CN109088045B - 高能量密度锂离子电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一实施方式的高能量密度锂离子电池的制备方法，通过采用磁控溅射技术将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铜箔，将负极浆料涂布在所述多孔铜箔上得到负极片，采用磁控溅射技术将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上得到多孔铝箔，将正极浆料涂布在所述多孔铝箔上得到正极片，将所述正极片、隔膜和所述负极片进行层叠、卷绕以得到电芯，再对电芯进行注液、封装，以及老化和分容等操作，制备工艺简单易操作，流程短，显著节约了制造成本，同时得到的高能量密度电池的重量大大降低，相比于现有的锂离子电池，能量密度得到了大大提高，同时具有更好的循环稳定性。

Description

高能量密度锂离子电池的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种高能量密度锂离子电池的制备方法。
背景技术
锂离子电池，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池已广泛应用于移动电话、计算机、摄像机、照相机等的电源，并且在电动汽车技术、大型发电厂的储能电池、UPS电源、医疗仪器电源等领域具有重要作用。随着电子消费品的日益繁荣，市场对锂离子电池的需求增长迅猛，同时对锂离子电池的性能要求越来越高，长循环寿命、高能量密度、稳定性好等。能量密度是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小，电池能量密度是指电池的平均单位体积或质量所释放出的电能，电池能量密度＝电池容量×放电平台/电池重量。
目前锂离子电池中负极使用的基材是铜箔，该铜箔是采用电镀或挤压的方式成型的，厚度为6um～12um，面密度为54g/m2～108g/m2，铜箔的重量在锂离子电池中所占比例仅次于正负极粉料，大概为6％～20％。正极使用的基材是铝箔，该铝箔是采用压轧方式成型的，厚度为10um～16um，面密度为27g/m2～43.2g/m2，铝箔的重量在锂离子电池中所占比例大概为5％～10％，特别在大尺寸的动力电池中，其重量也是非常大的。
无论在数码还是动力电池领域，铜箔和铝箔在整个锂离子电池中属于辅材，其作用主要是传导电子。但在高度追求能量密度的今天，铜箔和铝箔所占的重量对于提高锂离子电池的能量密度来说，是极大的一个障碍。通过降低辅材的重量，是提高锂离子电池能量密度的一大方向。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种高能量密度锂离子电池的制备方法，制备工艺简单，流程短，能显著节约成本，同时通过该制备方法得到的高能量密度锂离子电池，能量密度高、循环稳定性好。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
高能量密度锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
采用磁控溅射技术将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铜箔；
将负极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂进行混合搅拌，得到负极浆料；将所述负极浆料涂布在所述多孔铜箔上，经过干燥和冷压操作，以及分条和裁片操作，得到负极片；
采用磁控溅射技术将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铝箔；
将正极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂进行混合搅拌，得到正极浆料；将所述正极浆料涂布在所述多孔铝箔上，经过干燥和冷压操作，以及分条和裁片操作，得到正极片；
将所述正极片、隔膜和所述负极片进行层叠，再进行卷绕操作，得到电芯；
将所述电芯进行电解液注入和封装操作，再顺序进行老化和分容操作，得到高能量密度锂离子电池。
在其中一个实施例中，采用40W～130W的溅射功率将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铜箔。
在其中一个实施例中，采用70W～180W的溅射功率将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铝箔。
在其中一个实施例中，所述高分子纤维纺织布采用聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚偏氟乙烯纤维或芳纶纤维编织而成。
在其中一个实施例中，所述高分子纤维纺织布的孔径为170nm～250nm。
在其中一个实施例中，所述多孔铜箔中铜金属的面密度为10g/m2～20g/m2。
在其中一个实施例中，所述多孔铝箔中铝的面密度为12g/m2～25g/m2。
在其中一个实施例中，所述正极活性物质为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、柠檬酸锂、草酸锂、四氧化三钴、三氧化二钴、氢氧化钴、硝酸钴、醋酸钴、硝酸铝、氧化铝、硫酸铝、氯化铝、二氧化钛、硅酸乙酯、二氧化硅和硝酸铈中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硬碳、硅碳、石墨烯和钛酸锂中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述造孔剂为碳酸氢铵、草酸、草酸铵、碳酸铵和硝酸胺中的至少一种。
上述高能量密度锂离子电池的制备方法，通过采用磁控溅射技术将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铜箔，将负极浆料涂布在所述多孔铜箔上得到负极片，采用磁控溅射技术将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上得到多孔铝箔，将正极浆料涂布在所述多孔铝箔上得到正极片，将所述正极片、隔膜和所述负极片进行层叠、卷绕以得到电芯，再对电芯进行注液、封装，以及老化和分容等操作，制备工艺简单易操作，流程短，显著节约了制造成本，同时得到的高能量密度电池的重量大大降低，相比于现有的锂离子电池，能量密度得到了大大提高，同时具有更好的循环稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施方式的高能量密度锂离子电池的制备方法的步骤流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，一实施方式的高能量密度锂离子电池的制备方法的步骤流程图，包括以下步骤：
S110、采用磁控溅射技术将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铜箔。
可以理解，磁控溅射是物理气相沉积(PVD)的一种，已经成功应用于不同薄膜的制备工艺。磁控溅射是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质(溅射靶材)作为靶电极(阴极)。在离子能量合适的情况下，入射离子和靶材表面的原子碰撞，将靶材表面的原子溅射出来，这些被溅射出来的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向飞行，射向基片并在基片上沉积下来，从而实现薄膜的形成。
在进行磁控溅射的过程中，一般先将工作气体输入真空腔室，工作气体一般为氩气。电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出氩离子和新的电子。氩离子在磁场和电场的作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。
在本实施方式中，将氩气输入真空腔室，将高分子纤维纺织布作为基体，将铜金属通过磁控溅射的方式溅射至高分子纤维纺织布上，并在高分子纤维纺织布上沉积下来，形成多孔铜箔。
为了得到质量更好的多孔铜箔，例如，所述铜金属的含铜量大于99％，如此，能够提高铜金属在高分子纤维纺织布上的沉积率，形成含铜量更高以及连续性更好的多孔铜箔；例如，所述高分子纤维纺织布的厚度为2μm～5μm，如此，能够使制备得到的多孔铜箔更加轻薄柔软，便于后期卷绕等，同时能够使得多孔铜箔的重量降低，进而使得锂离子电池的能量密度得到提高。
在其中一个实施例中，采用40W～130W的溅射功率将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铜箔。
可以理解，溅射功率对形成的薄膜结构的影响较大，当溅射功率较小时，溅射粒子的动能较小，发生表面扩散迁移和再结晶的可能性较小，薄膜颗粒尺寸较小。随着溅射功率的增加，溅射速率也随之增大，即在溅射时间相同的条件下，高功率下溅射出的粒子数目更多，粒子间直接碰撞成核的几率增大，另外，溅射粒子的能量也随之增大，高能量使得溅射粒子在基片上的扩散速率增大，使粒子相互结合成尺寸较大的晶粒，进而使得薄膜的致密性提高，晶体结构也得到了进一步优化。然而，溅射功率若是太大，则容易将高分子纤维纺织布的结构破坏，进而影响该薄膜的形成，或者使得薄膜的厚度均匀性受到影响，如此，经过多次实验分析，采用40W～130W的溅射功率将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，能够使得铜金属更多的固着在高分子纤维纺织布上，从而形成致密性更好的多孔铜箔。又如，采用60W～100W的溅射功率将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，如此，能够进一步提高多孔铜箔的致密性。
为了制备得到容量更大及循环稳定性更好的多孔铜箔，例如，将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上时，溅射时间为2.5h～5.0h，又如，溅射时氩气的气压为0.3Pa～1.0Pa，氩气的流量为30sccm～50sccm，再如，真空腔室的真空度为1.0×10-5Pa～1.0×10-4Pa，如此，能够使溅射得到的多孔铜箔的容量更大以及循环稳定性更好。
在其中一个实施例中，所述高分子纤维纺织布采用聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚偏氟乙烯纤维或芳纶纤维编织而成。
可以理解，聚对苯二甲酸乙二醇酯简称聚酯(PET)，由对苯二甲酸二甲酯与乙二醇酯交换或以对苯二甲酸与乙二醇酯化先合成对苯二甲酸双羟乙酯，然后再进行缩聚反应制得，其中部分聚对苯二甲酸乙二醇酯要再通过水下切粒而最终生成。聚对苯二甲酸乙二醇酯具有优良的物理机械性能和电绝缘性，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，另外，聚对苯二甲酸乙二醇酯具有酯键，耐有机电解液以及耐候性优良。纤维级聚酯切片是制造涤纶短纤维和涤纶长丝的原料。如此，采用聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维编织所述高分子纤维纺织布，能够使得所述高分子纤维纺织布具有良好的物理机械性能，例如，具有良好的力学性能，冲击强度是其他薄膜的4～7倍，耐折性和耐摩擦性良好，同时非常耐锂离子电池内部的有机电解液。如此，采用磁控溅射技术将铜金属溅射至所述高分子纤维纺织布上，能够得到力学性能、耐折性和耐摩擦性良好以及耐有机电解液的多孔铜箔，进而利于后续制备得到高能量密度的锂离子电池。例如，所述高分子纤维纺织布采用聚酰胺纤维编织而成，可以理解，聚酰胺俗称锦纶，是分子主链上含有重复酰胺基团的热塑性树脂总称，具有很高的机械强度，自润滑性和电绝缘性好，采用聚酰胺纤维编织而成的所述高分子纤维纺织布具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，如此，将铜金属溅射至所述高分子纤维纺织布上能够形成综合性能更高的多孔铜箔，进而利于后续制备得到高能量密度的锂离子电池；例如，所述高分子纤维纺织布还可以采用聚酰亚胺纤维编织而成，如此，能够使所述高分子纤维纺织布的机械强度和耐化学药品性能更好；又如，所述高分子纤维纺织布采用聚偏氟乙烯纤维编织而成，可以理解，聚偏氟乙烯具有优良的耐化学腐蚀性和耐磨性，还具有很高的耐冲击性强度，如此，聚偏氟乙烯纤维具有良好的化学稳定性、电绝缘性以及耐磨性，能够使得编织得到的所述高分子纤维纺织布的耐有机电解液的性能，以及耐冲击性强度更好，进而例如制备得到性能更好的多孔铜箔；再如，所述高分子纤维纺织布采用芳纶纤维编织而成，可以理解，芳纶又称苯二甲酰苯二胺，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能，如此，采用芳纶纤维编织而成的所述高分子纤维纺织布能够具有良好的耐耐酸耐碱以及绝缘性好等特点，尤其是重量轻，如此，能够使制备得到的多孔铜箔更耐有机电解液，同时重量更轻，进而有利于后续制备得到能量密度更高的锂离子电池。需要特别说明的是，所述高分子纤维纺织布采用的编织材料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚偏氟乙烯纤维或芳纶纤维的重量均较轻，如此，能够大大降低编织而成的多孔铜箔的重量，从而能够降低制备得到的锂离子电池的重量，进而能够提升5％～10％的锂离子电池的能量密度。
在其中一个实施例中，所述高分子纤维纺织布的孔径为170nm～250nm。
可以理解，铜箔是锂离子电池集流体的主要材料，作用是将电池活性物质产生的电流汇集起来，以便形成较大的电流输出。一般将配置好的负极活性浆料均匀的涂覆在铜箔表面，经干燥、冷压、分切等工序，制得负极电极。本实施方式中，多孔铜箔为采用磁控溅射技术将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上得到，如此，所述高分子纤维纺织布的孔径大小对多孔铜箔的孔隙率以及机械强度会有较大的影响，若所述高分子纤维纺织布的孔径过大，则会降低铜金属在所述高分子纤维纺织布上形成的多孔铜箔的致密度和均匀平整度，但若所述高分子纤维纺织布的孔径过小，则会使得铜金属和所述高分子纤维纺织布的结合力不足，从而影响制备得到的多孔铜箔的粘接性，进而影响负极活性浆料涂覆在所述多孔铜箔的附着力以及影响电流的输出。为了制备得到机械强度更好以及汇集电流性能更好的多孔铜箔，例如，所述高分子纤维纺织布的孔径为170nm～250nm，如此，能够使得制备得到的多孔铜箔的机械性能以及汇集电流的性能的更好；又如，所述高分子纤维纺织布的孔隙率为75％～96％，如此，能够使制备得到的多孔铜箔与电解液和负极浆料充分的接触，减少了锂离子的扩散路径，提高了电化学反应效率，进而利于后续制备得到高能量密度的锂离子电池。
在其中一个实施例中，所述多孔铜箔中铜金属的面密度为10g/m2～20g/m2。
可以理解，电池能量密度是指电池的平均单位体积或质量所释放出的电能，现有的锂离子电池的铜箔的重量在锂离子电池中所占比例一般为6％～20％，仅次于正负极粉料，使得电池的重量较大，从而降低了锂离子电池的能量密度。如此，为了降低电池的重量，本实施方式中的多孔铜箔中铜金属的面密度为10g/m2～20g/m2，如此，在不影响锂离子电池的良好性能的情况下，进一步降低了锂离子电池的重量，进而提高了所述锂离子电池的能量密度。例如，所述多孔铜箔中铜金属的面密度为13g/m2～17g/m2，如此，能够使得所述锂离子电池的能量密度更高。
S120、将负极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂进行混合搅拌，得到负极浆料；将所述负极浆料涂布在所述多孔铜箔上，经过干燥和冷压操作，以及分条和裁片操作，得到负极片。
通过将负极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂进行混合搅拌，能够得到负极浆料。可以理解，电极浆料的性能对锂离子电池的性能有着重要的影响，电极浆料中各组分分散越均匀，电极片便具有越好的加工性能，且电极片各处的阻抗分布越均匀，同时在充放电时活性物质的作用能够发挥的越大，从而使得锂离子电池的性能更加优良。为了提高负极浆料的性能，例如，所述负极活性物质、所述造孔剂、所述导电剂、所述粘接剂和所述溶剂的质量比例为(90～95)：(1～3)：(1～4)：(2～5)：(75～85)，又如，在将负极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂进行混合搅拌的过程中，还加入了分散剂，如此，能够使得混合体系中的各组分混合的更加均匀，避免出现团聚或结块的问题，例如，所述分散剂为羧甲基纤维素、鞣酸、六偏磷酸钠中的至少一种，如此，能够使得负极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂分散的更加均匀，从而在混合搅拌后，得到各组分分散更加均匀的负极浆料，再如，采用600转/分钟～800转/分钟的搅拌速度，对负极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂进行搅拌，如此有利于后续制备得到性能更好的锂离子电池。
为了提高负极片的性能，例如，在将所述负极浆料涂布在所述多孔铜箔上的操作之前，还包括如下步骤：S121、将负极浆料进行冷却；S122、将负极浆料投入至真空釜中，进行真空脱泡；S123、将步骤S122得到的真空脱泡后的负极浆料进行过滤操作，得到负极浆料。通过上述步骤对所述负极浆料进行处理，能够提高所述负极浆料的均匀性和稳定性，例如脱泡后的负极浆料涂覆在多孔铜箔上后，不易因浆料里的过多的泡沫破裂，从而影响负极浆料在多孔铜箔上的均匀性和平整性，经过过滤操作，还能够将过大的或未充分分散的颗粒进行剔除，如此，能够使得所述负极浆料在涂布到多孔铜箔后更加平整和连续，避免在涂布时造成断带。
通过将所述负极浆料涂布在所述多孔铜箔上，经过干燥和冷压操作，以及分条和裁片操作，得到负极片。
可以理解，在将所述负极浆料涂布在所述多孔铜箔上的过程中，若环境湿度较大，负极浆料容易吸收环境中的水分，导致负极浆料的粘度逐渐增大，破坏负极浆料的流动性和均匀状态，导致负极浆料涂布面密度不稳定、涂布外观粗糙、极片内阻较大或者极片覆料粘结性不好，在后续操作过程中容易掉料，影响电池后期的性能；例如，在涂布的过程中将负极浆料的湿度控制在0％～8％相对湿度的范围，如此，能够使得所述负极浆料涂布在所述多孔铜箔上的效果更佳。将所述负极浆料涂布在所述多孔铜箔上后，还需要经过干燥形成负极膜片，为了使得所述负极浆料更快速的干燥，同时又不会影响或者破坏负极浆料的性能，例如，所述干燥的温度为40℃～120℃。将负极膜片进行冷压操作，以便后续制备得到负极片，例如，采用7m/min～45m/min的冷压速度，3MP～70MP的冷压压力，60μm～1.0mm的冷压间隙进行冷压操作，如此，能够提高负极片的孔隙率，同时使得形成的孔隙大小更加均匀，在保证负极片耐用性的条件下，大大提高了锂离子电池的充电能力和循环能力。将所述负极膜片进行分条和裁片操作，得到所需要的规格的负极片。
在其中一个实施例中，所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硬碳、硅碳、石墨烯和钛酸锂中的至少一种。
可以理解，负极活性材料是锂离子电池的重要组成部分，它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键指标。为了提高锂离子电池的的容量，以及改善锂离子电池的循环耐久性，例如，所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硬碳、硅碳、石墨烯和钛酸锂中的至少一种。又如，所述负极活性物质为钛酸锂，可以理解，钛酸锂具有高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点，将钛酸锂作为锂离子电池的负极活性物质，能够使得制备得到的锂离子电池安全性能更高，稳定性更强，且循环次数更多。再如，所述负极活性物质为硅碳，可以理解，纳米硅粉具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性、松装密度低等特点，且无毒、无味。纳米硅与石墨材料组成硅碳复合材料，作为锂离子电池的负极活性材料，能够大幅度提高锂离子电池的容量，进而提高锂离子电池的能量密度。
在其中一个实施例中，所述造孔剂为碳酸氢铵、草酸、草酸铵、碳酸铵和硝酸胺中的至少一种。可以理解，造孔剂能够使得负极浆料在受热的过程中分解而产生大量的气泡，使得锂离子电池的负极片具有更高的孔隙率，同时又能保证负极浆料与多孔铜箔两者间结合的强度，例如，所述造孔剂为碳酸氢铵、草酸、草酸铵、碳酸铵和硝酸胺的混合物，其中，所述碳酸氢铵、所述草酸、所述草酸铵、所述碳酸铵和所述硝酸胺的质量比例为(5～13)：(3～8)：(4～14)：(6～15)：(2～11)，如此，能够进一步提高所述负极片的孔隙率，同时能够增强负极浆料与所述多孔铜箔之间的结合强度。
为了提高负极片的导电性能，以及使得负极浆料在负极片中形成良好的导电网络，减轻负极片的重量，改善锂离子电池的大电流充放电性能，例如，所述导电剂为碳纤维、乙炔黑和碳纳米管中的至少一种，如此，能够提高锂离子在负极材料中的迁移效率，从而提高负极片的充放电效率，进而有利于提高制备得到的锂离子电池的能量密度。
为了提高负极浆料涂布在多孔铜箔后具有更强的粘接性，同时使得后续制备得到的负极片更加柔软，通过电解液的性能更好，以及循环性能更好，在制备负极浆料的过程中，还加入了粘接剂，例如，所述粘接剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇和聚丙烯酸中的至少一种。如此，能够使得制备得到的负极浆料的性能更高，利于后续涂布在多孔铜箔上后，能够粘接的更加紧密，进而使得制备得到的负极片能够更好的通过电解液，同时具备更高的循环性能。
在制备负极浆料的过程中，可以先将造孔剂和粘接剂加入到溶剂中进行混合搅拌，例如，搅拌速度为150转/分钟～400转/分钟，如此，能够使得造孔剂和粘接剂充分溶解在溶剂中；然后再将导电剂和负极活性物质加入到所述溶剂中，继续混合搅拌，例如，采用的搅拌速度为200转/分钟～500转/分钟，如此，能够使得负极活性物质与造孔剂、导电剂和粘接剂以及溶剂充分并且均匀的混合，得到质地更加均匀的负极浆料，有利于后续涂布在所述多孔铜箔上后，能够更加平整，不易出现断带或断层的问题。例如，所述溶剂为乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮和去离子水中的至少一种。如此，能够使得负极活性物质、造孔剂、导电剂与粘接剂更好的溶解于所述溶剂中，得到性能更好的负极浆料。
S130、采用磁控溅射技术将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铝箔。
可以理解，锂离子电池的工作原理是将化学能转化为电能的一种电化学装置，需要一种介质把化学能转化的电能传递出来，这就需要导电的材料，同时在制备锂离子电池的过程中，还需要进行卷绕和叠片等工序，如此，本实施方式中将导电性能好，质地柔软且价格便宜的多孔铝箔作为锂离子电池的正极材料，更加符合实际需求。如此，通过采用磁控溅射技术将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上，能够得到多孔铝箔，将所述高分子纤维纺织布作为基体，将铝金属通过磁控溅射的方式溅射至高分子纤维纺织布上，并在高分子纤维纺织布上沉积下来，形成多孔铝箔。
为了得到质量更好的多孔铝箔，例如，所述铝金属的含铝量大于98％，如此，能够提高铝金属在高分子纤维纺织布上的沉积率，形成含铝量更高以及连续性更好的多孔铝箔；例如，所述高分子纤维纺织布的厚度为3μm～6μm，如此，能够使制备得到的多孔铝箔更加轻薄柔软，便于后期叠片和卷绕等，同时能够使得多孔铝箔的重量降低，进而使得锂离子电池的能量密度得到提高。
在其中一个实施例中，采用70W～180W的溅射功率将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铝箔。可以理解，溅射功率对形成的薄膜结构的影响较大，当溅射功率较小时，溅射粒子的动能较小，发生表面扩散迁移和再结晶的可能性较小，薄膜颗粒尺寸较小。随着溅射功率的增加，溅射速率也随之增大，即在溅射时间相同的条件下，高功率下溅射出的粒子数目更多，粒子间直接碰撞成核的几率增大，另外，溅射粒子的能量也随之增大，高能量使得溅射粒子在基片上的扩散速率增大，使粒子相互结合成尺寸较大的晶粒，进而使得薄膜的致密性提高，晶体结构也得到了进一步优化。然而，溅射功率若是太大，则容易将高分子纤维纺织布是结构破坏，进而影响该薄膜的形成，或者使得薄膜的厚度均匀性受到影响，如此，采用70W～180W的溅射功率将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上，能够得到致密性更高以及性能更好的多孔铝箔。又如，溅射时间为3h～5h，调节气压为0.6Pa～1.5Pa，氩气的流量为35sccm～55sccm，再如，真空腔室的真空度为1.5×10-5Pa～2.0×10- 4Pa，如此，能够使溅射得到的多孔铝箔的容量更大以及循环稳定性更好。
在其中一个实施例中，所述多孔铝箔中铝的面密度为12g/m2～25g/m2。
可以理解，现有的锂离子电池的铝箔的重量在锂离子电池中所占比例较大，从而降低了锂离子电池的能量密度，如此，为了降低锂离子电池的重量，例如，所述多孔铝箔中铝的面密度为12g/m2～25g/m2，如此，大大降低了锂离子电池的重量，进而提高了所述锂离子电池的能量密度。又如，所述多孔铝箔中铝的面密度为15g/m2～22g/m2，如此，能够进一步提高所述锂离子电池的能量密度。
为了降低所述多孔铝箔的重量，例如，所述高分子纤维纺织布采用聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚偏氟乙烯纤维或芳纶纤维编织而成。可以理解，聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚偏氟乙烯纤维和芳纶纤维均为高分子轻质纤维，重量较轻，采用聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚偏氟乙烯纤维或芳纶纤维编织而成的多孔铝箔的重量能够大大降低，从而能够使制备得到的锂离子电池的能量密度更高。
S140、将正极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂进行混合搅拌，得到正极浆料；将所述正极浆料涂布在所述多孔铝箔上，经过干燥和冷压操作，以及分条和裁片操作，得到正极片。
通过将正极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂进行混合搅拌，能够得到正极浆料。可以理解，电极浆料的性能对锂离子电池的性能有着重要的影响，电极浆料中各组分分散越均匀，电极片便具有越好的加工性能，且电极片各处的阻抗分布越均匀，同时在充放电时活性物质的作用能够发挥的越大，从而使得锂离子电池的性能更加优良。为了提高正极浆料的性能，例如，在制备正极浆料的过程中，将正极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂混合搅拌的过程中，还加入了分散剂，例如，所述分散剂为羧甲基纤维素和/或六偏磷酸钠，如此，能够使得混合体系中的各组分分散的更加均匀，避免出现团聚或结块的问题，如此，能够使制备得到的正极浆料的性能更好，进而利于后续制备得到性能更好的锂离子电池。
将所述正极浆料涂布在所述多孔铝箔上，经过干燥和冷压操作，以及分条和裁片操作，得到正极片。例如，在涂布的过程中，将环境湿度控制在0％～9％相对湿度的范围，如此，能够避免正极浆料在涂布时吸收环境中的水分，导致粘度增大，而影响正极浆料的流动性，使得在涂布后正极浆料的面密度不够稳定，或者外观较为粗糙的问题。又如，采用45℃～130℃的温度将正极浆料进行干燥。再如，采用8m/min～50m/min的冷压速度，4MP～60MP的冷压压力，50μm～85μm的冷压间隙进行冷压操作，如此，能够提高正极片的孔隙率，同时使得形成的多孔铝箔的孔隙大小更加均匀，大大提高了锂离子电池的充电能力和循环能力。将干燥和冷压后的正极片进行分条和裁片操作，先裁成大条的正极片，然后分成所需要的小条正极片。
在其中一个实施例中，所述正极活性物质为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、柠檬酸锂、草酸锂、四氧化三钴、三氧化二钴、氢氧化钴、硝酸钴、醋酸钴、硝酸铝、氧化铝、硫酸铝、氯化铝、二氧化钛、硅酸乙酯、二氧化硅和硝酸铈中的至少一种。
可以理解，正极材料是锂离子电池的重要组成部分，直接影响着锂离子电池的容量、循环性能等参数。例如，所述正极活性物质为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、柠檬酸锂、草酸锂、四氧化三钴、三氧化二钴、氢氧化钴、硝酸钴、醋酸钴、硝酸铝、氧化铝、硫酸铝、氯化铝、二氧化钛、硅酸乙酯、二氧化硅和硝酸铈中的至少一种。例如，所述正极活性物质为氢氧化锂，可以理解，氢氧化锂作为正极活性物质具有稳定性和一致性好的优势，氢氧化锂的融水性及分解温度较高，且烧结过程中不会有一氧化碳的释放而不会发生氧化还原反应的存在，如此，能够使得制备得到的正极片的稳定性和一致性更好。
S150、将所述正极片、隔膜和所述负极片进行层叠，再进行卷绕操作，得到电芯。
可以理解，电芯制备是锂离子电池制造工艺中的一个重要工序，通过将所述正极片、隔膜和所述负极片进行层叠合成小电芯单体，然后将小电芯单体进行叠放并联起来形成大电芯单体，再将大电芯单体进行卷绕，得到锂离子电池的电芯，能够提高电芯的生产效率，使得后续制备得到的锂离子电池的阻抗较小，散热性能更好，进而提高了锂离子电池的能量密度。
S160、将所述电芯进行电解液注入和封装操作，再顺序进行老化和分容操作，得到高能量密度锂离子电池。
为了得到高能量密度锂离子电池，例如，所述电解液为电解质锂盐、有机溶剂和添加剂混合制得，例如，所述电解质锂盐为LiPF6、LiBF4、LiClO4和LiAsF6中的至少一种；又如，所述有机溶剂为碳酸丙烯酯(PC)，碳酸乙烯酯(EC)，碳酸丁烯酯(BC)，碳酸二乙酯(DEC)，碳酸二甲酯(DMC)，碳酸甲乙酯(EMC)，碳酸甲丙酯(MPC)，四氢呋喃(THF)，二甲氧甲烷(DMM)，γ-丁内酯(GBL)，甲酸甲酯(MF)，乙酸甲酯(MA)中的至少一种；再如，所述添加剂为碳酸亚乙烯酯(VC)，酸乙烯亚乙烯酯(VEC)中的至少一种；
将所述电芯包上包装铝箔，再将所述电解液注入到所述电芯与所述包装铝箔形成的腔体中，再进行热封装操作，将所述电芯完全封住，得到锂离子电池。可以理解，对于刚制造出来的锂离子电池需要进行一次小电流的充放电，这是由于电池制作完成后，电极材料并不是处在最佳适用状态，或者物理性质不合适，例如颗粒太大，接触不紧密等，或者物相本身不对，例如一些合金机理的金属氧化物负极，需要进行首次充放电对其激活。如此，将所述电芯进行电解液注入和封装操作后，还进行了化成操作，对锂离子电池进行首次充放电将所述锂离子电池进行激活。
为了使得锂离子电池初次充电化成后形成的SEI膜的性质和组成更加稳定，保证电池电化学性能的稳定性，再对所述锂离子电池顺序进行老化和分容操作，能够得到高能量密度锂离子电池。例如，将所述锂离子电池在高温条件下进行老化，有利于SEI结构发生重组，形成宽松多孔的膜，如此，能够使得制备得到的高能量密度锂离子电池的电压更加准确和稳定。
上述高能量密度锂离子电池的制备方法，通过采用磁控溅射技术将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铜箔，将负极浆料涂布在所述多孔铜箔上得到负极片，采用磁控溅射技术将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上得到多孔铝箔，将正极浆料涂布在所述多孔铝箔上得到正极片，将所述正极片、隔膜和所述负极片进行层叠、卷绕以得到电芯，再对电芯进行注液、封装，以及老化和分容等操作，制备工艺简单易操作，流程短，显著节约了制造成本，同时得到的高能量密度电池的重量大大降低，相比于现有的锂离子电池，能量密度得到了大大提高，同时具有更好的循环稳定性。
下面为具体实施例部分。
实施例1
提供KurtJ.Lesker(美国)公司生产的型号为LAB18的磁控溅射仪，含铜量为99.5％的铜金属，将由聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维编织而成的高分子纤维纺织布作为基体，置于磁控溅射仪的样品基台上，打开机械泵先预抽真空到20Pa，打开分子泵开始抽高真空，2.5h后将真空腔室的气压抽到1.0×10-5Pa，打开氩气流量阀控制流量在30sccm，通入气体5min后通过扎板阀控制腔体气压到0.8Pa，做好准备后打开基体旋转开关，控制基体转速在24r/min，打开溅射电源，将铜金属溅射电源调到功率40W，起辉预溅射5min除去高分子纤维纺织布表面的杂质，预溅射后打开基体挡板先溅射10min的铜薄膜，与高分子纤维纺织布形成面密度为10g/m2的多孔铜箔；
将1mol钛酸锂，1.5mol碳酸氢铵、0.05mol乙炔黑、0.02mol丁苯橡胶和5mol乙醇进行混合，采用600转/分钟的搅拌速度进行搅拌，得到负极浆料；在相对湿度为2％的环境下将负极浆料涂布在多孔铜箔上，经过干燥，冷压，分条和裁片操作，得到负极片；
通过磁控溅射仪将含铝量为99％的铝金属溅射至由聚酰胺纤维编织而成的高分子纤维纺织布上，得到多孔铝箔，其中，溅射时间为3h，腔体气压为0.6Pa，氩气的流量为35sccm，真空腔室的真空度为1.5×10-5Pa；
将1mol氢氧化锂，1.5mol草酸铵、0.05mol碳纤维、0.02mol羧甲基纤维素钠和5mol乙二醇进行混合，采用650转/分钟的搅拌速度进行搅拌，得到正极浆料；在相对湿度为2％的环境下将正极浆料涂布在多孔铝箔上，经过干燥，冷压，分条和裁片操作，得到正极片；
将正极片、隔膜和负极片进行层叠，再进行卷绕操作，得到电芯；
将电芯进行电解液注入和封装操作，再顺序进行老化和分容操作，得到实施例1的高能量密度锂离子电池。
实施例2
提供KurtJ.Lesker(美国)公司生产的型号为LAB18的磁控溅射仪，含铜量为99.5％的铜金属，将由聚酰亚胺纤维编织而成的高分子纤维纺织布作为基体，置于磁控溅射仪的样品基台上，打开机械泵先预抽真空到30Pa，打开分子泵开始抽高真空，3h后将真空腔室的气压抽到1.5×10-5Pa，打开氩气流量阀控制流量在35sccm，通入气体10min后通过扎板阀控制腔体气压到1.0Pa，做好准备后打开基体旋转开关，控制基体转速在30r/min，打开溅射电源，将铜金属溅射电源调到功率80W，起辉预溅射5min除去高分子纤维纺织布表面的杂质，预溅射后打开基体挡板先溅射15min的铜薄膜，与高分子纤维纺织布形成面密度为15g/m2的多孔铜箔；
将1mol硅碳，1.5mol草酸、0.09mol碳纳米管、0.08mol聚偏氟乙烯和5mol去离子水进行混合，采用600转/分钟的搅拌速度进行搅拌，得到负极浆料；在相对湿度为2％的环境下将负极浆料涂布在多孔铜箔上，经过干燥，冷压，分条和裁片操作，得到负极片；
通过磁控溅射仪将含铝量为99.5％的铝金属溅射至由芳纶纤维编织而成的高分子纤维纺织布上，得到多孔铝箔，其中，溅射时间为3.5h，腔体气压为0.7Pa，氩气的流量为40sccm，真空腔室的真空度为1.0×10-4Pa；
将1mol三氧化二钴，1.5mol硝酸胺、0.05mol碳纤维、0.02mol聚丙烯酸和5mol乙二醇进行混合，采用650转/分钟的搅拌速度进行搅拌，得到正极浆料；在相对湿度为1％的环境下将正极浆料涂布在多孔铝箔上，经过干燥，冷压，分条和裁片操作，得到正极片；
将正极片、隔膜和负极片进行层叠，再进行卷绕操作，得到电芯；
将电芯进行电解液注入和封装操作，再顺序进行老化和分容操作，得到实施例2的高能量密度锂离子电池。
实施例3
提供KurtJ.Lesker(美国)公司生产的型号为LAB18的磁控溅射仪，含铜量为99.8％的铜金属，将由聚酰亚胺纤维编织而成的高分子纤维纺织布作为基体，置于磁控溅射仪的样品基台上，打开机械泵先预抽真空到30Pa，打开分子泵开始抽高真空，3h后将真空腔室的气压抽到1.5×10-5Pa，打开氩气流量阀控制流量在35sccm，通入气体10min后通过扎板阀控制腔体气压到1.0Pa，做好准备后打开基体旋转开关，控制基体转速在30r/min，打开溅射电源，将铜金属溅射电源调到功率80W，起辉预溅射5min除去高分子纤维纺织布表面的杂质，预溅射后打开基体挡板先溅射15min的铜薄膜，与高分子纤维纺织布形成面密度为15g/m2的多孔铜箔；
将1mol石墨烯，1.5mol碳酸铵、0.09mol乙炔黑、0.08mol聚偏氟乙烯和5molN-甲基吡咯烷酮进行混合，采用700转/分钟的搅拌速度进行搅拌，得到负极浆料；在相对湿度为2％的环境下将负极浆料涂布在多孔铜箔上，经过干燥，冷压，分条和裁片操作，得到负极片；
通过磁控溅射仪将含铝量为99.8％的铝金属溅射至由芳纶纤维编织而成的高分子纤维纺织布上，得到多孔铝箔，其中，溅射时间为3.5h，腔体气压为0.7Pa，氩气的流量为40sccm，真空腔室的真空度为1.0×10-4Pa；
将1mol草酸锂，1.5mol碳酸氢铵、0.05mol碳纤维、0.02mol聚乙烯醇、0.03mol羧甲基纤维素和5mol丙醇进行混合，采用650转/分钟的搅拌速度进行搅拌，得到正极浆料；在相对湿度为1％的环境下将正极浆料涂布在多孔铝箔上，经过干燥，冷压，分条和裁片操作，得到正极片；
将正极片、隔膜和负极片进行层叠，再进行卷绕操作，得到电芯；
将电芯进行电解液注入和封装操作，再顺序进行老化和分容操作，得到实施例3的高能量密度锂离子电池。
通过实验分析佐证，实施例1-实施例3制备得到的高能量密度锂离子电池的内阻均小于目前市场上常见的锂离子电池，同时在相同体积的条件下，实施例1-实施例3的锂离子电池的重量仅为现有锂离子电池的70％，均匀输出电压高，自放电小，且能够快速的充放电，循环稳定性更强；尤其是实施例3的锂离子电池的能量密度最高，这是由于更加优化了正负极浆料的组分以及配比，同时调整了磁控溅射的工作条件，使得制备得到的多孔铜箔及多孔铝箔的性能更好，从而使得制备得到容量更大以及循环稳定性更好的正极片和负极片，进而制备得到了能量密度更高的锂离子电池。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.高能量密度锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用磁控溅射技术将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铜箔；
将负极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂进行混合搅拌，得到负极浆料；将所述负极浆料涂布在所述多孔铜箔上，经过干燥和冷压操作，以及分条和裁片操作，得到负极片；
采用磁控溅射技术将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铝箔；
将正极活性物质与造孔剂、导电剂、粘接剂和溶剂进行混合搅拌，得到正极浆料；将所述正极浆料涂布在所述多孔铝箔上，经过干燥和冷压操作，以及分条和裁片操作，得到正极片；
将所述正极片、隔膜和所述负极片进行层叠，再进行卷绕操作，得到电芯；
将所述电芯进行电解液注入和封装操作，再顺序进行老化和分容操作，得到高能量密度锂离子电池；
其中，所述多孔铜箔中铜金属的面密度为10g/m2～20g/m2；所述多孔铜箔采用的磁控溅射技术的条件包括：溅射功率为40W～130W，溅射时间为2.5h～5.0h，溅射时氩气的气压为0.3Pa～1.0Pa，氩气的流量为30sccm～50sccm，真空腔室的真空度为1.0×10-5Pa～1.0×10-4Pa；所述多孔铝箔中铝的面密度为12g/m2～25g/m2；所述多孔铝箔采用的磁控溅射技术的的条件包括：溅射功率为70W～180W，溅射时间为3h～5h，调节气压为0.6Pa～1.5Pa，氩气的流量为35sccm～55sccm，真空腔室的真空度为1.5×10-5Pa～2.0×10-4Pa。
2.根据权利要求1所述的高能量密度锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述高分子纤维纺织布采用聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚偏氟乙烯纤维或芳纶纤维编织而成。
3.根据权利要求1所述的高能量密度锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述高分子纤维纺织布的孔径为170nm～250nm。
4.根据权利要求1所述的高能量密度锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述正极活性物质为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、柠檬酸锂、草酸锂、四氧化三钴、三氧化二钴、氢氧化钴、硝酸钴、醋酸钴、硝酸铝、氧化铝、硫酸铝、氯化铝、二氧化钛、硅酸乙酯、二氧化硅和硝酸铈中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的高能量密度锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述负极活性物质为人造石墨、天然石墨、硬碳、硅碳、石墨烯和钛酸锂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的高能量密度锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述造孔剂为碳酸氢铵、草酸、草酸铵、碳酸铵和硝酸胺中的至少一种。
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