CN108539258A - 一种梯形离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种梯形锂离子电池及其制备方法，所述梯形锂离子电池包括正极片、负极片、隔膜和电解液，其中：所述正极片、负极片和隔膜均为梯形，且所述正极片、负极片和隔膜对应的边长的长度的关系为正极片的边长小于负极片的边长，负极片的边长小于隔膜的边长；按照隔膜、负极片、隔膜、正极片的顺序层叠构成电芯，其中所述电芯的上表面和下表面被隔膜覆盖；所述电解液位于电芯内的正极片和负极片上。本发明所述的梯形锂离子电池及其制备方法针对智能可穿戴设备、无人机、巡检机器人等领域的梯形空间，最大尺度地利用其空间，提高设备电池的能量密度，从而有效提高了设备的续航能力。

Description

一种梯形离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域,并且更具体地，涉及一种梯形锂离子电池及其制备方法。
背景技术
自1990年电池商品化以来，锂离子电池因其具备良好的容量特性、功率特性、循环性能、自放电性能和安全特性，在各个领域得到了广泛的应用。目前常用的锂离子电池有2种形状：圆形和方形，圆形电池由于受制备工艺的限制，电池容量通常不大(5Ah以下)，主要应用于笔记本电脑、电动工具、电动自行车等场景；方形电池的容量则根据应用场景的不同，设计时的电池容量存在很大差异，容量小的只有几十毫安时到几百毫安时，主要应用于便携时电子设备中，容量大的则有上百安，主要应用在电动汽车和储能领域。
近几年来，智能可穿戴设备和无人机等得到广泛应用。智能可穿戴设备作为智能终端产业下一个热点已被市场广泛认同。目前可穿戴设备存在的最大问题是电池续航时间短，普通的智能手表电池使用时间在24小时左右，如果开启更多功能耗电量会增加，这样使用者不得不每天充电两次才能正常使用。无人机目前主要也是采用常规型号的电池，由于其内部留给电池的空间有限，常规型号电池不能重复利用装置的内部空间，导致出现工作时间短的问题,目前无人机最大的问题就是电池一次充电使用时间短,使用时间一般都在1小时以内,很大程度上限制了无人机的推广应用。因此，要解决可穿戴设备和无人机等装置电池使用时间短的这一问题，必须充分利用设备的内部空间，开发高性能的异型锂离子电池，来满足其应用需求。
发明内容
为了解决背景技术存在的可穿戴设备和无人机等装置内部空间利用不充分导致电池使用时间短的技术问题，本发明提供一种梯形锂离子电池，所述梯形锂离子电池包括正极片、负极片、隔膜和电解液，其中：
所述正极片、负极片和隔膜均为梯形，且所述正极片、负极片和隔膜对应的边长的长度的关系为正极片的边长小于负极片的边长，负极片的边长小于隔膜的边长；
按照隔膜、负极片、隔膜、正极片的顺序层叠构成电芯，其中所述电芯的上表面和下表面被隔膜覆盖；
所述电解液位于电芯内的正极片和负极片上。
进一步地，所述锂离子电池还包括正极耳和负极耳，其中正极耳与正极片连接，负极耳与负极片连接。
进一步地，正极片边长范围为60至200mm，负极片边长范围为62至202mm。
进一步地，所述正极片包括铝箔、正极材料、导电剂、粘结剂，其中：
铝箔厚度不超过16μm；
正极材料采用三元材料；
导电剂采用炭黑、导电石墨、碳纳米管中的1种或2种，用量的质量百分比不超过4.5％；
粘结剂采用聚偏氟乙烯，用量的质量百分比不超过4.5％；
正极片涂布面密度不低于400g/m2。
进一步地，所述三元材料是LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2或LiNi0.8Co0.15Al0.05O2中的任意一种。
进一步地，所述正极片的正极材料以金属锂为对电极，在0.2C倍率下的放电容量大于160mAh/g。
进一步地，所述负极片包括铜箔、负极材料、导电剂、粘结剂，其中：
铜箔厚度不超过8μm；
负极材料采用高容量石墨或硅碳复合材料；
导电剂采用炭黑、导电石墨、石墨烯中的1种或2种，用量的质量百分比不超过4.0％；
粘结剂采用聚偏氟乙烯，用量的质量百分比的不超过4.5％；
负极片容量相对正极片过量3-5％。
进一步地，所述负极片的负极材料以金属锂为对电极，在0.2C倍率下的放电容量大于350mAh/g。
进一步地，所述隔膜采用聚乙烯单层隔膜，厚度不超过25μm。
进一步地，所述电解液采用Li PF6为电解质，采用碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的2种或3种作为溶剂，电解液浓度在1.0至1.5M/L之间。
进一步地，所述电池采用铝塑膜材料进行封装，铝塑膜厚度小于160μm。
进一步地，所述电池容量的范围是5至60Ah，厚度范围是3至15mm，质量能量密度大于230Wh/kg，最大持续放电电流2C，最大瞬间放电电流4C，且时间大于15s。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种梯形锂离子电池的制备方法，所述方法包括：
利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、正极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的正极片进行辊压和冲切以形成梯形正极片；
利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、负极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的负极片进行辊压和冲切以形成梯形负极片；
将正极片、负极片和隔膜通过叠片方式进行装配，并焊接正负极耳；
对电芯进行封装；
将电解液注入电芯生成梯形锂离子电池。
进一步地，所述利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、正极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的正极片进行辊压和冲切以形成梯形正极片包括：
将粘结剂和溶剂在容器中混合搅拌，直至粘结剂完全溶解以形成第一浆料；
在第一浆料中加入导电剂炭黑和导电石墨并高速搅拌以形成第二浆料；
在第二浆料中加入正极活性物质和溶剂并搅拌以生成第三浆料并对容器抽真空至真空度达到预设区间；
对第三浆料进行电极涂布，并将涂布好的正极片进行辊压，以及将辊压后的正极片冲切成梯形。
进一步地，所述利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、负极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的负极片进行辊压和冲切以形成梯形负极片包括：
将粘结剂和溶剂在容器中混合搅拌，直至粘结剂完全溶解以形成第四浆料；
在第四浆料中加入导电剂炭黑和导电石墨并高速搅拌以形成第五浆料；
在第五浆料中加入负极活性物质和溶剂并搅拌以生成第六浆料并对容器抽真空至真空度达到预设区间；
对第六浆料进行电极涂布，并将涂布好的负极片进行辊压，以及将辊压后的负极片冲切成梯形。
进一步地，所述第二浆料的粘度范围为6000至9000mPa·s。
进一步地，所述第王浆料的粘度范围为3000至4000mPa·s。
进一步地，所述对容器抽真空后，容器内真空度的预设区间是真空度小于等于-0.08MPa。
进一步地，将对第三浆料进行电极涂布，生成的正极片涂布面密度的范围为400至420g/m2。
进一步地，将对第六浆料进行电极涂布，生成的负极片涂布面密度的范围为150至220g/m2。
进一步地，将涂布好的正极片进行辊压的压实比范围为2.8至3.2。
进一步地，将涂布好的负极片进行辊压的压实比范围为1.3至1.8。
进一步地，对电芯进行封装的温度范围为190至210℃，封边宽度为5至8mm。
进一步地，将电解液注入电芯的注液量按照电池容量计算，所述注液量的范围为5.5至7.5g/Ah。
本发明所述的梯形锂离子电池及其制备方法针对智能可穿戴设备、无人机、巡检机器人等领域的梯形空间，最大尺度地利用其空间，提高设备电池的能量密度，从而有效提高了设备的续航能力。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施方式的梯形锂离子电池的结构示意图；
图2为根据本发明优选实施方式的梯形锂离子电池制备方法的流程图；
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施方式的梯形锂离子电池的结构示意图。如图1所示，所述梯形锂离子电池100包括正极片101、负极片102、隔膜103和电解液104，其中：
所述正极片101、负极片102、隔膜103均为梯形，且所述正极片101、负极片102和隔膜103对应的边长的长度的关系为正极片101的边长小于负极片102的边长，负极片102的边长小于隔膜103的边长；
按照隔膜103、负极片102、正极片101、隔膜的顺序层叠构成电芯，其中所述电芯的上表面和下表面被隔膜103覆盖；
所述电解液106位于电芯内的正极片101和负极片102上。
优选地，所述锂离子电池还包括正极耳105和负极耳106，其中正极耳105与正极片101连接，负极耳106与负极片102连接。
优选地，正极片边长范围为60至200mm，负极片边长范围为62至202mm。在本优选实施方式中，负极长的边长比正极片长2mm。
优选地，所述正极片包括铝箔、正极材料、导电剂、粘结剂，其中：
铝箔厚度不超过16μm；
正极材料采用三元材料；
导电剂采用炭黑、导电石墨、碳纳米管中的1种或2种，用量的质量百分比不超过4.5％；
粘结剂采用聚偏氟乙烯，用量的质量百分比不超过4.5％；
正极片涂布面密度不低于400g/m2。
优选地，所述三元材料是LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2或LiNi0.8Co0.15Al0.05O2中的任意一种。
优选地，所述正极片的正极材料以金属锂为对电极，在0.2C倍率下的放电容量大于160mAh/g。
优选地，所述负极片包括铜箔、负极材料、导电剂、粘结剂，其中：
铜箔厚度不超过8μm；
负极材料采用高容量石墨或硅碳复合材料；
导电剂采用炭黑、导电石墨、石墨烯中的1种或2种，用量的质量百分比不超过4.0％；
粘结剂采用聚偏氟乙烯，用量的质量百分比的不超过4.5％；
负极片容量相对正极片过量3-5％。
优选地，所述负极片的负极材料以金属锂为对电极，在0.2C倍率下的放电容量大于350mAh/g。
优选地，所述隔膜采用聚乙烯单层隔膜，厚度不超过25μm。
优选地，所述电解液采用Li PF6为电解质，采用碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的2种或3种作为溶剂，电解液浓度在1.0至1.5M/L之间。
优选地，所述电池采用铝塑膜材料进行封装，铝塑膜厚度小于160μm。
优选地，所述电池容量的范围是5至60Ah，厚度范围是3至15mm，质量能量密度大于230Wh/kg，最大持续放电电流2C，最大瞬间放电电流4C，且时间大于15s。
图2为根据本发明优选实施方式的梯形锂离子电池制备方法的流程图如图2所示，本发明所述梯形锂离子电池的制备方法200从步骤201开始。
在步骤201，利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、正极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的正极片进行辊压和冲切以形成梯形正极片；
在步骤202利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、负极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的负极片进行辊压和冲切以形成梯形负极片；
在步骤203，将正极片、负极片和隔膜通过叠片方式进行装配，并焊接正负极耳；
在步骤204，对电芯进行封装；
在步骤205，将电解液注入电芯生成梯形锂离子电池。
优选地，所述利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、正极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的正极片进行辊压和冲切以形成梯形正极片包括：
将粘结剂和溶剂在容器中混合搅拌，直至粘结剂完全溶解以形成第一浆料；
在第一浆料中加入导电剂炭黑和导电石墨并高速搅拌以形成第二浆料；
在第二浆料中加入正极活性物质和溶剂并搅拌以生成第三浆料并对容器抽真空至真空度达到预设区间；
对第三浆料进行电极涂布，并将涂布好的正极片进行辊压，以及将辊压后的正极片冲切成梯形。
优选地，所述第二浆料的粘度范围为6000至9000mPa·s。
优选地，所述对容器抽真空后，容器内真空度的预设区间是真空度小于等于-0.08MPa。
优选地，将涂布好的正极片进行辊压的压实比范围为2.8至3.2。
优选地，将对第三浆料进行电极涂布，生成的正极片涂布面密度的范围为400至420g/m2。
在本优选实施方式中，正极片制备时，将粘结剂和溶剂在搅拌罐中混合搅拌，直至粘结剂完全溶解；加入导电剂炭黑和导电石墨，高速搅拌30mi n；加入正极活性物质和溶剂，调节浆料粘度在9000mPa·s，搅拌3-4小时；对搅拌罐内抽真空至真空度等于-0.08MPa，再搅拌1小时；将搅拌好的浆料转移至涂布机料槽，进行电极涂布，正极片涂布面密度控制在420g/m2之间；将涂布好的正极片进行辊压，压实比控制在3.2；通过极片成型机，将辊压后的正极片冲切成梯形。
优选地，所述利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、负极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的负极片进行辊压和冲切以形成梯形负极片包括：
将粘结剂和溶剂在容器中混合搅拌，直至粘结剂完全溶解以形成第四浆料；
在第四浆料中加入导电剂炭黑和导电石墨并高速搅拌以形成第五浆料；
在第五浆料中加入负极活性物质和溶剂并搅拌以生成第六浆料并对容器抽真空至真空度达到预设区间；
对第六浆料进行电极涂布，并将涂布好的负极片进行辊压，以及将辊压后的负极片冲切成梯形。
优选地，所述第王浆料的粘度范围为3000至4000mPa·s。
优选地，将对第六浆料进行电极涂布，生成的负极片涂布面密度的范围为150至220g/m2。
优选地，将涂布好的负极片进行辊压的压实比范围为1.3至1.8。
在本优选实施方式中，负极片制备时，将粘结剂和溶剂在搅拌罐中混合搅拌，直至粘结剂完全溶解；加入导电剂炭黑和导电石墨，高速搅拌30mi n；加入负极活性物质和溶剂，调节浆料粘度在4000mPa·s，搅拌3-4小时；对搅拌罐内抽真空至真空度等于-0.08MPa，再搅拌1小时；将搅拌好的浆料转移至涂布机料槽，进行电极涂布，负极片涂布面密度控制在220g/m2；将涂布好的极片进行辊压，压实比控制在1.8；通过极片成型机，将辊压后的负极片冲切成梯形。
优选地，对电芯进行封装的温度范围为190至210℃，封边宽度为5至8mm。
优选地，将电解液注入电芯的注液量按照电池容量计算，所述注液量的范围为5.5至7.5g/Ah。
在本优选实施方式中，将正极片、负极片和隔膜通过叠片方式进行装配，采用超声波焊接机分别进行正负极耳的焊接，然后用铝塑膜对电芯进行封装，封边宽度8mm，封装温度210℃，封装时在底边侧留一个气袋，用作注液和排气。通过气袋将电解液注入电池内，注液量按照电池容量计算，注液量在7.5g/Ah，然后静置18小时进行化成。化成结束后，除去预留气袋，得到梯形锂离子电池。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (24)

1.一种梯形锂离子电池，其特征在于，所述梯形锂离子电池包括正极片、负极片、隔膜和电解液，其中：
所述正极片、负极片和隔膜均为梯形，且所述正极片、负极片和隔膜对应的边长的长度的关系为正极片的边长小于负极片的边长，负极片的边长小于隔膜的边长；
按照隔膜、负极片、隔膜、正极片的顺序层叠构成电芯，其中所述电芯的上表面和下表面被隔膜覆盖；
所述电解液位于电芯内的正极片和负极片上。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池还包括正极耳和负极耳，其中正极耳与正极片连接，负极耳与负极片连接。
3.根据权利要求1或者2所述的锂离子电池，其特征在于，正极片边长范围为60至200mm，负极片边长范围为62至202mm。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极片包括铝箔、正极材料、导电剂、粘结剂，其中：
铝箔厚度不超过16μm；
正极材料采用三元材料；
导电剂采用炭黑、导电石墨、碳纳米管中的1种或2种，用量的质量百分比不超过4.5％；
粘结剂采用聚偏氟乙烯，用量的质量百分比不超过4.5％；
正极片涂布面密度不低于400g/m2。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，所述三元材料是LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2或LiNi0.8Co0.15Al0.05O2中的任意一种。
6.根据权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极片的正极材料以金属锂为对电极，在0.2C倍率下的放电容量大于160mAh/g。
7.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极片包括铜箔、负极材料、导电剂、粘结剂，其中：
铜箔厚度不超过8μm；
负极材料采用高容量石墨或硅碳复合材料；
导电剂采用炭黑、导电石墨、石墨烯中的1种或2种，用量的质量百分比不超过4.0％；
粘结剂采用聚偏氟乙烯，用量的质量百分比不超过4.5％；
负极片容量相对正极片过量3-5％。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极片的负极材料以金属锂为对电极，在0.2C倍率下的放电容量大于350mAh/g。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述隔膜采用聚乙烯单层隔膜，厚度不超过25μm。
10.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述电解液采用LiPF6为电解质，采用碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的2种或3种作为溶剂，电解液浓度在1.0至1.5M/L之间。
11.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述电池采用铝塑膜材料进行封装，铝塑膜厚度小于160μm。
12.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述电池容量的范围是5至60Ah，厚度范围是3至15mm，质量能量密度大于230Wh/kg，最大持续放电电流2C，最大瞬间放电电流4C，且时间大于15s。
13.一种权利要求1至12中任意一个梯形锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、正极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的正极片进行辊压和冲切以形成梯形正极片；
利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、负极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的负极片进行辊压和冲切以形成梯形负极片；
将正极片、负极片和隔膜通过叠片方式进行装配，并焊接正负极耳；
对电芯进行封装；
将电解液注入电芯生成梯形锂离子电池。
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、正极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的正极片进行辊压和冲切以形成梯形正极片包括：
将粘结剂和溶剂在容器中混合搅拌，直至粘结剂完全溶解以形成第一浆料；
在第一浆料中加入导电剂炭黑和导电石墨并高速搅拌以形成第二浆料；
在第二浆料中加入正极活性物质和溶剂并搅拌以生成第三浆料并对容器抽真空至真空度达到预设区间；
对第三浆料进行电极涂布，并将涂布好的正极片进行辊压，以及将辊压后的正极片冲切成梯形。
15.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述利用粘结剂、溶剂、导电剂炭黑、导电石墨、负极活性物质制作浆料，对浆料进行电极涂布，并将涂布好的负极片进行辊压和冲切以形成梯形负极片包括：
将粘结剂和溶剂在容器中混合搅拌，直至粘结剂完全溶解以形成第四浆料；
在第四浆料中加入导电剂炭黑和导电石墨并高速搅拌以形成第五浆料；
在第五浆料中加入负极活性物质和溶剂并搅拌以生成第六浆料并对容器抽真空至真空度达到预设区间；
对第六浆料进行电极涂布，并将涂布好的负极片进行辊压，以及将辊压后的负极片冲切成梯形。
16.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述第二浆料的粘度范围为6000至9000mPa·s。
17.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述第王浆料的粘度范围为3000至4000mPa·s。
18.根据权利要求14或者15所述的制备方法，其特征在于，所述对容器抽真空后，容器内真空度的预设区间是真空度小于等于-0.08MPa。
19.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，将对第三浆料进行电极涂布，生成的正极片涂布面密度的范围为400至420g/m2。
20.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，将对第六浆料进行电极涂布，生成的负极片涂布面密度的范围为150至220g/m2。
21.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，将涂布好的正极片进行辊压的压实比范围为2.8至3.2。
22.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，将涂布好的负极片进行辊压的压实比范围为1.3至1.8。
23.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，对电芯进行封装的温度范围为190至210℃，封边宽度为5至8mm。
24.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将电解液注入电芯的注液量按照电池容量计算，所述注液量的范围为5.5至7.5g/Ah。
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