CN109286045B - 一种锂离子电池及其制作方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂离子电池及其制作方法和用途，所述锂离子电池包括正极片、负极片、第一隔膜和电解液，所述负极片包括负极活性物质层和第二隔膜，所述负极活性物质层设置于所述第二隔膜表面，且所述负极片不包括负极集流体，但含有负极极耳。所述锂离子电池的电池容量和能量密度得到提高，由于不含有负极集流体，降低了锂离子电池成本，简化了锂离子电池的制作工艺，所述锂离子电池适用于中小电流放电领域。

Description

一种锂离子电池及其制作方法和用途

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及一种锂离子电池及其制作方法和用途。

背景技术

传统锂离子电池负极片是把负极活性物质涂覆在负极集流体两面，再和正极片、隔膜叠片或卷绕制成电芯，该方法成熟应用在方形、软包和圆柱等锂离子电池的制造过程。

锂离子电池通常使用的正极集流体是铝箔，负极集流体是铜箔，为了保证集流体在电池内部稳定性，二者纯度都要求在98％以上。随着锂电技术的不断发展，无论是用于数码产品的锂电池还是电动汽车的电池，我们都希望电池的能量密度尽量高，电池的重量越来越轻，而在集流体这块最主要就是降低集流体的厚度和重量，从直观上来减少电池的体积和重量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池及其制作方法和用途，所述锂离子电池中不包含负极集流体，提高了电池容量和能量密度，降低了锂离子电池成本，简化了锂离子电池的制作工艺，所述锂离子电池适用于数码电子产品的电源。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种锂离子电池，包括正极片、负极片、第一隔膜和电解液，所述负极片包括负极活性物质层和第二隔膜，所述负极活性物质层设置于所述第二隔膜表面，且所述负极片不包括负极集流体。

所述锂离子电池不设置负极集流体，相对于具有相同体积或质量电芯的锂离子电池，其容量和能量密度均得到了提高；另外，由于负极物质载体为隔膜，而隔膜具有离子穿透效果，电解液分布更均匀，充放电时浓差极化低，电池放电容量提高，而隔膜的弹性还可以缓解负极物质膨胀，提高电池的循环寿命。

所述负极活性物质层为含有石墨的负极活性物质层。

优选地，所述负极活性物质层中还含有活性炭、乙炔黑、碳纳米管、碳纤维或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合如活性炭与乙炔黑，活性炭、碳纳米管和碳纤维，碳纳米管、碳纤维与石墨烯。所述活性炭、乙炔黑、碳纳米管、碳纤维或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合能够增加负极活性物质的导电性。

所述负极活性物质层按重量份数由如下原料制备得到：

石墨88-99份，如89份、90份、92份、95份、97份或98份等；

导电炭黑0-5份，如0.5份、1份、2份、3份、4份或4.5份等；

丁苯橡胶0.5-2份，如0.6份、0.8份、1.0份、1.5份或1.8份等；

羧甲基纤维素钠0.5-3份，如0.8份、1.0份、1.5份、1.8份、2.3份、2.5 份或2.8份等；

碳纳米管0-2份，如0.3份、0.5份、0.8份、1.2份、1.5份或1.7份等；

所述原料还包括去离子水，所述去离子水的用量与上述原料(即石墨、导电炭黑、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠和碳纳米管)的重量之和的比为1:3-3:1，如1/2、1:1、3/2、2:1或2.5:1等。

所述负极活性物质层设置于所述第二隔膜的单面或双面。

所述第一隔膜和第二隔膜独立地选自PE膜、PP膜、复合有机物膜或PE复合陶瓷涂层膜中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的组合如PE膜与PP膜，PE复合陶瓷涂层膜、PP膜与复合有机物膜，PE膜、PP膜与复合有机物膜。所述第二隔膜优选为PE复合陶瓷涂层膜。

所述第一隔膜的材质和所述第二隔膜的材质可以相同也可以不同。

所述正极片包括正极集流体和设置于正极集流体表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层按重量份数由如下原料制备得到；

镍钴锰三元正极材料90-99份，如91份、92份、93份、95份、97份或98 份等；

碳纳米管0-2份，如0.1份、0.3份、0.5份、0.8份、1.3份、1.5份或1.8 份等；

聚偏氟乙烯0.5-3份，如0.6份、0.8份、1.3份、1.8份、2.1份、2.5份或 2.8份等；

导电炭黑0-5份，如0.5份、1.0份、1.5份、2.0份、2.5份、3.0份、3.5份、 4.0份、4.5份或4.8份等；

所述原料还包括N-甲基吡咯烷酮，所述N-甲基吡咯烷酮的用量与上述原料 (即镍钴锰三元正极材料、碳纳米管、聚偏氟乙烯和导电炭黑)的重量之和的比为1:3-3:1，如1/2、1:1、3/2、2:1或2.5:1等。

所述电解液的溶质为LiPF₆，溶剂为质量比为(0.5-1.5):(0.5-1.5):(0.5-1.5)的碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯，如质量比为0.6:1.3:0.7、0.8:1.0:1.3、 1.2:0.8:1.0或1.3:1.4:0.9等，优选为质量比为1:1:1的碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯。

所述锂离子电池还包括负极耳，所述负极耳与负极片连接。所述连接的方式可为：负极耳通过导电胶粘结在负极片间隙处，或者直接粘结在负极片上，或者直接和负极片接触不需要粘结，优选所述负极耳通过导电胶粘结在负极片的间隙处。金属材质的负极耳和负极片粘结或接触后表面可以贴胶带保护。

优选地，所述负极耳为金属材质。

优选地，所述负极耳为表面经过涂炭处理的负极耳，所述涂炭处理的负极耳能够增加和负极片接触的导电效果。

本发明的目的之二在于提供一种如上所述的锂离子电池的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：

(1)将负极活性物质浆料涂覆于第二隔膜的表面，经后处理，得到负极片；

(2)将负极片、正极片和第一隔膜叠片或卷绕制成锂离子电池电芯，所述锂离子电池电芯经后处理，得到所述锂离子电池。

所述锂离子电池的制作方法除负极片的制作方法不同外，其余的步骤均与现有技术中锂离子电池的制作方法相同。

其中，步骤(1)所述后处理包括烘烤和辊压，所述烘烤的温度为60-150℃，如65℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃或145℃等。

优选地，步骤(2)所述后处理包括：将锂离子电池电芯加上下垫片，插入壳体中，连接负极耳，壳体滚槽，注入电解液，待电解液吸收完全后再连接正极耳，扣盖帽，封口，化成工序。

本发明的目的之三在于提供一种如上所述的锂离子电池的用途，其应用作手机、笔记本电脑、平板电脑或智能穿戴设备中的电源。所述锂离子电池还可用作其它电子产品或数码产品的电源。

本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的锂离子电池不包含负极集流体，增加了电池内部活性物质填充空间，隔膜作为负极材料载体有利于电解液离子迁移，并有缓冲充放电循环时负极膨胀的作用，从而使电池的能量密度和电池容量提高约5％，电池循环寿命提高约15％；

本发明提供的锂离子电池负极材料涂覆在隔膜表面，能够减少卷绕或叠片时隔膜的加入，简化了工序的操作方法；

本发明提供的锂离子电池不含有负极集流体(一般电池是铜箔)，降低了电池的成本。

附图说明

图1为实施例2提供的锂离子电池的电芯。

其中：1，负极活性物质；2，正极活性物质；3，隔膜；4，正极集流体；5，正极片。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

锂离子电池负极片：

首先制备锂离子电池负极活性物质层，将石墨C、导电炭黑SP、丁苯橡胶 SBR、羧甲基纤维素钠CMC按照C：SP：SBR：CMC质量比为95.5：1.5：1.6： 1.4与去离子水混合均匀制成锂离子电池负极活性物质浆料；然后将负极活性物质浆料涂覆在锂离子电池隔膜上，本实施例选用PE(聚乙烯膜)+陶瓷涂覆＝12+4μm厚度的隔膜，单面涂覆，再烘烤除去溶剂，去除溶剂后单面涂层面密度为120±1.5g/m²，经辊压制成负极片，碾压后负极片厚度86±2μm；

锂离子电池正极片：

首先制备锂离子电池正极活性物质层，将三元正极材料NCM(镍钴锰三元正极材料)、导电炭黑SP、聚偏氟乙烯PVDF按照NCM：SP：PVDF质量比为 95：3：2与溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合均匀制成锂离子电池正极活性物质浆料；然后将正极活性物质浆料涂覆在正极集流体上，本实施例正极集流体选用厚度为16μm的铝箔，双面涂覆，再烘烤除去溶剂，去除溶剂后双面涂层面密度为475±2g/m²，经辊压制成正极片，碾压后正极片厚度150±3μm；

制备锂离子电池：

将锂离子电池正极片焊接正极耳贴上保护胶带，负极片焊接负极耳再贴上保护胶带，将一条正极片和两条负极片卷绕制成电芯，加上下垫片，插入内径为17.8mm的钢壳中，底部焊接负极耳，钢壳滚槽，注入以1M LiPF₆为溶质、以碳酸二甲酯DMC、碳酸乙烯酯EC、碳酸甲乙酯EMC质量比为1：1：1为溶剂的电解液，待电解液吸收完全后再过经焊接正极耳、扣盖帽、封口、化成工序制成约2.68Ah的18650锂离子电池。

实施例2

锂离子电池负极片：

首先制备锂离子电池负极活性物质层，将石墨C、导电炭黑SP、丁苯橡胶 SBR、羧甲基纤维素钠CMC按照C：SP：SBR：CMC质量比为95.5：1.5：1.6： 1.4与去离子水混合均匀制成锂离子电池负极活性物质浆料；然后将负极活性物质浆料涂覆在锂离子电池隔膜上，本实施例选用PE+陶瓷涂覆＝12+4μm厚度的隔膜，双面涂覆，再烘烤除去溶剂，去除溶剂后双面涂层面密度为240±3.5g/m²，经辊压制成负极片，碾压后负极片厚度156±3μm；

锂离子电池正极片：

首先制备锂离子电池正极活性物质层，将三元材料NCM、导电炭黑SP、聚四氟乙烯PVDF按照NCM：SP：PVDF质量比为95：3：2与溶剂NMP混合均匀制成锂离子电池正极活性物质浆料；然后将正极活性物质浆料涂覆在正极集流体上，本实施例正极集流体选用厚度为16μm的铝箔，双面涂覆，再烘烤除去溶剂，去除溶剂后双面涂层面密度为475±2g/m²，经辊压制成正极片，碾压后正极片厚度150±3μm；

制备锂离子电池：

将锂离子电池正极片焊接正极耳贴上保护胶带，负极片焊接负极耳再贴上保护胶带，将一条正极片5(包括正极集流体4和涂覆于正极集流体4两侧的正极活性物质2)、一条负极片(包括隔膜3和涂覆于隔膜3两侧的负极活性物质 1)、一层隔膜3卷绕制成电芯，如图1所示，加上下垫片，插入内径为17.8mm 的钢壳中，底部焊接负极耳，钢壳滚槽，注入以1MLiPF6为溶质、以碳酸二甲酯DMC、碳酸乙烯酯EC、碳酸甲乙酯EMC质量比为1：1：1为溶剂的电解液，待电解液吸收完全后再过经焊接正极耳、扣盖帽、封口、化成工序制成约2.68Ah 的18650锂离子电池。

对比例

锂离子电池负极片：

首先制备锂离子电池负极活性物质层，将石墨C、导电炭黑SP、丁苯橡胶 SBR、羧甲基纤维素钠CMC按照C：SP：SBR：CMC质量比为95.5：1.5：1.6： 1.4与去离子水混合均匀制成锂离子电池负极活性物质浆料；然后将负极活性物质浆料涂覆在锂离子电池负极集流体上，本实施例选用10μm厚度的铜箔，双面涂覆，再烘烤除去溶剂，去除溶剂后双面涂层面密度为233±3.5g/m²，经辊压制成负极片，碾压后负极片厚度145±3μm；

锂离子电池正极片：

首先制备锂离子电池正极活性物质层，将三元材料NCM、导电炭黑SP、聚四氟乙烯PVDF按照NCM：SP：PVDF质量比为95：3：2与溶剂NMP混合均匀制成锂离子电池正极活性物质浆料；然后将正极活性物质浆料涂覆在正极集流体上，本实施例正极集流体选用厚度为16μm的铝箔，双面涂覆，再烘烤除去溶剂，去除溶剂后双面涂层面密度为460±2g/m²，经辊压制成正极片，碾压后正极片厚度145±3μm；

制备锂离子电池：

将锂离子电池正极片焊接正极耳贴上保护胶带，负极片焊接负极耳再贴上保护胶带，将一条正极片、一条负极片、两层隔膜卷绕制成电芯，加上下垫片，插入内径为17.8mm的钢壳中，底部焊接负极耳，钢壳滚槽，注入以1M LiPF6 为溶质、以碳酸二甲酯DMC、碳酸乙烯酯EC、碳酸甲乙酯EMC质量比1：1： 1为溶剂的电解液，待电解液吸收完全后再过经焊接正极耳、扣盖帽、封口、化成工序制成约2.6Ah的18650锂离子电池。

将实施例1、实施例2和对比例组成的电池进行容量检测：

在25±2℃环境下，先将电池用1300mA恒流充至4.2V，再恒压4.2V充至电流低于65mA，再以1300mA恒流放电至2.75V，放电时间乘以放电电流即为测试所得的容量。

表1为实施例1、实施例2和对比例的对比及容量测试结果：

表1

从表1结果可以看出，实施例1和实施例2制得的锂离子电池取消了负极集流体(铜箔)的使用，降低了电池的成本；负极材料涂覆在隔膜表面，减少卷绕或叠片时隔膜的加入，实施例1卷绕时不加入隔膜，实施例2卷绕时加入1 层隔膜，而对比例1卷绕时加入两层隔膜，实施例1和实施例2大大简化了卷绕工序的操作方法；负极集流体的取消增加了电池内部活性物质填充空间，正极片+负极片+隔膜相同的总厚度，负极涂布面密度和正极涂布面密度都提高了，从而提高了电池正负极活性物质的量和利用效率，明显提高了电池容量、能量密度及循环寿命。

实施例3

一种锂离子电池，除负极活性物质层按重量份数由如下原料制备得到，其余与实施例1相同：

去离子水的用量为上述原料用量之和。

实施例4

一种锂离子电池，除负极活性物质层按重量份数由如下原料制备得到，其余与实施例1相同：

去离子水的用量为上述原料用量之和。

实施例5

一种锂离子电池，除负极活性物质层按重量份数由如下原料制备得到，其余与实施例1相同：

去离子水的用量为上述原料用量之和。

实施例6

一种锂离子电池，除正极活性物质层按重量份数由如下原料制备得到，其余与实施例5相同：

N-甲基吡咯烷酮的用量与上述原料用量之和的比为3:7。

实施例7

一种锂离子电池，除正极活性物质层按重量份数由如下原料制备得到，其余与实施例5相同：

N-甲基吡咯烷酮的用量与上述原料用量之和的比为3:7。

实施例8

一种锂离子电池，除正极活性物质层按重量份数由如下原料制备得到，其余与实施例5相同：

N-甲基吡咯烷酮的用量与上述原料用量之和的比为3:7。

将实施例3-8得到的锂离子电池进行容量检测：

在25±2℃环境下，先将电池用1300mA恒流充至4.2V，再恒压4.2V充至电流低于65mA，再以1300mA恒流放电至2.75V，放电时间乘以放电电流即为测试所得的容量。

表2为实施例3-8的容量测试结果：

表2

另外，将实施例5中石墨、导电炭黑、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、碳纳米管的重量份数比调整为(88-99)：(0-5)：(0.5-2)：(0.5-3)：(0-2)之间的任意比，去离子水的用量与上述原料的重量之和的比调整为1:3-3:1之间的任意值。其余与实施例5相同，测得电池的性能与实施例5所述的电池相近，性能差距在5％以内。

将实施例8中的镍钴锰三元正极材料、碳纳米管、聚偏氟乙烯、导电炭黑的重量份数之比调整为(90-99)：(0-2)：(0.5-3)：(0-5)之间的任意值，N-甲基吡咯烷酮的用量与上述原料的重量之和的比调整为1:3-3:1之间的任意值，其余与实施例8相同，测得电池的性能与实施例8所述的电池相近，性能差距在 6％以内。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (15)

1.一种锂离子电池，包括正极片、负极片、第一隔膜和电解液，其特征在于，所述负极片包括负极活性物质层和第二隔膜，所述负极活性物质层设置于所述第二隔膜表面，且所述负极片不包括负极集流体，所述第二隔膜为PE复合陶瓷涂层膜。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性物质层为含有石墨的负极活性物质层。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性物质层中还含有活性碳、乙炔黑、碳纳米管、碳纤维或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性物质层按重量份数由如下原料制备得到：

所述原料还包括去离子水，所述去离子水的用量与上述原料的重量之和的比为1:3-3:1。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性物质层设置于所述第二隔膜的单面或双面。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一隔膜选自PE膜、PP膜、复合有机物膜或PE复合陶瓷涂层膜中的任意一种或至少两种的组合。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极片包括正极集流体和设置于正极集流体表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层按重量份数由如下原料制备得到；

所述原料还包括N-甲基吡咯烷酮，所述N-甲基吡咯烷酮的用量与上述原料的重量之和的比为1:3-3:1。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述电解液的溶质为LiPF₆，溶剂为质量比为(0.5-1.5):(0.5-1.5):(0.5-1.5)的碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯。

9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，溶剂为质量比为1:1:1的碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯。

10.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负极耳，所述负极耳与负极片连接。

11.根据权利要求10所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极耳为金属材质。

12.根据权利要求10所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极耳通过导电胶粘结在负极片的间隙处。

13.根据权利要求10所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极耳为表面经过涂炭处理的负极耳。

14.一种如权利要求1-13之一所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将负极活性物质浆料涂覆于第二隔膜的表面，经后处理，得到负极片；

(2)将负极片、正极片和第一隔膜叠片或卷绕制成锂离子电池电芯，所述锂离子电池电芯经后处理，得到所述锂离子电池。

15.一种如权利要求1-13之一所述的锂离子电池的用途，其应用作手机、笔记本电脑、平板电脑或智能穿戴设备的电源。

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