CN108390101B - 一种锂离子电池电芯及其制备方法、锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池电芯及其制备方法、锂离子电池。该锂离子电池电芯的制备方法包括：将正极片、负极片、隔膜组装后，经过至少两次热压制成所述电芯；所述隔膜包括基膜和涂覆于基膜上的聚合物粘结物质。本发明提供的锂离子电池电芯的制备方法，通过多次热压来制备锂离子电池电芯，前次热压起到预压合作用，实现隔膜与极片的初步结合，并使结合界面处的间隙显露，后次热压起到补充作用，可使聚合物粘结物质充分填充预压合产生的间隙，增强结合界面的粘结效果。通过至少两次热压的方法设计，可针对性的提高结合界面处的粘结效果，避免聚合物粘结物质熔融后向隔膜孔隙渗入而堵塞隔膜。

Description

一种锂离子电池电芯及其制备方法、锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池的制备领域，具体涉及一种锂离子电池电芯及其制备方法、锂离子电池。
背景技术
锂离子电池作为一种清洁的新能源，在手机、动力汽车等领域得到了越来越广泛的应用。锂离子电池一般包括包装壳和容纳于包装壳内的电芯，电芯包括正极片、负极片以及间隔于正极片和负极片之间的隔膜。隔膜是一种离子导通、电子绝缘的多孔膜，在正极和负极之间起到隔离的作用。
目前常规锂离子电池采用的隔膜为聚丙烯多孔膜，聚乙烯多孔膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合多孔膜。制作良好的电芯，正极片、负极片应固定在隔膜上，以避免移动、受震等条件下发生错位，导致析锂、短路等质量事故或安全隐患。
为了保证电芯的制作质量，电池研究者常采用涂覆有粘结物质的隔膜，以期增加隔膜和极片之间的粘结性，防止极片错位现象的发生。如公告号为CN203134888U的专利公开了一种锰酸锂和镍钴锰酸锂纳米电池的隔膜，通过在隔膜层上使用3～5μm厚的粘性物质，来提高隔膜与极片的粘结效果。公布号为CN102569701A的专利申请公开了一种锂离子电池及其隔膜，该隔膜包括多孔膜基材和涂覆在多孔膜基材表面的陶瓷材料层，以及涂覆在陶瓷材料层上位于表层的聚合物粘结层。
在利用隔膜制备电芯时，由于聚合物粘结层的存在，虽然理论上可以提高隔膜与极片的粘结性，但在实际应用时，经常有粘结不牢或热压不当导致隔膜被堵塞的现象发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池电芯的制备方法，从而解决涂覆有粘结物质的隔膜在使用时容易存在的粘结不牢或隔膜被堵塞的问题。本发明同时提供上述制备方法得到的锂离子电池电芯和相应的锂离子电池。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种锂离子电池电芯的制备方法，包括：将正极片、负极片、隔膜组装后，经过至少两次热压制成所述电芯；所述隔膜包括基膜和涂覆于基膜上的聚合物粘结物质。
本发明提供的锂离子电池电芯的制备方法，通过多次热压来制备锂离子电池电芯，前次热压起到预压合作用，实现隔膜与极片的初步结合，并使结合界面处的间隙显露，后次热压起到补充作用，可使聚合物粘结物质充分填充预压合产生的间隙，增强结合界面的粘结效果。通过至少两次热压的方法设计，可针对性的提高结合界面处的粘结效果，避免聚合物粘结物质熔融后向隔膜孔隙渗入而堵塞隔膜。
热压的次数为两次，第一次热压的温度为75～90℃，压力为0.1～0.3MPa，时间为10s～20s，第二次热压的温度为85～95℃，压力为0.1～0.8MPa，时间为20s～120s。在上述热压参数下，极片与隔膜的粘结效果最佳，可极大程度避免粘结不足或过度热压导致隔膜堵塞的情况发生。
将正极片、负极片和隔膜叠置，得到薄电芯单元，对薄电芯单元进行所述第一次热压，再将薄电芯单元进行堆叠形成完整电芯，对完整电芯进行所述第二次热压。优选的，所述薄电芯单元含有的正极片或负极片的片数为1～5片。通过制作薄电芯单元，再对薄电芯单元进行堆叠形成完整电芯，对薄电芯单元进行第一次热压，对完整电芯进行第二热压，可进一步完善位于内侧的极片与隔膜的粘结效果，提高电芯制作的均匀性和一致性，从而进一步提高电芯质量。
组装时，隔膜的尺寸能够覆盖正极片和负极片。优选的，负极片的尺寸能够覆盖正极片。通过以上结构设置，隔膜可将正负极片完全隔开，进一步避免极片错位现象的发生。
所述基膜包括聚烯烃膜和涂覆在聚烯烃膜一侧表面上的陶瓷粒子层，聚烯烃膜的另一侧表面和所述陶瓷粒子层的表面均涂覆有粘结剂层，所述粘结剂层含有所述聚合物粘结物质。优选的，隔膜上设有所述陶瓷粒子层的一侧与正极片贴合设置，另一侧与负极片贴合设置。通过选用该种形式的隔膜，陶瓷粒子层具有防止锂枝晶或毛刺对隔膜的刺穿作用，还可以提高隔膜的耐热性能。
所述聚烯烃膜为PE膜、PP膜或PP/PE/PP复合膜。所述聚烯烃膜的厚度为16～20μm。所述粘结剂层的厚度为1～2μm，所述陶瓷粒子层的厚度为2～6μm。进一步优选的，所述聚合物粘结物质为聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。所述陶瓷粒子层所使用的陶瓷粒子为Al2O3或SiO2。
采用上述粘结性物质作为粘结剂层，可进一步提高电芯对电解液的吸收效果，提高电池充放电过程中的离子导电率，进而可增加循环寿命。
本发明同时提供由上述制备方法制得的锂离子电池电芯。
可进一步在锂离子电池电芯的基础上，经过注液、化成、分容等工序制成锂离子电池。使用上述锂离子电池电芯的锂离子电池，由于隔膜与极片的结合紧密，缺陷较少，可极大程度降低锂离子电池的内阻，减少电池极化和锂枝晶的析出。
附图说明
图1为第一薄电芯单元的示意图；
图2为第二薄电芯单元的示意图；
图3为第一薄电芯单元、第二薄电芯单元堆叠形成完整电芯的示意图；
图4为Z字形叠片示意图；
图5为组装后电芯采用胶带固定的示意图；
图6为负极片在不良粘结下的剥离图；
图7为正极片在不良粘结下的剥离图；
图8为负极片在良好粘结下的剥离图；
图9为正极片在良好粘结下的剥离图；
图10为对比例3的热压方法的剥离效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，隔膜的粘结剂层所用的聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯为隔膜涂覆用凝胶聚合物(聚合物粘结物质)，均可通过市售常规渠道获得。陶瓷粒子层含有Al2O3、SiO2等陶瓷粒子和粘结剂，具体制备方法可参考公布号为CN102569701A的专利申请所公开的方法，也可直接购买相应种类的商品化隔膜。
实施例1
本实施例的锂离子电池电芯，结构示意图如图1～图3所示，包括依次交错堆叠的第一薄电芯单元4、第二薄电芯单元5，第一薄电芯单元4包括层叠设置的装有正极片3的隔膜袋1和负极片2，隔膜袋1的数量为3个，负极片的数量为2个，第二薄电芯单元5的结构可参考第一薄电芯单元4，区别在于隔膜袋1的数量为2个，负极片2的数量为3个。隔膜袋1由隔膜制成，所述隔膜包括聚烯烃膜和设于聚烯烃膜两侧表面上的聚偏氟乙烯粘结剂层。聚烯烃膜的厚度为20μm，聚偏氟乙烯粘结剂层的厚度为1μm。该锂离子电池电芯具体采用以下步骤进行制备：
1)将装有正极片的隔膜袋、负极片层叠，得到第一薄电芯单元；将负极片、装有正极片的隔膜袋层叠，得到第二薄电芯单元；对第一薄电芯单元、第二薄电芯单元进行热压，第一薄电芯单元、第二薄电芯单元的热压条件相同，均为在80℃、0.1MPa的条件下保持10s；
2)将第一薄电芯单元、第二薄电芯单元依次交错堆叠后，得到完整电芯，将完整电芯在90℃、0.4MPa的条件下保持30s，即得所述锂离子电池电芯。
将锂离子电池电芯装壳后，经注液、化成、分容工序，制成锂离子电池。
实施例2
本实施例的锂离子电池电芯的制备方法，如图1～图3所示，包括以下步骤：
1)参考实施例1制作第一薄电芯单元、第二薄电芯单元，第一薄电芯单元、第二薄电芯单元的热压条件相同，均为在90℃、0.2MPa的条件下保持20s；
2)将第一薄电芯单元、第二薄电芯单元依次堆叠后，在90℃、0.3MPa的条件下保持60s，即得所述锂离子电池电芯。
步骤1)中，隔膜袋所使用的隔膜包括聚烯烃膜和设于聚烯烃膜两侧表面上的聚偏氟乙烯粘结剂层。聚烯烃膜的厚度为20μm，聚偏氟乙烯粘结剂层的厚度为2μm。
实施例3
本实施例的锂离子电池电芯的制备方法，如图1～图3所示，包括以下步骤：
1)参考实施例1制作第一薄电芯单元、第二薄电芯单元，第一薄电芯单元、第二薄电芯单元的热压条件相同，均为在85℃、0.1MPa的条件下保持10s；
2)将第一薄电芯单元、第二薄电芯单元依次堆叠后，在90℃、0.3MPa的条件下保持20s，即得所述锂离子电池电芯。
步骤1)中，隔膜袋所使用的隔膜包括聚烯烃膜，聚烯烃膜的一侧表面上由内到外依次设有陶瓷粒子层、聚甲基丙烯酸甲酯粘结剂层，另一侧表面上也涂覆有聚甲基丙烯酸甲酯粘结剂层。聚烯烃膜的厚度为20μm，聚甲基丙烯酸甲酯粘结剂层的厚度为2μm，陶瓷粒子层含有的陶瓷粒子为Al2O3，厚度为4μm。
以上实施例中，主要是采用两次热压，并通过薄电芯单元堆叠的方式制备完整电芯，具体所使用的隔膜、堆叠方式、陶瓷粒子层的设置均可采用现有技术，如可以以Z字形叠片方式(如图4和图5所示)制备正极片数(或负极片数)为20～50个的完整电芯，通过按实施例3的热压参数进行两次热压，再用胶带固定，来控制极片和隔膜的粘结效果，以避免粘结效果不佳或热压过度的情况发生；也可以以Z字形叠片方式制备薄电芯单元。薄电芯单元可采用相同数量的正极片和负极片，然后直接按照电池设计进行堆叠、二次热压。
对比例1
对比例1的锂离子电池电芯，采用Z字形叠片制成完整电芯，所使用的隔膜的结构同实施例3，叠片后进行单次热压，热压条件为在85℃、0.3MPa下保持60s。
对比例2
对比例1的锂离子电池电芯，采用Z字形叠片制成完整电芯，所使用的隔膜的结构同实施例3，叠片后进行单次热压，热压条件为在95℃、0.3MPa下保持30s。
对比例3
对比例1的锂离子电池电芯，采用Z字形叠片制成完整电芯，所使用的隔膜的结构同实施例3，叠片后进行单次热压，热压条件为在95℃、0.5MPa下保持30s。
试验例
本试验例考察各实施例和对比例的方法所制备的电芯中隔膜和正负极片的粘结效果。热压完成后，拆解电芯，将极片从隔膜上剥离，根据粘结界面情况对粘结效果进行评价。评价标准如图6～图9所示，如果隔膜与正极片、负极片容易被完整分开，可认定为粘结效果不佳(NG)。如果负极粉被隔膜粘掉，正极片粘掉隔膜涂覆物或隔膜粘掉正极粉，可认为隔膜与极片的粘结界面牢固，粘结效果好(OK)。粘结评价试验在热压以及锂离子电池分容后进行两次，具体如表1所示。
表1隔膜与正负极片的粘结效果
Figure BDA0001538525760000061
由表1的试验结果可知，采用两次热压方式制备的锂离子电池在热压后及分容后均表现出良好的粘结效果，说明隔膜与极片的粘结效果良好，从电芯的剥离图可以看出隔膜与极片的粘结界面牢固，反映了极少的孔隙存在，可以显著降低析锂现象的发生，提高电芯质量和一致性。对比例1和对比例2的锂离子电池电芯虽然在热压后粘结效果良好，但分容后粘结效果欠佳，隔膜与极片的粘结界面的牢固性和一致性程度均不如实施例。对比例3中，其剥离效果图如图10所示，虽然热压后粘结和分容性粘结性好，但存在热压过度的问题，界面上部分隔膜微孔堵塞，界面出现黑斑、析锂异常，而本发明的方法可以很好的控制界面的结合质量，避免过度热压和热压不足的情况发生。

Claims (8)

1.一种锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于，包括：将正极片、负极片和隔膜叠置，得到薄电芯单元，对薄电芯单元进行第一次热压，再将薄电芯单元进行堆叠形成完整电芯，对完整电芯进行第二次热压；第一次热压的温度为75～90℃，压力为0.1～0.3MPa，时间为10s～20s；第二次热压的温度为85～95℃，压力为0.1～0.8MPa，时间为20s～120s；所述隔膜包括基膜和涂覆于基膜上的聚合物粘结物质。
2.如权利要求1所述的锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于，所述薄电芯单元含有的正极片或负极片的片数为1~5片。
3.如权利要求1所述的锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于，所述基膜包括聚烯烃膜和涂覆在聚烯烃膜一侧表面上的陶瓷粒子层，聚烯烃膜的另一侧表面和所述陶瓷粒子层的表面均涂覆有粘结剂层，所述粘结剂层含有所述聚合物粘结物质。
4.如权利要求3所述的锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于，隔膜上设有所述陶瓷粒子层的一侧与正极片贴合设置，另一侧与负极片贴合设置。
5.如权利要求3所述的锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于，所述粘结剂层的厚度为1~2μm，所述陶瓷粒子层的厚度为2~6μm。
6.如权利要求1～5任一项所述的锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于，所述聚合物粘结物质为聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
7.一种由权利要求1的制备方法制得的锂离子电池电芯。
8.一种使用如权利要求7所述的锂离子电池电芯的锂离子电池。
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