CN108400385A - 使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，包括如下步骤：1)制备正、负极片的活性自支撑层；2)按设计规格在活性自支撑层上冲切出极耳焊接区和极片空缺区；3)将活性自支撑层与金属集流体表面结合；4)将金属集流体多余部分切除；5)在隔膜边缘部位冲切出隔膜缺口；6)将负极片、隔膜、正极片依次叠加，正极片的极耳焊接区和极片空缺区分别与负极片的极片空缺区和极耳焊接区对应，隔膜的两个隔膜缺口与极耳焊接区和极片空缺区对应；7)在极耳焊接区内焊接极耳的内部电芯；8)在内部电芯内注入电解液，封装，即得软包锂电池。该发明将极片的极耳内收，能实现电池厚度降低后其外包装膜内空间最大化的利用，提高电池的体积能量密度。

Description

使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法

技术领域

本发明属于电池储能技术领域，具体涉及一种使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法。

背景技术

锂离子电池分布在我们生活的每一个角落，其应用领域包括手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手表、移动电源（充电宝）、应急电源、剃须刀、电动自行车、电动汽车、电动公交车、旅游观光车、无人机，以及其他各类电动工具。作为电能的载体和众多设备的动力来源，可以说，锂离子电池的使用已经渗透了我们生活的方方面面。

软包装锂离子电池是锂离子电池常见的形态，其基本组成单元为内部电芯、外部包装膜以及负责锂离子传输的电解液。其中，内部电芯为锂离子电池的能量承载体，其组成一般包括正极片、负极片、隔膜三大组分，而正负极极片又各自包含活性成分层以及电子传输层（集流体）。

正极片的集流体一般选用铝箔，主要在于其耐高电压下的氧化反应；负极片的集流体一般选用铜箔，主要在于其耐低电压下的还原反应；电池电流的引出一般使用金属极耳与极片集流体焊接的方式。由于软包装电池的制备工艺的可操作性较强，所以，市面上可见的软包装锂离子电池也是形态各异，但基本结构不会发生变化。

尽管软包装锂离子电池可以被制备成各种形状规格，但是考核锂电池能量大小的标准是不变的，一般以单位体积或者单位重量的锂电池所能发挥出的能量大小作为衡量标准，即电池的能量密度。作为当前电池行业的中坚力量的锂离子电池的研发重点也是在于提高其能量密度，包括提升电池的质量能量密度和体积能量密度两个方面。

当今消费类电子设备的发展趋势是轻、薄，甚至一些电子产品还需要电池具备特殊的属性，如柔性耐弯曲，对应的锂离子电池也会向轻、薄化发展。随着电池的变薄，包装膜、极耳等非活性成分在质量和体积中所占的比重将逐步增大，导致电池的能量密度降低，甚至随着电池厚度的变薄，一些原有的电池结构都会受到影响，如图1所示，在薄款的软包装电池中，极耳焊接部位将不能再通过折弯的形式来减小无效区域的体积，只能通过平铺的方式进行极耳的引出，否则极耳焊接部位将会对铝塑包装膜形成尖端凸顶效果，除了电池厚度不均一、不美观外，还可能引起包装膜破裂等致命问题，因而将金属集流体上预留的用于焊接极耳的极耳焊接区的金属集流体设置在极片活性层边缘外部，但是极耳一旦平铺放置，将对极耳焊接方向的电池空间利用率造成极大的浪费，约3～5mm的长度将因为极耳平铺而不能有效利用，从而使得电池的体积能量密度受到极大的影响。

当前软包装电池的极片制备工艺普遍采用涂布的方式，通过浆料中的粘结剂成分将料层与金属集流体结合，这种工艺很明显的特点是活性成分层和金属集流体层有很明显的边缘区分，并且边缘一般呈标准的直线状态，制备极片的过程中金属集流体箔材预留一部分区域用于与极耳焊接，进而导出电流。此外，软包装电池的极片还可以通过其它的方式制备，例如使用纳米纤维的三维网络束缚作用取代传统的粘结剂可以不依靠集流体的支撑作用单独的制备活性极片层，进而制备成电池。

发明内容

本发明的目的是克服现有薄款软包锂电池中极耳平铺放置而增加无效区域体积，导致其体积能量密度降低的问题。

为此，本发明实施例提供了一种使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，包括如下步骤：

1)制备正、负极片的活性自支撑层；

2)按设计规格冲切正、负极片的活性自支撑层，并分别在正、负极片的活性自支撑层的一边上冲切出若干个方形槽结构的极耳焊接区和极片空缺区，且极耳焊接区和极片空缺区依次交替间隔分布，得到成型的正、负极片的活性自支撑层；

3)将成型的正、负极片的活性自支撑层与对应正、负极片的金属集流体表面结合；

4)将极片空缺区内的金属集流体切除，且极耳焊接区内的金属集流体与极耳焊接区对称两侧边具有一定间距，得到成型的正、负极片；

5)隔膜的制备：在隔膜边缘部位冲切出与正、负极片上极耳焊接区和极片空缺区相对应的隔膜缺口；

6)叠片：将成型的正极片与负极片叠加放置，并将正极片的极耳焊接区与负极片的极片空缺区相对应，正极片的极片空缺区与负极片的极耳焊接区相对应，将隔膜放置在正极片和负极片之间，隔膜缺口与正、负极片的极耳焊接区和极片空缺区相对应；

7)在叠片后的正、负极片的极耳焊接区内均焊接极耳，形成内部电芯；

8)电池封装：在内部电芯内注入电解液，并通过外包装膜进行封装，即得软包锂电池。

进一步的，所述步骤1)中活性自支撑层的制备过程包括如下步骤：a)分散：将导电剂采用有机溶剂或去离子水作溶剂，超声分散，将纳米纤维或多枝晶类纤维采用有机溶剂或去离子水做溶剂，搅拌式分散；b)均化：向导电剂分散液中加入活性物颗粒，充分混合均匀，再加入分散好的纳米纤维或多枝晶类纤维溶液，充分混合均匀； c)过滤：将均化后的溶液采用真空抽滤或者高压压滤的方式过滤成膜；d)烘烤：取过滤成膜的样品在真空中烘烤，去除膜片中的溶剂成分；e)辊压：经烘烤后的膜片用辊压实，形成活性自支撑层。

进一步的，所述步骤3)中活性自支撑层与金属集流体的单面或双面贴合连接。

进一步的，所述步骤4)中极耳焊接区内的金属集流体与极耳焊接区对称两侧边相距2.5mm。

进一步的，所述步骤5)中隔膜的边缘超出活性自支撑层边缘1～1.5mm。

进一步的，所述步骤6)中正、负极片有多对，且正极片和负极片依次交错进行叠片。

进一步的，所述步骤6)中将正、负极片及隔膜叠加放置后进行卷绕型叠片。

进一步的，所述步骤6)中将正、负极片及隔膜叠片后，在焊接极耳之前将隔膜缺口边缘通过胶带粘贴固定。

进一步的，所述步骤7)中极耳焊接后，极耳的焊接部位通过胶带粘贴包裹。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法将一般电池极片在极片活性层区域外部的集流体焊接区域转移到极片活性层区域内部，在靠近极片边缘的区域预留裸露的集流体部分用于焊接极耳，焊接后的极耳不需要进行弯折处理，不仅能使锂电池的外包装膜内的空间得到充分的利用，而且还能将极耳焊接后折弯部分的厚度节省下来用作极片活性层，从而更大程度的填充活性材料，大大提高了锂电池的体积能量密度。

(2)本发明提供的这种使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法采用纳米纤维或多枝晶类纤维的三维网络束缚作用取代传统的粘结剂可以不依靠金属集流体的支撑作用而单独的制备活性自支撑层，从而可在活性自支撑层与金属集流体结合之前对其进行冲切加工，加工更加方便。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是现有软包锂电池中极片的结构示意图；

图2是本发明使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池极片的过程示意图；

图3是本发明中极片的成品示意图；

图4是本发明中内部电芯结构爆炸图。

附图标记说明：1、活性自支撑层；2、金属集流体；3、极耳焊接区；4、极片空缺区；5、正极片；6、隔膜；7、负极片；8、隔膜缺口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

本实施例提供了一种使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，包括如下步骤：

(1)制备正、负极片的活性自支撑层1，其具体过程如下：

a)分散：将导电剂采用有机溶剂或去离子水作溶剂，超声分散，分散浓度为0.1mg/ml～0.5mg/ml，导电剂可选用具有碳纳米管，导电炭黑，KS-6，科琴黑，碳纤维或石墨烯；将纳米纤维或多枝晶类纤维采用有机溶剂或去离子水做溶剂，搅拌式分散，分散浓度0 .5mg/ml～3.0mg/ml；其中，纳米纤维或多枝晶类纤维直径为纳米级或者亚微米级，有机溶剂包括异丙醇、无水乙醇、正丁醇、氮甲基吡咯烷酮(NMP)。

b)均化：向导电剂分散液中加入活性物颗粒，充分混合均匀，再加入分散好的纳米纤维或多枝晶类纤维溶液，充分混合均匀，活性物及导电剂分散在纳米纤维或多枝晶类纤维中，同时纤维之间的多点空间型交联作用可以对活性物及导电剂形成良好的缠结效果；其中，活性物为现有的锂离子电池正极材料或负极材料。

c)过滤：将均化后的溶液采用真空抽滤或者高压压滤的方式过滤成膜，实现固液分离，成型的活性自支撑层依附在过滤膜表面。

d)烘烤：取过滤成膜的样品在真空中烘烤，去除膜片中的溶剂成分，从而可使得活性自支撑层方便的从过滤膜表面转移。

e)辊压：经烘烤后的膜片用辊压实，形成活性自支撑层，经过辊压后活性自支撑层可获得所需的压实密度，从而提高极片的导电性、柔韧性以及机械强度。

(2)按设计规格冲切正、负极片的活性自支撑层1，并分别在正、负极片的活性自支撑层1的一边上冲切出若干个方形槽结构的极耳焊接区3和极片空缺区4，且极耳焊接区3和极片空缺区4依次交替间隔分布，得到成型的正、负极片的活性自支撑层1；优选的，活性自支撑层1上两侧的极耳焊接区3或极片空缺区4与靠近的活性自支撑层1的边缘距离相等。

(3)将成型的正、负极片的活性自支撑层1与对应正、负极片的金属集流体2表面结合，如图2所示，其中，正极片的金属集流体2选用铝箔，负极片的金属集流体2选用铜箔，在正极片的活性自支撑层1与铝箔相结合时，可将正极片的活性自支撑层1在铝箔的单面或双面贴合连接，相应地，将负极片的活性自支撑层1在铜箔的单面或双面贴合连接。

(4)采用模切机将极片空缺区4内的金属集流体2切除，极片空缺区用于正、负极片对位时以方便对极片的焊接；同时对极耳焊接区3内的金属集流体2进行模切，使得金属集流体2与极耳焊接区3相接触的三边中底边与极耳焊接区3连接，两侧边各自与极耳焊接区3边缘具有2.5mm间距，该间距可保证多对极片叠加时正负极之间不会出现接触短路，从而得到如图3所示的成型的正、负极片。

通过上述方式制备的这种结构的正、负极片采用不依靠金属集流体2的支撑作用而单独的制备活性自支撑层1使得极片冲切加工更加方便；同时将一般电池极片在极片活性层区域外部的集流体焊接区域转移到极片活性层区域内部，在靠近极片边缘的区域预留裸露的集流体部分用于焊接极耳，极耳焊接只需要占用极片活性层本体很小的一部分区域，且由于没有折弯极耳的设计，在长度方向上，还能将极耳焊接后折弯部分的厚度节省下来用作极片活性层，从而更大程度的填充活性材料，使薄款的软包锂离子电池随着厚度的变薄而体积能量密度损失最大程度的减小。

(5)隔膜6的制备：在隔膜6边缘部位冲切出与正、负极片上极耳焊接区3和极片空缺区4相对应的隔膜缺口8。

优化的，为了保证隔膜能够完全覆盖正、负极片，所述隔膜6的边缘超出活性自支撑层1边缘1～1.5mm，进一步避免极耳焊接区3和活性自支撑层1的接触短路。

(6)叠片：如图4所示，将成型的正极片5与负极片7叠加放置，并将正极片5的极耳焊接区3与负极片7的极片空缺区4相对应，正极片5的极片空缺区4与负极片7的极耳焊接区4相对应，将隔膜6放置在正极片5和负极片7之间，隔膜缺口8与正、负极片的极耳焊接区3和极片空缺区4相对应。

根据所需要制备的软包锂电池的实际需求，还可采用多对正、负极片进行依据上述叠片方式且正极片和负极片依次交错进行叠片。进一步优化的，对于正、负极片及隔膜6叠片后隔膜边缘区域，尤其是与极耳焊接区3对应的边缘区域可以通过胶带粘贴固定，进一步避免极耳焊接区3和活性自支撑层1的接触短路。

(7)将叠片后的正、负极片的极耳焊接区3内分别焊接极耳，形成内部电芯。而优选的，在极耳焊接后，极耳的焊接部位通过胶带粘贴包裹，防止对外包装膜的刺破和起到进一步的短路保护作用。

(8)电池封装：在内部电芯内注入电解液，并通过外包装膜进行封装，即得软包锂电池。

通过上述制备方法制得的软包锂电池能实现电池厚度降低后其外包装膜内空间最大化的利用，提高电池的体积能量密度。

下面通过两个实施例具体说明高体积能量密度的软包锂电池的制备方法。

实施例1：

将用于正极片的活性自支撑层冲切成宽50mm，长100mm的长方形，在50mm宽度的其中一边上距离两边各自8mm位置的边内侧冲切出12mm×12mm的两个方形槽区域；将金属铝箔材表面与冲切成型的活性自支撑层对应大小的区域经过处理后与活性自支撑层结合；使用模切机将金属集流体(即金属铝箔材)上与活性自支撑层的方形槽区域对应的多余部分切除。

同样，将用于负极片的活性自支撑层经过同样的处理成宽度50mm，长度101mm的长方形，开口方形槽区域距离活性自支撑层两边的距离为9mm，方形槽区域大小为10mm×10mm。

使用103mm宽度的隔膜，边缘按照8mm×8mm区域大小，以相邻10mm和16mm为一个周期的等距单元进行冲切。

使用以上材料进行叠片，对正、负极片的方形槽区域边缘的隔膜进行贴胶固定，之后经焊接、封装、注液后制备成最大高体积能量密度的软包锂离子电池。

实施例2：

将用于正极片的活性自支撑层冲切成宽100mm，长250mm的长方形，在250mm宽度的一边距离顶角位置8mm、30mm、58mm、80mm、108mm、130mm、158mm、180mm、208mm、230mm的位置分别冲切出12mm×12mm的空白区(即极耳焊接区或极片空缺区)；金属集流体与活性自支撑层成型大小相同区域处理，之后与冲切好的活性自支撑层在预先处理的区域结合，使用模切机将金属集流体在活性自支撑层的空白区内多余的部分切除。

将用于负极片的活性自支撑层经过同样的方式制备成宽101mm，长250mm的长方形，在250mm宽度的一边距离顶角位置8mm、30mm、58mm、80mm、108mm、130mm、158mm、180mm、208mm、230mm的位置分别冲切出10mm×10mm的空白区，之后与处理过的金属集流体结合，使用模切机将金属集流体在活性自支撑层的空白区内。

使用103mm宽度的隔膜，边缘按照8mm×8mm的区域大小将隔膜冲切，相邻冲切区域的距离依次按照20mm和14mm，20mm对应相邻的两个极耳焊接区或相邻的两个极片空缺区，14mm对应相邻的极耳焊接区和极片空缺区的距离。

使用以上材料进行卷绕型叠片，并对极耳焊接区和极片空缺区边缘的隔膜贴胶固定，之后进行焊接、封装、注液后制备成高体积能量密度的软包锂离子电池。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)制备正、负极片的活性自支撑层；

2)按设计规格冲切正、负极片的活性自支撑层，并分别在正、负极片的活性自支撑层的一边上冲切出若干个方形槽结构的极耳焊接区和极片空缺区，且极耳焊接区和极片空缺区依次交替间隔分布，得到成型的正、负极片的活性自支撑层；

3)将成型的正、负极片的活性自支撑层与对应正、负极片的金属集流体表面结合；

4)将极片空缺区内的金属集流体切除，且极耳焊接区内的金属集流体与极耳焊接区对称两侧边具有一定间距，得到成型的正、负极片；

5)隔膜的制备：在隔膜边缘部位冲切出与正、负极片上极耳焊接区和极片空缺区相对应的隔膜缺口；

6)叠片：将成型的正极片与负极片叠加放置，并将正极片的极耳焊接区与负极片的极片空缺区相对应，正极片的极片空缺区与负极片的极耳焊接区相对应，将隔膜放置在正极片和负极片之间，隔膜缺口与正、负极片的极耳焊接区和极片空缺区相对应；

7)在叠片后的正、负极片的极耳焊接区内均焊接极耳，形成内部电芯；

8)电池封装：在内部电芯内注入电解液，并通过外包装膜进行封装，即得软包锂电池。

2.如权利要求1所述的使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，其特征在于，所述步骤1)中活性自支撑层的制备过程包括如下步骤：a)分散：将导电剂采用有机溶剂或去离子水作溶剂，超声分散，将纳米纤维或多枝晶类纤维采用有机溶剂或去离子水做溶剂，搅拌式分散；b)均化：向导电剂分散液中加入活性物颗粒，充分混合均匀，再加入分散好的纳米纤维或多枝晶类纤维溶液，充分混合均匀； c)过滤：将均化后的溶液采用真空抽滤或者高压压滤的方式过滤成膜；d)烘烤：取过滤成膜的样品在真空中烘烤，去除膜片中的溶剂成分；e)辊压：经烘烤后的膜片用辊压实，形成活性自支撑层。

3.如权利要求1所述的使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，其特征在于：所述步骤3)中活性自支撑层与金属集流体的单面或双面贴合连接。

4.如权利要求1所述的使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，其特征在于：所述步骤4)中极耳焊接区内的金属集流体与极耳焊接区对称两侧边相距2.5mm。

5.如权利要求1所述的使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，其特征在于：所述步骤5)中隔膜的边缘超出活性自支撑层边缘1～1.5mm。

6.如权利要求1所述的使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，其特征在于：所述步骤6)中正、负极片有多对，且正极片和负极片依次交错进行叠片。

7.如权利要求1所述的使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，其特征在于：所述步骤6)中将正、负极片及隔膜叠加放置后进行卷绕型叠片。

8.如权利要求1或6或7所述的使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，其特征在于：所述步骤6)中将正、负极片及隔膜叠片后，在焊接极耳之前将隔膜缺口边缘通过胶带粘贴固定。

9.如权利要求1所述的使用活性自支撑极片制备高能量密度软包锂电池的方法，其特征在于：所述步骤7)中极耳焊接后，极耳的焊接部位通过胶带粘贴包裹。