CN108346804B - 一种多格电极片及含有该电极片的锂浆料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锂浆料电池多格电极片，包括表面集流层以及汇流格板，汇流格板设有多个相互独立的网格单元，网格单元为通孔或者为槽状非通孔，网格单元内填充有电极材料；该电极片设有多个网格单元用于填充电极材料，使得电极片由之前的四周边框单格结构变为现在的板框多格结构，在解决大面积厚极片浆料沉降问题的同时兼顾了电池大电流集流和极片平整性的需要，本发明还提供一种含有该电极片的锂浆料电池。
Description
技术领域
本发明属于化学电池技术，具体涉及一种锂浆料电池多格电极片以及含有该电极片的锂浆料电池。
背景技术
锂浆料电池是一种新型高能电池，其电极片内部的导电浆料含有一定比例在电解液中悬浮或沉淀的导电颗粒，当电池受到外部冲击或震荡时，由于此部分导电颗粒没有粘接固定，因此可以在电解液中移动，并形成动态的导电网络，其中的导电颗粒可以仅含有导电剂，也可以是活性材料与导电剂的复合颗粒。锂浆料电池在电动汽车以及大型储能领域应用时，提高电池单体容量是解决效率成本等问题的技术关键。锂浆料电池的极片很厚，四周采用边框结构固定，在长期使用过程中，极片内的浆料在重力作用下会发生沉降，并对极片两侧的集流层或隔离层产生压力。因此，现有锂浆料电池的电极片容量较小，这导致单体锂浆料电池无法提供大电流输出。
发明内容
为了提高单体锂浆料电池的存储容量，解决锂浆料电池在使用过程中电极颗粒沉降导致的集流和平整性问题，本发明提供一种锂浆料电池多格电极片，该电极片设有多个网格单元用于填充电极材料，使得电极片由之前的四周边框单格结构变为现在的板框多格结构，在解决大面积厚极片浆料沉降问题的同时兼顾了电池大电流集流和极片平整性的需要，本发明还提供一种含有该多格电极片的锂浆料电池。
本发明提供的技术方案如下：
根据本发明提供一种锂浆料电池多格电极片，其包括表面集流层以及汇流格板，其中，汇流格板的表面设有多个相互独立的网格单元，每个网格单元内填充有电极材料，其中表面集流层与汇流格板紧密导电接触。网格单元可为通孔，汇流格板位于两层表面集流层之间；或者网格单元可为槽状非通孔，汇流格板位于两层表面集流层之间，或者位于表面集流层一侧且网格单元面与表面集流层紧密导电接触。也就是说，表面集流层完全覆盖网格单元的表面并与汇流格板紧密导电接触，汇流格板的厚度可以为0.5～20mm。
本发明中，网格单元的网格形状可包括圆形、方形、椭圆形、菱形、多边形或者其他不规则形状，网格单元的体积之和占汇流格板的体积比为70％～98％，所有网格单元在汇流格板表面规则或不规则的排列。
表面集流层通过导电粘结、焊接、机械压合等方式与汇流格板紧密导电接触，当表面集流层与汇流格板的网格单元格栅处紧密导电接触时，表面集流层和汇流格板同时起到集流作用，集流效果更加均匀。根据本发明，表面集流层与汇流板紧密导电接触，除了能够加强集流以外，还起到防漏的作用，防止网格单元内的电极材料掉落，影响电池性能，此外还能更好地保证极片表面的平整性。
因此，当汇流格板表面的网格单元为通孔时汇流格板位于两层表面集流层之间，当汇流格板表面的网格单元为槽状非通孔时汇流格板位于两层表面集流层之间或者位于表面集流层一侧且网格单元面与表面集流层紧密导电接触。当汇流格板位于表面集流层一侧且网格单元面与表面集流层紧密导电接触时，两个汇流格板未连接表面集流层的一面通过粘结、机械铆合、外框箍紧、内外嵌套等方式对应连接。
表面集流层可以是厚度为1μm～2000μm的具有通孔结构的电子导电层，其通孔孔隙率为60％～95％，孔径范围0.005mm～500μm。
优选地，多格电极片在表面集流层上还可以附加防漏隔离层，防漏隔离层的厚度为0.01μm～1000μm，通孔孔径范围为0.005μm～100μm，通孔孔隙率为60％～98％；防漏隔离层的材料为电子不导电的多孔聚合物材料；或者，防漏隔离层的材料为电子不导电的无机非金属材料与有机聚合物复合的多孔材料；或者，防漏隔离层的材料为电子不导电的聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料；或者，防漏隔离层的材料为在电子不导电的多孔聚合物材料的孔隙内或在无机非金属材料与有机聚合物复合的多孔材料的孔隙内浸渍有离子导电的电解液或聚合物胶体材料。防漏隔离层既可以起到防止电极浆料渗漏的作用，还可以起到正极片与负极片之间的隔离层的作用。
电极材料位于汇流格板的网格单元内，形成多个相互独立的电池单元，这种结构可以将电池单元由之前的整片单格结构分隔成相互独立的多格结构，当电极片面积做得较大时，由于整个电极区域被分隔成多个独立的相对较小的空间，能够很好地解决大面积电极浆料沉降以及由此导致的集流层压力问题。同时，这种结构每个网格单元的网栅处都与表面集流层紧密导电接触，即使汇流格板做得很大也可以达到均匀集流的效果并保证极片表面平整性，因此这种结构的电极板可以做到大且厚，电池容量也可以做到很大，更方便应用于动力电池和大型储能。
锂浆料电池多格电极片可以为多格正极片，其包括表面正极集流层以及正极汇流格板，正极汇流格板的表面设有多个相互独立的网格单元，每个网格单元内填充有正极材料。
表面正极集流层为导电金属层，导电金属层为金属网或金属丝编织网，网孔为方形、菱形、长方形或多边形中的一种或几种；或者，导电金属层为具有多孔结构的泡沫金属层；或者，导电金属层为金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，导电金属层的材料可以为不锈钢、铝、钛或银等。
或者，表面正极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布；或者表面正极集流层为表面复合导电涂层或镀有金属薄膜的多孔有机材料，导电涂层为导电剂或导电剂与正极材料的复合物，复合的方式为粘接、喷涂、蒸镀或机械压合，导电剂为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、石墨烯或金属导电颗粒中的一种或几种，金属导电颗粒或者金属薄膜的材料可以为铝、钛、不锈钢或银等；多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯中的一种或几种。
正极汇流格板可以是导电金属体，包括铝、钛、不锈钢或银等，也可以是表面镀有导电金属镀层的聚合物材料，聚合物材料可以为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、改性聚烯烃中的一种或几种，导电金属镀层可以是铝、钛、不锈钢或银等。
正极材料含有全部或部分非粘接固定的正极导电颗粒，全部或部分非粘接固定的正极导电颗粒为堆积态。正极导电颗粒的堆积态包括粉体堆积、压片状或压制块体，堆积态的孔隙率大于5％并小于60％。在浸入电解液的情况下正极导电颗粒能够在电解液中流动并形成正极浆料。其中，正极导电颗粒占正极浆料的质量比为10％～90％，正极浆料层的厚度为0.5mm～10mm，正极导电颗粒平均粒径为0.05μm～500μm，正极导电颗粒为正极活性材料与导电剂的复合物或混合物，其中正极活性材料与导电剂的质量比为20～98：80～2。正极活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、硫碳复合物、硫单质、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂镍铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物中的一种或多种；导电剂为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、石墨烯或金属导电颗粒中的一种或几种。
锂浆料电池多格电极片可以为多格负极片，包括表面负极集流层以及负极汇流格板，负极汇流格板的表面设有多个相互独立的网格单元，每个网格单元内填充有负极材料。
表面负极集流层为导电金属层，导电金属层为金属网或金属丝编织网，网孔为方形、菱形、长方形或多边形；或者，导电金属层为具有多孔结构的泡沫金属层；或者，导电金属层为金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，导电金属层的材料可以为铜、锂、锂基合金、不锈钢、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜中的一种或几种。
或者，表面负极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布；或者表面负极集流层为表面复合导电涂层或镀有金属薄膜的多孔有机材料，导电涂层为导电剂或导电剂与负极材料的复合物，复合的方式为粘接、喷涂、蒸镀或机械压合，导电剂为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、石墨烯或金属导电颗粒中的一种或几种，金属导电颗粒或金属薄膜的材料可以为铜、锂、锂基合金、不锈钢、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜中的一种或几种；多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯等。
负极汇流格板可以是导电金属体，包括锂、锂基合金、不锈钢、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜等，也可以是表面镀有导电金属镀层的聚合物材料，聚合物材料可以为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、改性聚烯烃中的一种或几种，导电金属镀层可以是铜、锂、锂基合金、不锈钢、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜等。
负极材料含有全部或部分非粘接固定的负极可嵌锂导电颗粒，全部或部分非粘接固定的负极可嵌锂导电颗粒为堆积态。负极可嵌锂导电颗粒的堆积态包括粉体堆积、压片状或压制块体，堆积态的孔隙率大于5％并小于60％。在浸入电解液的情况下负极可嵌锂导电颗粒能够在电解液中流动并形成负极浆料。其中，负极可嵌锂导电颗粒占负极浆料的质量比为10％～90％，负极浆料层的厚度为0.5mm～10mm；负极可嵌锂导电颗粒平均粒径为0.05μm～500μm，负极可嵌锂导电颗粒为负极可嵌锂材料与导电剂的复合物或混合物，其中负极可嵌锂材料与导电剂的质量比为0～98：100～2。其中，负极可嵌锂材料可以为可嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物、锂硅氧化物、金属锂粉和石墨中的一种或多种；导电剂可以为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳、石墨烯或金属导电颗粒中的一种或几种。
根据本发明，锂浆料电池多格电极片由汇流格板引出极耳，由于汇流格板较厚，可以承受大容量极片集流所需的大电流。
本发明还提供一种锂浆料电池，其包括多个正极片、多个负极片、隔离层、电池壳体、正极端子、负极端子、注液口以及电解液，隔离层位于正极片与负极片之间，其中，多个负极片与多个正极片交叉叠置构成电芯，其中，多个正极片、多个负极片中至少一个为上述多格电极片。
电芯设置于电池壳体中，电芯的正极极耳电连接于正极端子，电芯的负极极耳电连接于负极端子，正极端子和负极端子从电池壳体伸出并且与电池壳体之间流体密封，通过注液口向电池壳体中注入电解液使得电芯置于电解液中。
本发明的优势在于：
在电极片中采用板框多格结构的汇流格板，通过格板上的多个网格单元用于存储电极材料，可以有效解决大面积厚极片的浆料沉降问题，易于实现极片平整化，配合上下表面集流层共同集流，可以满足极片和电池单体大电流输出的要求，以上几点的综合作用可以实现单个极片的大容量设计，从而降低电池成本，更有利于锂浆料电池在电动汽车以及大型储能领域的应用。
附图说明
图1为传统的四周边框单格结构电极片结构示意图，其中，101—单格电极片；102—四周绝缘边框；
图2为本发明锂浆料电池多格电极片中汇流格板的结构示意图，其中，图(a)：201—通孔汇流格板；图(b)：202—非通孔槽状汇流格板；图(c)为网格单元内填充有电极材料的汇流格板，203—电极材料；
图3为本发明锂浆料电池的结构示意图，301—正极片；302—负极片；303—隔离层；304—表面集流层；
图4为本发明锂浆料电池的另一种结构示意图，其中401—正极片。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
图1为传统的单格电极片101结构示意图，102为四周边框，这种单格电极片结构四周采用边框结构固定，在长期使用过程中，极片内的浆料在重力作用下会发生沉降，并对极片两侧的集流层或隔离层产生压力。
图2为根据本发明的锂浆料电池多格电极片中的汇流格板的结构示意图，其中图(a)为通孔汇流格板201，网格单元的孔为通孔结构；图(b)为非通孔槽状汇流格板202，网格单元的孔为非通孔槽状结构；图(c)为网格单元内填充有电极材料203的汇流格板结构示意图。
需要说明的是，当网格单元为非通孔槽状结构时，可以在汇流格板的上下两个表面分别设有槽孔，也可以在汇流格板的一个面上设有槽孔。
图3为根据本发明的锂浆料电池的结构示意图，锂浆料电池包括多个正极片301、多个负极片302以及位于正极片和负极片之间的隔离层303。其中，多个负极片与多个正极片交叉叠置构成电芯。本实施例中，正极片为根据本发明的多格电极片，网格单元为通孔结构，负极片为普通电极片。多格正极片包括表面正极集流层304和通孔汇流格板201，电极材料203位于汇流格板的网格单元内。
图4为根据本发明另一实施例的锂浆料电池的结构示意图，锂浆料电池包括多个正极片401、多个负极片302以及位于正极片和负极片之间的隔离层303。其中，多个负极片302与多个正极片401交叉叠置构成电芯。本实施例中，正极片401为根据本发明的多格电极片，网格单元为非通孔槽状结构，负极片为普通电极片。多格正极片包括表面正极集流层304和非通孔槽状汇流格板202，电极材料203位于汇流格板的网格单元内。
本发明具体实施例并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (13)
1.一种锂浆料电池多格电极片，其特征在于，所述锂浆料电池多格电极片包括：汇流格板，所述汇流格板为板框多格结构，设有多个相互独立的网格单元，所述网格单元为通孔或者为槽状非通孔，在所述网格单元内填充有电极材料，所述汇流格板的厚度为0.5~20mm；表面集流层，所述表面集流层完全覆盖所述网格单元的表面并与所述汇流格板紧密导电接触；所述表面集流层为厚度为1 μm ~2000 μm的具有通孔结构的电子导电层；所述汇流格板为导电金属体，所述导电金属体包括铝、钛、不锈钢或银中的一种；或者，所述汇流格板为表面镀有导电金属镀层的聚合物材料，所述导电金属镀层为铝、钛、不锈钢或银，所述聚合物材料为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、改性聚烯烃中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的锂浆料电池多格电极片，其特征在于：所述网格单元的网格形状包括圆形、椭圆形、多边形或者其它不规则形状中的一种或几种，所有网格单元的体积之和占汇流格板的体积比为70%~98%。
3.如权利要求1所述的锂浆料电池多格电极片，其特征在于：所述表面集流层的通孔孔隙率为60%~95%、孔径范围0.005μm ~500μm，其中，所述表面集流层通过粘结、焊接或者机械压合的方式与所述汇流格板紧密导电接触。
4.如权利要求1所述的锂浆料电池多格电极片，其特征在于：所述表面集流层的外表面复合防漏隔离层，所述防漏隔离层的厚度为0.01 μm ~1000 μm，通孔孔径范围为0.005μm ~100μm ，通孔孔隙率为60%~98%，
其中，所述防漏隔离层的材料为电子不导电的多孔聚合物材料；或者，所述防漏隔离层的材料为电子不导电的无机非金属材料与有机聚合物复合的多孔材料；或者，所述防漏隔离层的材料为电子不导电的聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料；或者，所述防漏隔离层的材料为在电子不导电的多孔聚合物材料的孔隙内或在无机非金属材料与有机聚合物复合的多孔材料的孔隙内浸渍有离子导电的电解液或聚合物胶体材料。
5.如权利要求1-4中任一项所述的锂浆料电池多格电极片，其特征在于：所述多格电极片为多格正极片，所述多格正极片包括表面正极集流层以及正极汇流格板，所述正极汇流格板的表面设有多个相互独立的网格单元，每个网格单元内填充有正极材料。
6.如权利要求5所述的锂浆料电池多格电极片，其特征在于：所述表面正极集流层为导电金属层，所述导电金属层为金属网，网孔为多边形中的一种或几种；或者，所述导电金属层为具有多孔结构的泡沫金属层；或者，所述导电金属层为金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，所述导电金属层的材料为不锈钢、铝、钛或银；
或者，所述表面正极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布；或者所述表面正极集流层为表面复合导电涂层或镀有金属薄膜的多孔有机材料，所述导电涂层为导电剂或导电剂与正极材料的复合物，复合的方式为粘接、喷涂、蒸镀或机械压合，导电剂为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳或金属导电颗粒中的一种或几种，所述金属导电颗粒或者金属薄膜的材料为铝、钛、不锈钢或银；所述多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯中的一种或几种。
7.如权利要求5所述的锂浆料电池多格电极片，其特征在于：所述正极材料含有全部或部分非粘接固定的堆积态正极导电颗粒，所述堆积态包括粉体堆积、压片状或压制块体，堆积态的孔隙率大于5%并小于60%，
其中，所述正极导电颗粒平均粒径为0.05μm~500μm，所述正极导电颗粒为正极活性材料与导电剂的复合物或混合物，正极活性材料与导电剂的质量比为20~98：80~2，所述正极活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、硫碳复合物、硫单质、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂镍铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物中的一种或多种，所述导电剂为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳或金属导电颗粒中的一种或几种。
8.如权利要求1-4中任一项所述的锂浆料电池多格电极片，其特征在于：所述多格电极片为多格负极片，所述多格负极片包括表面负极集流层以及负极汇流格板，所述负极汇流格板的表面设有多个相互独立的网格单元，每个网格单元内填充有负极材料。
9.如权利要求8所述的锂浆料电池多格电极片，其特征在于：所述表面负极集流层为导电金属层，所述导电金属层为金属网，网孔为多边形中的一种或几种；或者，所述导电金属层为具有多孔结构的泡沫金属层；或者，所述导电金属层为金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，所述导电金属层的材料为铜、锂、锂基合金、不锈钢、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜中的一种或几种；
或者，所述表面负极集流层为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布；或者所述表面负极集流层为表面复合导电涂层或镀有金属薄膜的多孔有机材料，所述导电涂层为导电剂或导电剂与负极材料的复合物，复合的方式为粘接、喷涂、蒸镀或机械压合，所述导电剂为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳或金属导电颗粒中的一种或几种，所述金属导电颗粒或金属薄膜的材料为铜、锂、锂基合金、不锈钢、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜中的一种或几种；所述多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、丙纶、聚乙烯及聚四氟乙烯。
10.如权利要求8所述的锂浆料电池多格电极片，其特征在于：所述负极汇流格板为导电金属体，所述导电金属体包括锂、锂基合金、不锈钢、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜中的一种；或者，所述负极汇流格板为表面镀有导电金属镀层的聚合物材料，所述聚合物材料为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、改性聚烯烃中的一种或几种，所述导电金属镀层为铜、锂、锂基合金、不锈钢、镍、钛、锡、镀锡铜或镀镍铜中的一种或几种。
11.如权利要求8所述的锂浆料电池多格电极片，其特征在于：所述负极材料含有全部或部分非粘接固定的堆积态负极可嵌锂导电颗粒，所述堆积态包括粉体堆积、压片状或压制块体，堆积态的孔隙率大于5%并小于60%，
其中，所述负极可嵌锂导电颗粒平均粒径为0.05μm~500μm，所述负极可嵌锂导电颗粒为负极可嵌锂材料与导电剂的复合物或混合物，负极可嵌锂材料与导电剂的质量比为0~98：100~2，所述负极可嵌锂材料为可嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物、锂硅氧化物、金属锂粉和石墨中的一种或多种，所述导电剂为碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳或金属导电颗粒中的一种或几种。
12.一种锂浆料电池，所述锂浆料电池包括多个正极片、多个负极片、隔离层、电池壳体、正极端子、负极端子、注液口以及电解液，所述隔离层位于正极片与负极片之间，其中，负极片与正极片交叉叠置构成电芯，其特征在于，所述多个正极片、多个负极片中至少一个为权利要求1-11中任一项所述的多格电极片。
13.如权利要求12所述的锂浆料电池，其特征在于：所述电芯设置于电池壳体中，电芯的正极极耳电连接于正极端子，电芯的负极极耳电连接于负极端子，正极端子和负极端子从电池壳体伸出并且与电池壳体之间流体密封，通过注液口向电池壳体中注入电解液使得电芯置于电解液中。
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