CN109728350A - 水体系羟丙基甲基纤维素的一体电池电芯的制备方法 - Google Patents

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何雨悦
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Abstract

本发明涉及水体系羟丙基甲基纤维素的一体电池电芯的制备方法，其特征在于制备步骤如下：将羟丙基甲基纤维素加入溶剂，制得胶状液体。在预先制备的电池正极和负极极片上分别喷涂胶状液体，形成粘结层。按照”正极极片/胶状液体/隔膜/胶状液体/负极极片”的顺序装配湿单体电芯。将湿单体电芯烘干，形成干燥单体电芯。在单体电芯间表面喷涂胶状液体形成粘结层，干燥粘结成两层或多层干燥多体电芯。本发明将羟丙基甲基纤维素同时作为隔膜、正极、负极的粘结剂，改善表面极性，增大吸液性和保液性；羟丙基甲基纤维素主链上亲水性的羟丙基和疏水性的甲氧基与非极性隔膜材料的相容性好，结合紧密；第三方面，涂覆改善了隔膜的机械性能。

Description

水体系羟丙基甲基纤维素的一体电池电芯的制备方法
技术领域
本发明涉及水体系羟丙基甲基纤维素的一体电池电芯的制备方法，具体涉及一种可用于锂电池、锂离子电池、聚合物电池和超级电容器的电池电芯的改性方法，属于电池制备的技术领域。
技术背景
锂离子电池具有理论容量高、循环寿命长、无记忆效应等优秀性能。隔膜是锂离子电池的重要组成部分之一。隔膜主要用于隔离电池的正极和负极，并使电池内锂离子通过。锂离子电池的电解液为有机溶剂，因此，隔膜材料需耐有机溶剂侵蚀。由于聚乙烯和聚丙烯膜具有孔隙率高、电阻低、抗撕裂性能好、弹性良好等性能，在锂离子电池体系中得到广泛的应用。然而，聚乙烯和聚丙烯膜与电解液的亲和性差，在电池体系中，采用这些隔膜的电池容易出现短路、燃烧，甚至爆炸等问题。为了改善电池的安全性，在聚乙烯或聚丙烯膜上涂覆Al2O3层，可以改善隔膜的耐热性能。目前的做法大多在聚乙烯或聚丙烯膜上涂覆油性粘结剂，将Al2O3等耐热性好的材料粘附在隔膜基体上。不过，上述方法制备的隔膜常出现涂层厚度不均匀、Al2O3颗粒分布不均匀、掉粉等问题，将这种隔膜应用于电池体系中，常出现电池阻抗大、一致性不佳等问题，使得电池的放电能力明显减弱。针对上述问题，本发明在电池的正极、隔膜、负极之间喷涂羟丙基甲基纤维素粘结剂，利用羟丙基甲基纤维素与正极或负极极片上的聚偏氟乙烯粘结剂能够形成化学键的特点，将电池的正极、隔膜、负极粘结为一体，明显减小了电池正极、隔膜和负极之间的空间距离，在一方面明显减小了电池的内阻；在另一方面增大了电池电芯的空间利用率而增大了电池的能量密度。此外，一体式电池电芯可避免电芯使用过程被振动等引起正负极错位，导致的电池短路问题，改善电池的安全性能。
冀浩博等将羟丙基甲基纤维素（HPMC）与紫胶树脂物理共混，制得复合膜。这种复合膜的水溶性和吸湿性较好。不过，这种方法制备的复合膜的孔隙率较少，不利于大电流放电的电池体系（冀浩博, 等. 紫胶树脂-羟丙基甲基纤维素复合膜的特性研究 [J]. 西南林业大学学报, 2017, 37(6): 196-202.）。冉盈将聚偏二氟乙烯-六氟丙烯/羟丙基甲基纤维素（PVDF-HFP/HPMC）的混合物制备了聚合物电解质膜。不过，这种聚合物电解质膜的离子传导率较低，机械性能较差（冉盈. 新型PVDF-HFP/HPMC基锂离子聚合物电解质的制备及性能研究 [D]. 长沙: 中南大学硕士学位论文, 2013.）。
发明内容
本发明所采用的技术方案由以下步骤组成：
将1～50g羟丙基甲基纤维素加入250mL溶剂中,超声波振荡，制得均匀的胶状液体。在预先制备的电池正极极片和负极极片上分别喷涂胶状液体，形成粘结层。按照”正极极片/胶状液体/隔膜/胶状液体/负极极片”的顺序装配湿单体电芯。
将湿单体电芯置于真空或气流干燥机中烘干，形成干燥单体电芯。
在单体电芯表面喷涂胶状液体形成粘结层，粘结成两层或多层干燥的多体电芯。
所述单体电芯的正极极片和负极极片的集流体均采用有穿透型孔洞的多孔集流体。
所述多体电芯的正极极片、负极极片、羟丙基甲基纤维素形成的粘结层中含有不与金属锂反应的电解液。
所述的溶剂是水、乙醇和水任意比例的混合溶剂或丙醇和水任意比例的混合溶剂。混合溶剂中单一组分不为0。
所述的胶状液体是羟丙基甲基纤维素与水乙醇和水的混合溶剂或丙醇和水的混合溶剂。
单体电芯或多体电芯通过电芯单体的串联或并联连接，增大了电芯的耐电流或电压的能力。
所述的羟丙基甲基纤维素的分子量在8000～50万范围内。
本发明将羟丙基甲基纤维素同时作为隔膜、正极、负极的粘结剂，一方面在隔膜表面引入羟基、醚键等基团，改善隔膜表面的极性，增大隔膜对极性电解液的吸液性和保液性；另一方面，羟丙基甲基纤维素主链上亲水性的羟丙基和疏水性的甲氧基与非极性隔膜材料的相容性好，使得正极、负极与隔膜间结合紧密；第三方面，涂覆改善了隔膜的机械性能。明显改善了隔膜耐穿刺性能以及电池的安全性能。此外，本发明的制备工艺绿色，操作工艺简单，适合工业应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。实施例仅是对本发明的进一步补充和说明，而不是对发明的限制。
实施例1
将20g羟丙基甲基纤维素加入250mL水中,超声波振荡，制得均匀的胶状液体。在预先制备的电池正极和负极极片上分别喷涂该胶状液体。按照”正极极片/胶状液体/隔膜/胶状液体/负极极片”的顺序装配湿单体电芯。
将湿单体电芯置于真空中烘干，形成干燥单体电芯。
在两层干燥单体电芯间喷涂胶状液体层，干燥粘结成为多体电芯。
所述单体电芯的正极极片和负极极片的集流体采用多孔集流体。
所述多体电芯的正极极片、负极极片、羟丙基甲基纤维素形成的粘结层中含有不与金属锂反应的三元电池的电解液。
所述的羟丙基甲基纤维素的分子量为1万。
实施例2
将1g羟丙基甲基纤维素加入250mL乙醇和水的混合溶剂中,超声波振荡，制得均匀的胶状液体。在预先制备的电池正极和负极极片上分别喷涂胶状液体，形成粘结层。按照”正极极片/胶状液体/隔膜/胶状液体/负极极片”的顺序装配湿单体电芯。
将湿单体电芯置于真空或气流干燥机中烘干，形成干燥单体电芯。
将三层干燥单体电芯喷涂胶状液体层，干燥粘结成为多体电芯。
所述单体电芯的正极极片和负极极片的集流体采用多孔集流体。
所述多体电芯的正极极片、负极极片、羟丙基甲基纤维素形成的粘结层中含有不与金属锂反应的磷酸铁锂电解液。
所述的羟丙基甲基纤维素的分子量为50万。
实施例3
将50g羟丙基甲基纤维素加入250mL丙醇和水的混合溶剂中,超声波振荡，制得均匀的胶状液体。在预先制备的电池正极和负极极片上分别喷涂胶状液体，形成粘结层。按照”正极极片/胶状液体/隔膜/胶状液体/负极极片”的顺序装配湿单体电芯。
将湿单体电芯置于真空或气流干燥机中烘干，形成干燥单体电芯。
在五层干燥单体电芯间喷涂胶状液体，形成的粘结层，干燥粘结成为多体电芯。
所述单体电芯的正极极片和负极极片的集流体采用多孔集流体。
所述多体电芯的正极极片、负极极片、羟丙基甲基纤维素形成的粘结层中含有不与金属锂反应的高镍三元电池的电解液。
所述的羟丙基甲基纤维素的分子量为50万。
实施例4
将50g羟丙基甲基纤维素加入250mL乙醇和水的混合溶剂中,超声波振荡，制得均匀的胶状液体。在预先制备的电池正极和负极极片上分别喷涂胶状液体，形成粘结层。按照”正极极片/胶状液体/隔膜/胶状液体/负极极片”的顺序装配湿单体电芯。
将湿单体电芯置于真空中烘干，形成干燥单体电芯。
在7层干燥单体电芯间喷涂胶状液体形成的粘结层，干燥粘结成为多体电芯。
所述单体电芯的正极极片和负极极片的集流体采用多孔集流体。
所述多体电芯的正极极片、负极极片、羟丙基甲基纤维素形成的粘结层中含有不与金属锂反应的磷酸铁锂电解液。
多体电芯通过电芯单体的串联，增大了电芯耐电压的能力。
所述的羟丙基甲基纤维素的分子量为20万。
实施例5
将5g羟丙基甲基纤维素加入250mL丙醇和水的混合溶剂中,超声波振荡，制得均匀的胶状液体。在预先制备的电池正极和负极极片上分别喷涂胶状液体，形成粘结层。按照”正极极片/胶状液体/隔膜/胶状液体/负极极片”的顺序装配湿单体电芯。
将湿单体电芯置于真空或气流干燥机中烘干，形成干燥单体电芯。
在两层干燥单体电芯间喷涂胶状液体，形成的粘结层，干燥粘结成为多体电芯。
所述单体电芯的正极极片和负极极片的集流体采用多孔集流体。
所述多体电芯的正极极片、负极极片、羟丙基甲基纤维素形成的粘结层中含有不与金属锂反应的磷酸铁锂电解液。
单体电芯通过电芯并联连接，增大了电芯的耐电流的能力。
所述的羟丙基甲基纤维素的分子量为20万。
实施例6
将30g羟丙基甲基纤维素加入250mL乙醇和水的混合溶剂中,超声波振荡，制得均匀的胶状液体。在预先制备的电池正极和负极极片上分别喷涂胶状液体，形成粘结层，按照”正极极片/胶状液体/隔膜/胶状液体/负极极片”的顺序装配湿单体电芯。
将湿单体电芯置于气流干燥机中烘干，形成干燥单体电芯。
所述单体电芯的正极极片和负极极片的集流体采用多孔集流体。
所述单体电芯的正极极片、负极极片、羟丙基甲基纤维素形成的粘结层中含有不与金属锂反应的三元电池的电解液。
单体电芯通过电芯单体的串联，增大了电芯的耐电压的能力。
所述的羟丙基甲基纤维素的分子量为40万。

Claims (5)

1.水体系羟丙基甲基纤维素的一体电池电芯的制备方法，其特征在于制备步骤如下：
将1～50g羟丙基甲基纤维素加入250mL溶剂中,超声波振荡，制得均匀的胶状液体；
在预先制备的电池正极极片和负极极片上分别喷涂胶状液体，形成粘结层；按照”正极极片/胶状液体/隔膜/胶状液体/负极极片”的顺序装配湿单体电芯；
将湿单体电芯置于真空或气流干燥机中烘干，形成干燥单体电芯；在单体电芯表面喷涂胶状液体形成粘结层，粘结成两层或多层干燥的多体电芯；
所述的胶状液体是羟丙基甲基纤维素与水、乙醇和水的混合溶剂或丙醇和水的混合溶剂。
2.根据权利要求1所述的水体系羟丙基甲基纤维素的一体电池电芯的制备方法，其特征在于所述的多体电芯的正极极片、负极极片、羟丙基甲基纤维素形成的粘结层，其中含有不与金属锂反应的电解液。
3.根据权利要求1所述的水体系羟丙基甲基纤维素的一体电池电芯的制备方法，其特征在于所述的单体电芯或多体电芯通过电芯单体的串联或并联连接，增大电芯的耐电流或电压的能力。
4.根据权利要求1所述的水体系羟丙基甲基纤维素的一体电池电芯的制备方法，其特征在于所述的溶剂是水、乙醇和水任意比例的混合溶剂或丙醇和水任意比例的混合溶剂，且混合溶剂中单一组分不为0。
5.根据权利要求1所述的水体系羟丙基甲基纤维素的一体电池电芯的制备方法，其特征在于所述的羟丙基甲基纤维素的分子量在8000～50万范围内。
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