CN109301275B - 一种一次轻薄型凝胶固态氟电池及其制备方法 - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
- H01M6/14—Cells with non-aqueous electrolyte
- H01M6/18—Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte
Abstract
本发明涉及电池技术领域，公开了一种一次轻薄型凝胶固态氟电池及其制备方法。通过采用软包结构封装氟化碳正极片、锂金属负极片及介于两极片之间的凝胶固态电解质，既可以避免因氟化碳材料成本高而存在的商业障碍，又能发挥氟化碳材料的高容量优势，使得最终制备的一次轻薄型电池容量较常规锂二氧化锰电池高出25％左右，进而可广泛应用于一次轻薄型电池领域，满足当前用户对一次轻薄型电池的高电池容量需求。此外，所述一次轻薄型凝胶固态氟电池还具备低自放电优势、使用寿命长(可达到10年以上)和高低温适应性强(可在‑40～100摄氏度的温度环境下使用)等优点，便于实际应用和推广。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种一次轻薄型凝胶固态氟电池及其制备方法。
背景技术
现有常规的一次轻薄型电池普遍采用锂二氧化锰材料方案，但是由于存在容量不够高、安全性、可靠性不够好和温度范围窄(锂二氧化锰电池仅能满足-20℃到60℃之间使用)的问题，难以满足用户对一次轻薄型电池的电池容量需求。
发明内容
为了解决现有一次轻薄型电池所存在的电池容量不足的问题，本发明目的在于提供一种一次轻薄型凝胶固态氟电池及其制备方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种一次轻薄型凝胶固态氟电池，包括电池芯本体、凝胶固态电解质、正极耳、负极耳和软包装膜，其中，所述电池芯本体由分别呈平铺状、折叠状或卷绕状的氟化碳正极片和锂金属负极片构成，所述凝胶固态电解质填充在所述氟化碳正极片与所述锂金属负极片之间，所述正极耳的一端电连接所述氟化碳正极片，所述正极耳的另一端伸出所述软包装膜，所述负极耳的一端电连接所述锂金属负极片，所述正极耳的另一端也伸出所述软包装膜，所述软包装膜密封所述电池芯本体、所述凝胶固态电解质、所述正极耳的极片连接端和所述负极耳的极片连接端；
所述氟化碳正极片包括片状集流体和氟化碳粉体层，其中，所述氟化碳粉体层附着在所述片状集流体的且朝向所述锂金属负极片的一面上/和附着在所述片状集流体的且背向所述锂金属负极片的一面上。
优化的，当所述电池芯本体由分别呈折叠状或卷绕状的正极片和负极片构成时，在相对的两正极片表面之间和/或两负极片表面之间嵌设有厚度介于0.005～0.03mm的隔离膜。
具体的，所述隔离膜为PP隔膜、PE隔膜、陶瓷隔膜、PP/PE覆合隔膜或无纺布隔膜。
具体的，所述氟化碳正极片的厚度介于0.05～0.5mm之间，面密度介于5～50mg/cm2之间。
具体的，所述锂金属负极片的厚度介于0.02～0.5mm之间，面密度介于8～80mg/cm2之间。
具体的，所述锂金属负极片为锂金属带、锂金属-铜箔复合带、锂金属-铜网复合带、锂金属-镍箔复合带、锂金属-镍网复合带、锂金属-钢箔复合带或锂金属-钢网复合带。
具体的，所述凝胶固态电解质包含锂盐、溶剂和添加剂，其中，所述锂盐包含LiPF6、LiAsF6、LiClO4、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和/或LiBOB，所述溶剂包含EC、EMC、DEC、DMC、碳酸亚乙烯酯、CS2和/或亚硫酸乙烯酯，所述添加剂包含SEI膜优化剂和/或阻燃添加剂。
具体的，所述正极耳或所述负极耳包括金属带和用于密封连接所述金属带与所述软包装膜的极耳胶体。
具体的，所述软包装膜为厚度介于0.05～0.2mm之间的铝塑膜、镍塑膜、铜塑膜、钢塑膜、PP膜、金属箔或尼龙膜。
具体的，所述片状集流体为厚度介于0.01～0.05mm的铝箔或涂炭铝箔。
具体的，所述氟化碳粉体层包含重量百分比介于90～98％之间的氟化碳粉末、重量百分比介于0.5～5％之间的导电剂和重量百分比介于0.5～5％之间的粘结剂。
本发明所采用的另一种技术方案为：
一种前述一次轻薄型凝胶固态氟电池的制备方法，包括氟化碳正极片制备过程、锂金属负极片制备过程和装配过程；
所述氟化碳正极片制备过程包括如下步骤：
S101.对重量百分比介于90～98％之间的氟化碳粉末、重量百分比介于0.5～5％之间的导电剂和重量百分比介于0.5～5％之间的粘结剂进行混合搅拌，制得氟化碳正极浆料；
S102.将所述氟化碳正极浆料涂在片状集流体的表面，并通过辊压、烘烤和分切工艺，得到氟化碳正极片；
S103.通过粘胶使所述氟化碳正极片与正极耳的一端电连接；
所述锂金属负极片制备过程包括如下步骤：
S201.通过分切工艺，得到锂金属负极片；
S202.通过粘胶使所述锂金属负极片与负极耳的一端电连接；
所述装配过程包括如下步骤：
S301.将所述氟化碳正极片与所述锂金属负极片叠合成呈平铺状、折叠状或卷绕状的电池芯本体；
S302.通过热封装工艺使软包装膜包覆所述电池芯本体、所述正极耳的极片连接端和所述负极耳的极片连接端；
S303.向所述软包装膜内部注入凝胶固态电解质，并在成型后密封。
本发明的有益效果为：
(1)本发明创造提供了一种新型的一次轻薄型电池及其制备方法，即采用软包结构封装氟化碳正极片、锂金属负极片及介于两极片之间的凝胶固态电解质，既可以避免因氟化碳材料成本高而存在的商业障碍，又能发挥氟化碳材料的高容量优势，使得最终制备的一次轻薄型电池容量(理论电池比能量高达2180Wh/kg，实际成品电池比能量高达500～1000Wh/kg)较常规锂二氧化锰电池高出25％左右，进而可广泛应用于一次轻薄型电池领域，满足当前用户对一次轻薄型电池的高电池容量需求；
(2)所述一次轻薄型凝胶固态氟电池还具备低自放电优势、使用寿命长(可达到10年以上)和高低温适应性强(可在-40～100摄氏度的温度环境下使用)等优点，便于实际应用和推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明提供的一次轻薄型凝胶固态氟电池的剖视结构示意图。
图2是本发明提供的一次轻薄型凝胶固态氟电池的俯视结构示意图。
上述附图中：1-电池芯本体；101-氟化碳正极片；101a-片状集流体；101b-氟化碳粉体层；102-锂金属负极片；2-凝胶固态电解质；3-正极耳；4-负极耳；5-软包装膜；6-隔离膜；701-金属带；702-极耳胶体。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
实施例一
如图1～2所示，本实施例提供的所述一次轻薄型凝胶固态氟电池，包括电池芯本体1、凝胶固态电解质2、正极耳3、负极耳4和软包装膜5，其中，所述电池芯本体1由分别呈平铺状、折叠状或卷绕状的氟化碳正极片101和锂金属负极片102构成，所述凝胶固态电解质2填充在所述氟化碳正极片101与所述锂金属负极片102之间，所述正极耳3的一端电连接所述氟化碳正极片101，所述正极耳3的另一端伸出所述软包装膜5，所述负极耳4的一端电连接所述锂金属负极片102，所述正极耳3的另一端也伸出所述软包装膜5，所述软包装膜5密封所述电池芯本体1、所述凝胶固态电解质2、所述正极耳3的极片连接端和所述负极耳4的极片连接端；所述氟化碳正极片101包括片状集流体101a和氟化碳粉体层101b，其中，所述氟化碳粉体层101b附着在所述片状集流体101a的且朝向所述锂金属负极片102的一面上/和附着在所述片状集流体101a的且背向所述锂金属负极片102的一面上。
如图1和2所示，在所述一次轻薄型凝胶固态氟电池的具体结构中，所述电池芯本体1为本实施例电池的核心部件，并举例地如图1所示，所述电池芯本体1具体为由分别呈折叠状的氟化碳正极片101和锂金属负极片102构成的折叠状叠合结构；为了防止所述氟化碳正极片101和所述锂金属负极片102在叠合时出现因直接接触而短路，可优选在所述锂金属负极片102且朝向所述氟化碳正极片101的一面上附着有厚度介于0.005～0.01mm的绝缘网层(附图中未示出)。
所述氟化碳正极片101用于作为电池正极，并通过所述正极耳3对外提供高电势电位，其具体尺寸可设计如下：厚度介于0.05～0.5mm之间，面密度介于5～50mg/cm2之间。在所述氟化碳正极片101的具体结构中，所述片状集流体101a用于承载所述氟化碳粉体层101b，其可以但不限于为铝箔或涂炭铝箔，具体厚度介于0.01～0.05mm之间。所述氟化碳粉体层101b为氟化碳(其是碳粉与氟气反应所形成的现有夹层化合物，虽然具有电化学活性，但是在有机电解质中的化学稳定性却很高，即使温度高达400摄氏度，也不会热分解，具有很长的储存寿命)粉末的固体状结构，其具体包含有重量百分比介于90～98％之间的氟化碳粉末、重量百分比介于0.5～5％之间的导电剂和重量百分比介于0.5～5％之间的粘结剂；其中，所述导电剂可以但不限于包含碳纳米管、乙炔黑和/或石墨烯等材质，所述粘结剂可以但不限于包含羧甲基纤维素钠和/或聚偏氟乙烯等材质。
所述锂金属负极片102用于作为电池负极，并通过所述负极耳4对外提供低电势电位，其可以但不限于为锂金属带、锂金属-铜箔复合带、锂金属-铜网复合带、锂金属-镍箔复合带、锂金属-镍网复合带、锂金属-钢箔复合带或锂金属-钢网复合带等，其具体尺寸可设计如下：厚度介于0.02～0.5mm之间，面密度介于8～80mg/cm2之间。
所述凝胶固态电解质2具体包含锂盐、溶剂和添加剂，其中，所述锂盐可以但不限于包含LiPF6(六氟磷酸锂,通常为白色颗粒状或粉末状固体，形貌不同，流动性和溶解性也不同)、LiAsF6(六氟合砷酸锂)、LiClO4(高氯酸锂，英文名称lithium perchlorate，别名过氯酸锂，外观为无色结晶，具有潮解性)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和/或LiBOB(二草酸硼酸锂)等，所述溶剂可以但不限于包含EC(碳酸乙烯酯，一种性能优良的有机溶剂，可溶解多种聚合物)、EMC(碳酸甲乙酯，用作锂离子电池电解液溶剂,也可以作为特种香料及中间体的溶剂)、DEC(碳酸二乙酯)、DMC(碳酸二甲酯)、碳酸亚乙烯酯、CS2(二硫化碳，它是硫的常用溶剂，聚丙烯在其中微溶)和/或亚硫酸乙烯酯等，所述添加剂可以但不限于包含SEI(SolidElectrolyte Interface，固体电解质界面膜)膜优化剂和/或阻燃添加剂等。
所述正极耳3和所述负极耳4分别用于导出对应电势电位，可以但不限于通过焊接方式电连接对应的极片，它们的总厚度可设计为0.15～0.5mm；具体的，如图1所示，所述正极耳3包括有金属带701和用于密封连接所述金属带701与所述软包装膜5的极耳胶体702，所述负极耳4也包括有金属带701和用于密封连接所述金属带701与所述软包装膜5的极耳胶体702，其中，在所述正极耳3中的金属带701可以但不限于为铝金属带或钢带等，在所述负极耳4中的金属带701可以但不限于为镍金属带或铜镀镍金属带等，所述极耳胶体702可以但不限于为PP(Polypropylene，聚丙烯)材质，具体用于与所述软包装膜5的PP层封装。此外，所述软包装膜5可以但不限于为铝塑膜、镍塑膜、铜塑膜、钢塑膜、PP膜、金属箔或尼龙膜等，具体设计尺寸为：厚度介于0.05～0.2mm之间。
前述一次轻薄型凝胶固态氟电池的制备方法，可以但不限于具体包括氟化碳正极片制备过程、锂金属负极片制备过程和装配过程；其中，所述氟化碳正极片制备过程可以但不限于包括如下步骤S101～S103：S101.对重量百分比介于90～98％之间的氟化碳粉末、重量百分比介于0.5～5％之间的导电剂和重量百分比介于0.5～5％之间的粘结剂进行混合搅拌，制得氟化碳正极浆料；S102.将所述氟化碳正极浆料涂在片状集流体的表面，并通过辊压、烘烤和分切工艺(此三环节的工艺均为现有常规工艺)，得到氟化碳正极片；S103.通过粘胶使所述氟化碳正极片与正极耳的一端电连接；所述锂金属负极片制备过程可以但不限于包括如下步骤S201～S202：S201.通过分切工艺(即直接对符合厚度或面密度的锂金属带或锂金属-铜箔复合带等进行分切)，得到锂金属负极片；S202.通过粘胶使所述锂金属负极片与负极耳的一端电连接；所述装配过程可以但不限于包括如下步骤S301～S303：S301.将所述氟化碳正极片与所述锂金属负极片叠合成呈平铺状、折叠状或卷绕状的电池芯本体；S302.通过热封装工艺使软包装膜包覆所述电池芯本体、所述正极耳的极片连接端和所述负极耳的极片连接端；S303.向所述软包装膜内部注入凝胶固态电解质，并在成型后密封。
由此基于前述一次轻薄型凝胶固态氟电池及具体制备方法的描述，通过采用软包结构封装氟化碳正极片、锂金属负极片及介于两极片之间的凝胶固态电解质，既可以避免因氟化碳材料成本高而存在的商业障碍，又能发挥氟化碳材料的高容量优势，使得最终制备的一次轻薄型电池容量(理论电池比能量高达2180Wh/kg，实际成品电池比能量高达500～1000Wh/kg)较常规锂二氧化锰电池高出25％左右，进而可广泛应用于一次轻薄型电池领域，满足当前用户对一次轻薄型电池的高电池容量需求。此外，所述一次轻薄型凝胶固态氟电池还具备低自放电优势、使用寿命长(可达到10年以上)和高低温适应性强(可在-40～100摄氏度的温度环境下使用)等优点，便于实际应用和推广。
优化的，当所述电池芯本体1由分别呈折叠状或卷绕状的正极片101和负极片102构成时，在相对的两正极片表面之间和/或两负极片表面之间嵌设有厚度介于0.005～0.03mm的隔离膜6。如图1所示，所述隔离膜6用于绝缘隔离相对的两正极片表面或两负极片表面，确保具有一定的极片有效面积，其具体可以但不限于为PP隔膜、PE(Polyethylene，聚乙烯)隔膜、陶瓷隔膜、PP/PE覆合隔膜或无纺布隔膜等。
综上，采用本实施例所提供的一次轻薄型凝胶固态氟电池及其制备方法，具有如下技术效果：
(1)本实施例提供了一种新型的一次轻薄型电池及其制备方法，即采用软包结构封装氟化碳正极片、锂金属负极片及介于两极片之间的凝胶固态电解质，既可以避免因氟化碳材料成本高而存在的商业障碍，又能发挥氟化碳材料的高容量优势，使得最终制备的一次轻薄型电池容量(理论电池比能量高达2180Wh/kg，实际成品电池比能量高达500～1000Wh/kg)较常规锂二氧化锰电池高出25％左右，进而可广泛应用于一次轻薄型电池领域，满足当前用户对一次轻薄型电池的高电池容量需求；
(2)所述一次轻薄型凝胶固态氟电池还具备低自放电优势、使用寿命长(可达到10年以上)和高低温适应性强(可在-40～100摄氏度的温度环境下使用)等优点，便于实际应用和推广。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (6)
1.一种一次轻薄型凝胶固态氟电池，其特征在于：包括电池芯本体(1)、凝胶固态电解质(2)、正极耳(3)、负极耳(4)和软包装膜(5)，其中，所述电池芯本体(1)由分别呈折叠状或卷绕状的氟化碳正极片(101)和锂金属负极片(102)构成，所述凝胶固态电解质(2)填充在所述氟化碳正极片(101)与所述锂金属负极片(102)之间，所述正极耳(3)的一端电连接所述氟化碳正极片(101)，所述正极耳(3)的另一端伸出所述软包装膜(5)，所述负极耳(4)的一端电连接所述锂金属负极片(102)，所述正极耳(3)的另一端也伸出所述软包装膜(5)，所述软包装膜(5)密封所述电池芯本体(1)、所述凝胶固态电解质(2)、所述正极耳(3)的极片连接端和所述负极耳(4)的极片连接端；
所述氟化碳正极片(101)包括片状集流体(101a)和氟化碳粉体层(101b)，其中，所述氟化碳粉体层(101b)附着在所述片状集流体(101a)的且朝向所述锂金属负极片(102)的一面上/和附着在所述片状集流体(101a)的且背向所述锂金属负极片(102)的一面上；
在相对的两正极片表面之间和/或两负极片表面之间嵌设有厚度介于0.005～0.03mm的隔离膜(6)，其中，所述隔离膜(6)为陶瓷隔膜；
所述氟化碳正极片(101)的厚度介于0.05～0.5mm之间，面密度介于5～50mg/cm2之间；
所述锂金属负极片(102)的厚度介于0.02～0.5mm之间，面密度介于8～80mg/cm2之间。
2.如权利要求1所述的一种一次轻薄型凝胶固态氟电池，其特征在于：所述锂金属负极片(102)为锂金属带、锂金属-铜箔复合带、锂金属-铜网复合带、锂金属-镍箔复合带、锂金属-镍网复合带、锂金属-钢箔复合带或锂金属-钢网复合带。
3.如权利要求1所述的一种一次轻薄型凝胶固态氟电池，其特征在于：所述凝胶固态电解质(2)包含锂盐、溶剂和添加剂，其中，所述锂盐包含LiPF6、LiAsF6、LiClO4、双三氟甲烷磺酰亚胺锂和/或LiBOB，所述溶剂包含EC、EMC、DEC、DMC、碳酸亚乙烯酯、CS2和/或亚硫酸乙烯酯，所述添加剂包含SEI膜优化剂和/或阻燃添加剂。
4.如权利要求1所述的一种一次轻薄型凝胶固态氟电池，其特征在于：所述正极耳(3)或所述负极耳(4)包括金属带(701)和用于密封连接所述金属带(701)与所述软包装膜(5)的极耳胶体(702)。
5.如权利要求1所述的一种一次轻薄型凝胶固态氟电池，其特征在于：所述氟化碳粉体层(101b)包含重量百分比介于90～98％之间的氟化碳粉末、重量百分比介于0.5～5％之间的导电剂和重量百分比介于0.5～5％之间的粘结剂。
6.一种如权利要求1～5任意一项所述一次轻薄型凝胶固态氟电池的制备方法，其特征在于，包括氟化碳正极片制备过程、锂金属负极片制备过程和装配过程；
所述氟化碳正极片制备过程包括如下步骤：
S101.对重量百分比介于90～98％之间的氟化碳粉末、重量百分比介于0.5～5％之间的导电剂和重量百分比介于0.5～5％之间的粘结剂进行混合搅拌，制得氟化碳正极浆料；
S102.将所述氟化碳正极浆料涂在片状集流体的表面，并通过辊压、烘烤和分切工艺，得到氟化碳正极片；
S103.通过粘胶使所述氟化碳正极片与正极耳的一端电连接；
所述锂金属负极片制备过程包括如下步骤：
S201.通过分切工艺，得到锂金属负极片；
S202.通过粘胶使所述锂金属负极片与负极耳的一端电连接；
所述装配过程包括如下步骤：
S301.将所述氟化碳正极片与所述锂金属负极片叠合成呈平铺状、折叠状或卷绕状的电池芯本体；
S302.通过热封装工艺使软包装膜包覆所述电池芯本体、所述正极耳的极片连接端和所述负极耳的极片连接端；
S303.向所述软包装膜内部注入凝胶固态电解质，并在成型后密封。
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