5mm，孔径为0.05mm-10mm，孔隙率30%-80%；所述三维泡沫多孔铝箔是具有通孔的三维立体结构及很好的毛细结构、超大的比表面积、良好的力学及加工性能、优良的导电及热传导性能的金属材料。
所述三维泡沫多孔铜箔是将铜箔制三维泡沫多孔结构铜箔，其厚度为0.1mm-5mm，孔径为0.05mm-10mm，孔隙率为30%-80%；所述三维泡沫多孔铜箔是具有通孔的三维立体结构及很好的毛细结构、超大的比表面积、良好的力学及加工性能、优良的导电及热传导性能的金属材料。
实施例1
A、正极片4制备方法：
A1、将镍钴铝酸锂（NCA）97%，正极添加剂纳米Al2O31%，正极导电剂1%，正极粘合剂1%配比重量加入搅拌机桶内混合均匀，再按照40%固含量的重量加入N-甲基吡咯烷酮（NMP），搅拌混合均匀配制得正极浆料；
A2、再采用涂布机，将正极浆料按照40mg/cm2面密度重量均匀地涂敷在厚度为0.1mm、孔径为0.05mm、孔隙率为80%的三维泡沫多孔铝箔上，经过涂布机烘箱烘干制备得面密度和厚度均匀的正极片。
B、负极片3制备方法：
B1、将硅碳负极材料（Si-C）95%，负极添加剂纳米Al2O31%，负极导电剂1%，负极粘合剂3%配比重量加入搅拌机桶内混合均匀，再按照40%固含量加入者去离子水（DI Water）搅拌混合均匀配制得负极浆料；
B2、再将负极浆料按照10mg/cm2面密度重量均匀地涂敷在厚度为0.1mm、孔径为0.05mm，孔隙率80%的三维泡沫多孔铜箔上，经过涂布机烘箱烘干制备得面密度和厚度均匀的负极片。
C、按照A、B步骤方法制备得合格的正极片4和负极片3，经过辊压、制片、采用隔膜2隔离正极片4和负极片3进行叠片或卷绕制备得电芯，将电芯放入外壳1内，再经过烘烤去除水分，将电解液7注入外壳1内，再经封口、化成、检测等工序制备得7568132三维锂离子电池，其1C放电容量为10Ah，能量密度为300Wh/Kg以上。
实施例2
A、正极片4制备方法：
A1、将镍钴锰酸锂（NCM）94%，正极添加剂纳米Al2O31.5%，正极导电剂2%，正极粘合剂2.5%配比重量加入搅拌机桶内混合均匀，再按照55%固含量的重量加入N-甲基吡咯烷酮（NMP），搅拌混合均匀配制得正极浆料；
A2、再采用涂布机，将正极浆料按照50mg/cm2面密度重量均匀地涂敷在厚度为2mm、孔径为5mm、孔隙率为50%的三维泡沫多孔铝箔上，经过涂布机烘箱烘干制备得面密度和厚度均匀的正极片4。
B、负极片3制备方法：
B1、将硅氧负极材料（SiO）93.5%，负极添加剂纳米Al2O31.5%，负极导电剂2%，负极粘合剂4%配比重量加入搅拌机桶内混合均匀，再按照55%固含量加入者去离子水（DIWater）搅拌混合均匀配制得负极浆料；
B2、再将负极浆料按照20mg/cm2面密度重量均匀地涂敷在厚度为2mm、孔径为5mm、孔隙率为50%的三维泡沫多孔铜箔上，经过涂布机烘箱烘干制备得面密度和厚度均匀的负极片3。
C、按照A、B步骤方法制备得合格的正极片4和负极片3，经过辊压、制片、采用隔膜2隔离正极片4和负极片3进行叠片或卷绕制备得电芯，将电芯放入外壳1内，再经过烘烤去除水分，将电解液7注入壳内，再经封口、化成、检测等工序制备得7568132三维锂离子电池，其10C放电是1C放电的99%以上，20C放电是1C放电的98%以上，30C放电是1C放电的放出97%以上。
实施例3
A、正极片4制备方法：
A1、将镍钴铝酸锂（NCA）和镍钴锰酸锂（NCM）比例为1：1的混合物90%，正极添加剂纳米Al2O32%，正极导电剂3%，正极粘合剂5%配比重量加入搅拌机桶内混合均匀，再按照68%固含量的重量加入N-甲基吡咯烷酮（NMP），搅拌混合均匀配制得正极浆料；
A2、再采用涂布机，将正极浆料按照60mg/cm2面密度重量均匀地涂敷在厚度为5mm、孔径为10mm，孔隙率30%的三维泡沫多孔铝箔上，经过涂布机烘箱烘干制备得面密度和厚度均匀的正极片4。
B、负极片3制备方法：
B1、将硅碳负极材料（Si-C）和硅氧负极材料（SiO）比例为1：1的混合物90%，负极添加剂纳米Al2O32%，负极导电剂3%，负极粘合剂5%配比重量加入搅拌机桶内混合均匀，再按照43%固含量加入者去离子水（DI Water）搅拌混合均匀配制得负极浆料；
B2、再将负极浆料按照30mg/cm2面密度重量均匀地涂敷在厚度为5mm、孔径为10mm、孔隙率为30%的三维泡沫多孔铝箔上，经过涂布机烘箱烘干制备得面密度和厚度均匀的负极片3。
C、按照A、B步骤方法制备得合格的正极片4和负极片3，经过辊压、制片、采用隔膜2隔离正极片4和负极片3进行叠片或卷绕制备得电芯，将电芯放入外壳1内，再经过烘烤去除水分，将电解液7注入外壳1内，再经封口、化成、检测等工序制备得7568132三维锂离子电池，其10Ah电池检测，循环寿命2140次容量还剩余85%以上，针刺、过充、过放、短路、重物冲击不起火，不爆炸，所以此三维锂离子电池具有长循环寿命和高安全性能。
以上述方法制作的三维锂离子电池进行检测结果，结合图 4、图5得知，采用三维泡沫多孔铝箔、三维泡沫多孔铜箔、高镍正极材料、硅负极材料及纳米纳米Al2O3方法制作出的三维锂离子电池，具有高容量、高倍率、长循环、高安全等特性，而且制作工艺简易，容易实现产业。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (4)
1.一种三维锂离子电池制备方法，包括外壳（1）、隔膜（2）、负极片（3）、正极片（4）、正极耳（5）、负极耳（6）、电解液（7），其特征在于：所述正极片（4）所用铝箔为三维泡沫多孔铝箔，负极片（3）所用铜箔为三维泡沫多孔铜箔；
所述三维泡沫多孔铝箔是将铝箔制成三维泡沫多孔结构的铝箔，其厚度为0.1mm-5mm，孔径为0.05mm-10mm，孔隙率30%-80%；所述三维泡沫多孔铝箔是具有通孔的三维立体结构及毛细结构；
所述三维泡沫多孔铜箔是将铜箔制三维泡沫多孔结构的铜箔，其厚度为0.1mm-5mm，孔径为0.05mm-10mm，孔隙率为30%-80%；所述三维泡沫多孔铜箔是具有通孔的三维立体结构及毛细结构；
所述正极片包括三维泡沫多孔铝箔、正极添加剂纳米Al2O3、高镍正极材料；负极片包括三维泡沫多孔铜箔、负极添加剂纳米Al2O3、硅负极材料；
所述高镍正极材料包括高镍含量的镍钴铝酸锂、高镍含量的镍钴锰酸锂中的一种或者两种混合物，其中Ni：Co：Mn或Al， Ni比例为80%以上。
2.根据权利要求1所述的一种三维锂离子电池制备方法，其特征在于：所述硅负极材料包括硅碳负极、硅氧负极中的一种或者两种混合物。
3.根据权利要求1所述的一种三维锂离子电池制备方法，其特征在于：三维锂电池制备方法如下：
A、正极片（4）制备方法：
A1、将高镍正极材料：90%-97%，正极添加剂纳米Al2O3：1%-2%，正极导电剂：1%-3%，正极粘合剂：1%-5%放入搅拌机桶内混合均匀，再按照40%-75%固含量加入N-甲基吡咯烷酮或者去离子水搅拌混合均匀配制得正极浆料；
A2、再将正极浆料按照40mg/cm2-60mg/cm2面密度重量均匀地涂敷在三维泡沫多孔铝箔上，经过涂布机烘箱烘干制备得面密度和厚度均匀的正极片（4）；
B、负极片（3）制备方法：
B1、将硅负极材料：90%-95%，负极添加剂纳米Al2O3：1%-2%，负极导电剂：1%-3%，负极粘合剂：3%-5%放入搅拌机桶内混合均匀，再按照40%-75%固含量加入N-甲基吡咯烷酮或者去离子水搅拌混合均匀配制得负极浆料；
B2、再将负极浆料按照10mg/cm2-30mg/cm2面密度重量均匀地涂敷在三维泡沫多孔铜箔上，经过涂布机烘箱烘干制备得面密度和厚度均匀的负极片（3）；
C、按照A、B步骤方法制备得合格的正极片（4）和负极片（3），经过辊压、制片工序后，采用隔膜（2）隔离正极片（4）和负极片（3）进行叠片或卷绕制备得电芯，将电芯放入外壳（1）内，再经过烘烤去除水分，将电解液（7）注入外壳（1）内，再经封口、化成、检测工序制备得高容量、高倍率、高安全、长循环的三维锂离子电池。
4.根据权利要求3所述的一种三维锂离子电池制备方法，其特征在于：所述正极导电剂为电石墨、乙炔黑、纳米银粉、碳纳米管、石墨烯一种或者几种混合物，正极粘合剂为聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶一种或者几种混合物；负极导电剂为电石墨、乙炔黑、纳米银粉、碳纳米管、石墨烯一种或者几种混合物，负极粘合剂为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶一种或者几种混合物。
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