CN109309193A - 高比表面积的锂离子电池电极结构及其加工方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明是高比表面积的锂离子电池电极结构及其加工方法和应用。电极结构中正负极板其相对面分别等间隔分布有横截面为齿形的正极材料凸棱和负极材料凸棱构成的电极涂层，所述横截面为齿形的凸棱其顶部具有圆弧，正负极板分布的凸棱其齿形横截面形状、大小一致，凸棱间隔相等，正极材料凸棱和负极材料凸棱相互峰谷对合，其中，负极板的负极材料凸棱构成的涂层表面设有与其贴合的隔膜。本发明具有加工成本低、适合于制备微型小尺寸、高比容量、高倍率性能锂离子电池的突出优点。

Description

高比表面积的锂离子电池电极结构及其加工方法和应用
技术领域
本发明属于锂离子电池，具体涉及一种高比表面积的锂离子电池电极结构及其加工方法和应用。
背景技术
本发明所称的锂离子电池电极包括极板和附着于所述极板的电极活性涂层。
锂离子电池的能量密度主要与电极活性涂层的厚度有关，涂层厚度越厚则可存储锂离子的数量也越多，电池的能量密度就能相应提高。而功率密度主要与电池的锂离子迁移速率有关，电极活性涂层越厚正负极之间的距离越远，会影响锂离子的迁移速率而导致功率密度下降。传统锂离子电池的电极涂层是二维堆积构成，在其浆料厚度和面积为定值的情况下电极涂层的比表面积基本是固定值而很难改善。
可见，在二维电池中能量密度和功率密度是一对矛盾，为了获得综合性能优良的锂离子电池，必须平衡电池能量密度和功率密度，所以三维锂结电池的概念及其产品应运而生。
锂离子电池电极涂层采用三维结构，可实现在提升电池的能量密度的同时不影响功率密度是业内的共识，目前三维电极涂层结构设计中有如柱状交错阵列式、片状交错式、同心阵列式以及随机同心式等，这些结构形式的锂离子扩散距离不会随着电极厚度的增加而增加，故理论上在增加能量密度的同时并不降低功率密度，但因为这些结构过于复杂，故很难在生产中应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决锂离子电池现有三维结构的电极涂层结构复杂尚没有在生产中应用的技术问题，而公开一种高比表面积的锂离子电池电极结构及其加工方法和应用。
本发明的高比表面积的锂离子电池电极结构，包括正负极板，特征是，正负极板其相对面分别等间隔分布有横截面为齿形的正极材料凸棱和负极材料凸棱构成的电极涂层，所述横截面为齿形的凸棱其顶部具有圆弧，正负极板分布的凸棱其齿形横截面形状、大小一致，凸棱间隔相等，正极材料凸棱和负极材料凸棱相互峰谷对合，其中，负极板的负极材料凸棱构成的涂层表面设有与其贴合的隔膜。
所述正或负极板表面至凸棱圆弧顶部的高度为50μm-500μm，圆弧顶部之间的距离为100μm-500μm。
所述正极板由泡沫铝构成，负极板由泡沫铜构成。
本发明的高比表面积的锂离子电池电极加工方法，包括以下步骤：
(1)制备正负极材料浆料和UV光固化隔膜浆料，正负极材料浆料分别经抽滤滤除堵塞3D打印机喷头的大颗粒，所述正负极材料浆料的流动或变形量相等；
(2)分别在正负极板上进行低温直写3D打印，分别形成等间隔分布的截面为齿形的正极材料和负极性材料的凸棱，正负极板分布的凸棱其齿形横截面形状、大小一致，凸棱间隔相等，打印后正负极板分布的凸棱其顶部为圆弧；
(3)打印后的正负极板进行冷冻干燥，去除固态有机溶剂和去离子水获得多孔电极涂层；
(4)将UV光固化隔膜浆料喷涂于冷冻干燥后的负极板负极材料凸棱构成的电极涂层表面；
(5)通过UV光对UV光固化隔膜浆料进行固化；
(6)将步骤(3)正极板和步骤(5)负极板的凸棱面扣合，扣合后的正极材料凸棱和负极材料凸棱相互峰谷对合，即得高比表面积的锂离子电池电极。
本高比表面积的锂离子电池电极加工方法还包括以下步骤：
所述正负极材料浆料由正负极材料粉体、增稠剂、导电剂、去离子水、1,4二氧六环混合组成，各成分的质量份为：电极材料粉体15～40，增稠剂2～5，导电剂2～5，去离子水25～40，1,4二氧六环25～40，所述正极材料粉体是粉末状的钴酸锂、磷酸铁锂或锰酸锂中的一种，所述的负极粉末是钛酸锂或石墨中的一种，所述的增稠剂是羟甲基纤维素钠、羟丙基纤维素或羟乙基纤维素中的一种，所述的导电剂是导电炭黑、碳纳米管、石墨烯或乙炔黑中的一种。
所述的UV光固化隔膜浆料由三氧化二铝粉末、环氧树脂、光引发剂混合组成，各成分的质量份为：三氧化二铝粉末为60～80，环氧树脂为20～40，光引发剂为1～2。
本高比表面积的锂离子电池电极结构在锂离子电池电芯中的应用。
本发明的有益效果和优点在于：本电极结构与现有二维电极结构比较其高比表面积的特点是显而易见的，与公开的三维电极结构比较其结构易于加工的特点也是显而易见的。本电极结构尤其适于采用低温直写3D打印工艺而便于生产应用，特别是在低温-10至-20摄氏度的条件下进行打印将有机溶剂和去离子水成为固态而减少流失，有利于冷冻干燥形成多孔电极涂层。由于本电极结构的正负极材料浆料的流动或变形量相等，因此打印后的所有凸棱会产生一致的微量变形而能够保证本电极结构的可靠性，所谓微量变形包括横截面为齿形的凸棱顶部形成的圆弧。本电极结构的电极板如果采用表面粗糙度较高的泡沫铜与泡沫铝其正负极材料构成的凸棱附着更加牢固。在本电极结构设置极耳并封装于壳体、注入电解液即可成为单体锂离子电池。本发明具有加工成本低、适合于制备微型小尺寸、高比容量、高倍率性能锂离子电池的突出优点。
附图说明
附图1是本电极结构实施例结构示意图。
附图2是本电极结构加工方法流程图。
附图中：1正极板，1-1正极材料凸棱，2负极板，2-1负极材料凸棱，3隔膜。
具体实施方式
下面结合实施例和附图进一步说明本发明。
如图1所示实施例，泡沫铝构成的正极板1和泡沫铜构成的负极板2的相对面分别由等间隔分布的横截面为齿形的正极材料凸棱1-1和负极材料凸棱2-1构成的电极涂层。
所述横截面为齿形的正极材料凸棱1-1和负极材料凸棱2-1其顶部具有圆弧，正负极板分布的凸棱其齿形横截面形状、大小一致，凸棱间隔相等。
正极材料凸棱1-1和负极材料凸棱2-1相互峰谷对合，负极板2的负极材料凸棱2-1构成的涂层表面设有与其贴合的隔膜3。由于凸棱顶部具有圆弧，因此峰谷对合的正极材料凸棱1-1和负极材料凸棱1-2之间存在容纳电解液的空隙。
所述正或负极板表面至凸棱圆弧顶部的高度为50μm-500μm，圆弧顶部之间的距离为100μm-500μm，其尺寸根据电池容量确定。
如图2所示实施例锂离子电池电极的加工方法，包括以下步骤：
(1)制备流动或变形量相等的正负极材料浆料：
正负极材料浆料由正负极材料粉体、增稠剂、导电剂、去离子水、1,4二氧六环混合组成，各成分的质量份为：电极材料粉体35～40，增稠剂2～5，导电剂2～5，去离子水25～40，1,4二氧六环25～40。在上述质量比范围内分别配制正负极材料，在固含量基本相同、搅拌时间、密闭静置时间、浆料温度、环境温度相同的情况下，分别检测正负极材料浆料的粘度，并按常规方法适当调整相关组份含量使之相等。
实施例的正极材料粉体是粉末状的钴酸锂、磷酸铁锂或锰酸锂中的一种，负极粉末是钛酸锂或石墨中的一种，增稠剂是羟甲基纤维素钠、羟丙基纤维素或羟乙基纤维素中的一种，导电剂是导电炭黑、碳纳米管、石墨烯或乙炔黑中的一种。
制备好的正负极材料浆料分别经抽滤滤除可能堵塞3D打印机喷头的大颗粒。
制备UV光固化隔膜浆料：隔膜材料由三氧化二铝粉末、环氧树脂、光引发剂混合组成，各成分的质量份为：三氧化二铝粉末为60～80，环氧树脂为20～40，光引发剂为1～2。
通常UV光固化隔膜浆料可以按以下具体质量份配制：
三氧化二铝粉末为60，环氧树脂为40，光引发剂为2，或，三氧化二铝粉末为70，环氧树脂为30，光引发剂为1.5，或，三氧化二铝粉末为80，环氧树脂为20，光引发剂为1。
(2)使用步骤(1)制备的正负极材料浆料，分别在正负极板上进行低温直写3D打印，分别形成等间隔分布的截面为齿形的正极材料和负极性材料的凸棱，由于正负极材料浆料粘度、储存环境和时间相等或一致，因此正负极板分布的凸棱其齿形横截面形状、大小一致，凸棱间隔相等。还由于浆料客观存在一定的流动或变形量，使得打印后正负极板分布的凸棱其顶部产生塌陷形成一致的圆弧。
(3)打印后的正负极板进行冷冻干燥，去除正负极材料中固态有机溶剂和去离子水获得多孔电极涂层。
(4)将UV光固化隔膜浆料喷涂于冷冻干燥后的负极板负极材料凸棱构成的电极涂层表面。
(5)通过UV光对UV光固化隔膜浆料进行固化，形成隔膜。
(6)将步骤(3)正极板和步骤(5)负极板的凸棱面扣合，扣合后的正极材料凸棱和负极材料凸棱相互峰谷对合，即得高比表面积的锂离子电池电极。
上述高比表面积的锂离子电池电极结构可以应用于锂离子电池电芯，经导电胶粘接固定极耳、电池封装、充入电解液即为单体锂离子电池。

Claims (7)

1.高比表面积的锂离子电池电极结构，包括正负极板，其特征在于：正负极板其相对面分别等间隔分布有横截面为齿形的正极材料凸棱和负极材料凸棱构成的电极涂层，所述横截面为齿形的凸棱其顶部具有圆弧，正负极板分布的凸棱其齿形横截面形状、大小一致，凸棱间隔相等，正极材料凸棱和负极材料凸棱相互峰谷对合，其中，负极板的负极材料凸棱构成的涂层表面设有与其贴合的隔膜。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池电极结构，其特征在于：所述正或负极板表面至凸棱圆弧顶部的高度为50μm-500μm，圆弧顶部之间的距离为100μm-500μm。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池电极结构，其特征在于：所述正极板由泡沫铝构成，负极板由泡沫铜构成。
4.根据权利要求1所述的高比表面积的锂离子电池电极加工方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)制备正负极材料浆料和UV光固化隔膜浆料，正负极材料浆料分别经抽滤滤除堵塞3D打印机喷头的大颗粒，所述正负极材料浆料的流动或变形量相等；
(2)分别在正负极板上进行低温直写3D打印，分别形成等间隔分布的截面为齿形的正极材料和负极性材料的凸棱，正负极板分布的凸棱其齿形横截面形状、大小一致，凸棱间隔相等，打印后正负极板分布的凸棱其顶部为圆弧；
(3)打印后的正负极板进行冷冻干燥，去除固态有机溶剂和去离子水获得多孔电极涂层；
(4)将UV光固化隔膜浆料喷涂于冷冻干燥后的负极板负极材料凸棱构成的电极涂层表面；
(5)通过UV光对UV光固化隔膜浆料进行固化；
(6)将步骤(3)正极板和步骤(5)负极板的凸棱面扣合，扣合后的正极材料凸棱和负极材料凸棱相互峰谷对合，即得高比表面积的锂离子电池电极。
5.根据权利要求4所述的高比表面积的锂离子电池电极加工方法，其特征在于：所述正负极材料浆料由正负极材料粉体、增稠剂、导电剂、去离子水、1,4二氧六环混合组成，各成分的质量份为：电极材料粉体15～40，增稠剂2～5，导电剂2～5，去离子水25～40，1,4二氧六环25～40，所述正极材料粉体是粉末状的钴酸锂、磷酸铁锂或锰酸锂中的一种，所述的负极粉末是钛酸锂或石墨中的一种，所述的增稠剂是羟甲基纤维素钠、羟丙基纤维素或羟乙基纤维素中的一种，所述的导电剂是导电炭黑、碳纳米管、石墨烯或乙炔黑中的一种。
6.根据权利要求4所述的高比表面积的锂离子电池电极加工方法，其特征在于：所述的UV光固化隔膜浆料由三氧化二铝粉末、环氧树脂、光引发剂混合组成，各成分的质量份为：三氧化二铝粉末为60～80，环氧树脂为20～40，光引发剂为1～2。
7.根据权利要求1或2或3所述的高比表面积的锂离子电池电极在锂离子电池电芯中的应用。
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