CN109742292A - 一种无机隔膜型锂离子电池的制备方法、电芯及锂离子电池 - Google Patents
一种无机隔膜型锂离子电池的制备方法、电芯及锂离子电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种无机隔膜型锂离子电池的制备方法、电芯及锂离子电池，包括以下步骤：选取不同粒径的二氧化硅粉末与粘结剂以一定的质量比混合后形成浆料，按照预设的涂覆条件，将浆料涂覆在电池极片的两面上，涂覆完成后收卷、裁片，得到复合电极片，再将复合电极片与正负极片进行装配，制成电芯；对电芯进行包扎固定、封装、灌注电解液和化成制成锂离子电池。本发明选用二氧化硅陶瓷粉末与交联粘结剂进行混合制备无机陶瓷隔膜；并与锂离子电池正负极片形成无机隔膜复合电极，由于二氧化硅粉末具备较强的吸液保液能力，使得复合电极具有较好的的浸润性，利用该复合电极制备得到的锂离子电池具有较长的循环寿命。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种无机隔膜型锂离子电池的制备方法、电芯及锂离子电池。
背景技术
随着现代生活信息化的程度不断增高，笔记本电脑、移动电话、摄像机等便携式电子设备的使用越来越多。锂离子二次电池以其高能量密度、无记忆效应、环境友好等优势已经在便携式电子产品领域中得到了广泛应用，并在电动汽车领域也有巨大的应用潜力。然而迄今为止，锂离子电池多选用有机隔膜，
机械强度低，锂枝晶很容易穿透；耐热性能差；电解液亲和性差导致了电池的循环寿命较短。为了改善此类问题，无机隔膜在锂离子电池中得到了广泛应用，无机隔膜又分为自支撑型无机隔膜及电极支撑型无机隔膜，自支撑型无机隔膜制备工艺复杂，成膜较厚，一般大于100μm，且与现有锂离子电池生产工艺设备兼容性差，难以实现商业规模化应用。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种无机隔膜型锂离子电池的制备方法、电芯及锂离子电池，旨在解决现有锂离子电池循环性能较差的问题。
本发明第一方面提出了一种无机隔膜型锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：步骤（1），称取（600-1000）重量份不同粒径的二氧化硅放入溶剂中，开启搅拌装置，使其溶解，制得悬浊液；步骤（2），取（50-100）重量份水溶性粘结剂加入上述悬浊液中，搅拌，得到均匀稳定的二氧化硅涂覆悬浊液；步骤（3），将所述二氧化硅涂覆悬浊液以预设厚度涂敷于成卷的电池极片表面，并将所述电池极片置于（50-60）℃的条件下烘干后收卷、裁片，即可得到电极支撑型无机隔膜复合电极片；步骤（4），将所述步骤（3）中得到的电极支撑型无机隔膜复合电极片与对应的正极片或负极片进行平行装配，制成电芯； 步骤（5），对所述电芯进行包扎固定、封装、灌注电解液和化成制成锂离子电池。
进一步地，上述无机隔膜型锂离子电池的制备方法中，所述粒径为100nm 、500nm、1μm的二氧化硅颗粒的质量比为（1.5~6）：（1.5~6）：（1~4）。
进一步地，上述无机隔膜型锂离子电池的制备方法中，所述粘结剂包括聚乙烯醇与聚醚酰亚胺的组合物、聚丙烯酸与羧甲基纤维素钠的组合物、聚乙烯醇与聚丙烯酸的组合物或聚酰亚胺酸。
进一步地，上述无机隔膜型锂离子电池的制备方法中，所述粘结剂组合物形成的胶液的质量浓度为（10-50）%。
进一步地，上述无机隔膜型锂离子电池的制备方法中，用聚酰亚胺酸配置的胶液的质量浓度为（0.1-10）%。
进一步地，上述无机隔膜型锂离子电池的制备方法中，在所述步骤（3）之前还包括：对所述粘合剂进行成膜高温试验，将所述步骤（2）中制备的涂覆浆料涂覆于箔材上面，并将其置于（400-800）℃的条件下进行烘烤以制备无机隔膜，然后降温至室温，取出无机隔膜，观察无机隔膜的热收缩变化；如果隔膜加热后体积无任何收缩变形，则选择所述步骤（2）中制备的涂覆浆料进行步骤（3）的操作。
进一步地，上述无机隔膜型锂离子电池的制备方法中，所述步骤（3）中，所述二氧化硅涂覆悬浊液的涂覆过程中，环境湿度为40%-70%。
本发明提供的无机隔膜型锂离子电池的制备方法，选用二氧化硅陶瓷粉末与交联粘结剂进行混合制备无机陶瓷隔膜；并与锂离子电池正负极片形成无机隔膜复合电极，由于二氧化硅粉末具备较强的吸液保液能力，使得复合电极具有较好的的浸润性，不仅大大降低了电池初期化成过程中电极因为浸润不完全而导致的极化现象，而且也降低了循环过程中的内阻，使得利用该复合电极制备得到的锂离子电池具有较长的循环寿命。
本发明第二方面提供了一种电芯，包括：电极支撑型无机隔膜复合电极片和与其平行设置的正极片或负极片；其中，所述电极支撑型无机隔膜复合电极片由不同粒径的二氧化硅和一定比例的水溶性粘结剂形成的二氧化硅涂覆悬浊液以预设厚度涂敷于成卷的电池极片表面而形成。由于使用了电极支撑型无机隔膜复合电极片，因此该电芯在循环过程中的内阻较低，且具有较长的循环寿命。
本发明第三方面提供了一种锂离子电池，包括上述的电芯。
由于电芯具有上述技术效果，所以具有该电芯的锂离子电池也具有相应的技术效果。
附图说明
图1为本发明实施例中无机隔膜型锂离子电池的制备方法流程图；
图2为本发明实施例中制备的无机隔膜型锂离子电池与采用有机高分子PP隔膜制备的锂离子电池循环容量保持率的对比图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也视为本发明的保护范围。
参见图1，本发明提出了一种无机隔膜型锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，称取（600-1000）重量份不同粒径的二氧化硅放入溶剂中，开启搅拌装置，使其溶解，制得悬浊液。
具体而言，可以将硅氧化物颗粒和溶剂（例如可以为水）加入真空搅拌器中，开启真空搅拌器，使其以预设速度旋转，以将两种物质搅拌混合均匀，制得悬浊液。在称取二氧化硅时，可以筛选相同粒径分布的颗粒物，也可筛选不同粒径分布的颗粒物。在选用不同的粒径分布时，优选的，粒径分别为100nm和500nm的二氧化硅颗粒占二氧化硅总质量的比例不低于60%。其中，粒径为100nm 、500nm 、1μm的二氧化硅颗粒的质量比为（1.5~6）：（1.5~6）：（1~4）；例如可以为4:4:2或3:2:2。粒径为100nm和500 nm的二氧化硅颗粒的质量比可以优选为1:1。
步骤S2，取（50-100）重量份水溶性粘结剂加入上述悬浊液中，搅拌，得到均匀稳定的二氧化硅涂覆悬浊液。
具体而言，所述粘结剂包括聚乙烯醇与聚醚酰亚胺的组合物、聚丙烯酸与羧甲基纤维素钠的组合物、聚乙烯醇与聚丙烯酸的组合物或聚酰亚胺酸。其中，粘结剂组合物形成的胶液的质量浓度为（10-50）%；用聚酰亚胺酸配置的胶液的质量浓度为（0.1-10）%。需要说明的是，本实施例中，所述二氧化硅与粘结剂的重量比可以优选为10：1。
具体实施时，可以向浆料中加入适量水调节固含量值至（60-70）%，可以（400-1000）r/min的转速搅拌（2-6）h，经过充分的搅拌可以使得二氧化硅能均匀的分散在粘结剂溶液中，有利于制得高分散的二氧化硅涂覆悬浊液。
步骤S3，将所述二氧化硅涂覆悬浊液以预设厚度涂敷于成卷的电池极片表面，并将所述电池极片置于（50-60）℃的条件下烘干后收卷、裁片，即可得到电极支撑型无机隔膜复合电极片。
具体实施时，可以40%-70%的涂覆湿度、（50-70）℃的涂覆温度和（1-5）m/min的涂覆速度将二氧化硅涂覆悬浊液涂敷于电池极片表面。本实施例中的电池极片，可以为市面上任意种类可用于锂离子电池的正极片及负极片，极片可为水性体系，也可为有机体系，本实施例对其不作任何限定。
涂覆后的电池极片干燥的时间优选为（8-12）h。涂覆厚度可以为30-60μm，优选为40μm。
涂覆的过程可以如下：将提前准备好的涂布电池极片由放卷装置放出供入到涂布机，设置好涂覆厚度及烘箱烘烤温度，将二氧化硅涂覆悬浊液倒入涂布机机槽中，涂布装置按照涂布极片的预定涂布量和空白长度分段进行双面涂覆，涂覆完成后收卷、裁片，由此，得到电极支撑型的无机隔膜及相应的电极。
本实施例中在进行步骤（3）之前，还可以进行如下步骤：对所述粘结剂进行成膜高温试验，将所述步骤（2）中制备的涂覆浆料涂覆于箔材上面，并将其置于（400-800）℃的条件下进行烘烤以制备无机隔膜，然后降温至室温，取出无机隔膜，观察无机隔膜的热收缩变化；如果隔膜加热后体积无任何收缩变形，则选择步骤（2）中制备的涂覆浆料进行步骤（3）的操作。
该步骤中，经过高温试验后，可以得知：使用自交联及共交联的粘结剂，固化后为热固性塑料，在高温环境使用环境下，粘结剂本身微观结构未产生变化，机械强度几乎不受影响，在超高温度使用环境下，使得隔膜的机械结构不发生变形，可以降低由于粘结剂失效而造成电池热失控发生的概率。
步骤（4），将所述步骤（3）中得到的电极支撑型无机隔膜复合电极片与对应的正极片或负极片进行平行装配，制成电芯；
步骤（5），对所述电芯进行包扎固定、封装、灌注电解液和化成制成锂离子电池。
由以上得出，本发明实施例中的无机隔膜型锂离子电池的制备方法，选用二氧化硅陶瓷粉末与交联粘结剂进行混合制备无机陶瓷隔膜；并与锂离子电池正负极片形成无机隔膜复合电极，由于二氧化硅粉末具备较强的吸液保液能力，使得复合电极具有较好的的浸润性，不仅大大降低了电池初期化成过程中电极因为浸润不完全而导致的极化现象，而且也降低了循环过程中的内阻，使得利用该复合电极制备得到的锂离子电池具有较长的循环寿命。
本发明第二方面提供了一种电芯，包括：电极支撑型无机隔膜复合电极片和与其平行设置的正极片或负极片；其中，所述电极支撑型无机隔膜复合电极片由不同粒径的二氧化硅和一定比例的水溶性粘结剂形成的二氧化硅涂覆悬浊液以预设厚度涂敷于成卷的电池极片表面而形成。由于使用了电极支撑型无机隔膜复合电极片，因此该电芯在循环过程中的内阻较低，且具有较长的循环寿命。
本发明第三方面提供了一种锂离子电池，包括上述的电芯。
由于电芯具有上述技术效果，所以具有该电芯的锂离子电池也具有相应的技术效果。
下面通过几个具体的实施例对本发明的无机隔膜型锂离子电池的制备方法进行说明。
实施例1
选取1kg的陶瓷粉二氧化硅，粒径为100nm 、500nm 、1μm的陶瓷粉分别按照375g：375g：250g的比例混合后溶解于水中；
取适量聚乙烯醇（PVA）与聚丙烯酸（PAA）按照2:1的质量比溶于水中，配置成100g质量浓度为 10%的胶液；取适量羧甲基纤维素钠（CMC）溶于水中充分搅拌配置成34g浓度为2%的水溶液；将陶瓷粉Al2O3与上述粘结剂与分散剂溶液混合后，再加入333g水调整浆料的固含量值至60%，机械搅拌2h后，得到均匀稳定的高分散二氧化硅涂覆悬浊液；
将高分散二氧化硅涂覆悬浊液倒进涂布机料槽中，设置涂布机的温度为60℃，走速为2m/min，涂覆厚度为40μm，将二氧化硅涂覆悬浊液涂敷于成卷的三元电极片上，并将电池极片于60℃和50%的湿度下干燥8h后，收卷、裁片，即可得到电极支撑型无机隔膜；
将涂覆有无机隔膜的三元电极片与负极石墨极片进行平行装配，制得锂离子电池；
将制得的电解液注入电池中，搁置24h，然后进行化成分容。
实施例2
选取0.6kg的陶瓷粉二氧化硅，粒径为100nm 、500nm 、1μm的陶瓷粉分别按照225g：225g：150g的比例混合后溶解于水中；
取适量聚乙烯醇（PVA）与聚丙烯酸（PAA）按照1:1的质量比溶于水中，配置成60g质量浓度为20%的胶液；取适量羧甲基纤维素钠（CMC）溶于水中充分搅拌配置成34g浓度为3%的水溶液；将陶瓷粉二氧化硅与上述粘结剂与分散剂溶液混合后，再加入450g水调整浆料的固含量值至70%，机械搅拌6h后，得到均匀稳定的高分散二氧化硅涂覆悬浊液；
将高分散二氧化硅涂覆悬浊液倒进涂布机料槽中，设置涂布机的温度为70℃，走速为1m/min，涂覆厚度为20μm，将二氧化硅涂覆悬浊液涂敷于成卷的三元电极片上，并将电池极片于60℃和70%的湿度下干燥10h后，收卷、裁片，即可得到电极支撑型无机隔膜；
将涂覆有无机隔膜的三元电极片与负极石墨极片进行平行装配，制得锂离子电池；
将制得的电解液注入电池中，搁置24h，然后进行化成分容。
实施例3
选取800kg的陶瓷粉二氧化硅，粒径为100nm 、500nm 、1μm的陶瓷粉分别按照300g：300g：200g的比例混合后溶解于水中；
取适量聚乙烯醇（PVA）与聚醚酰亚胺按照1:1的质量比溶于水中，配置成50g质量浓度为50%的胶液；取适量二癸基二甲基氯化铵溶于水中充分搅拌配置成40g浓度为2%的水溶液；将陶瓷粉二氧化硅与上述粘结剂与分散剂溶液混合后，再加入450g水调整浆料的固含量值至70%，机械搅拌6h后，得到均匀稳定的高分散二氧化硅涂覆悬浊液；
将高分散二氧化硅涂覆悬浊液倒进涂布机料槽中，设置涂布机的温度为60℃，走速为5m/min，涂覆厚度为60μm，将二氧化硅涂覆悬浊液涂敷于成卷的三元电极片上，并将电池极片于50℃和50%的湿度下干燥10h后，收卷、裁片，即可得到电极支撑型无机隔膜复合电极片；
将涂覆有无机隔膜的三元电极片与负极石墨极片进行平行装配，制得锂离子电池；
将制得的电解液注入电池中，搁置24h，然后进行化成分容。
实施例4
选取1kg的陶瓷粉二氧化硅，粒径为100nm 、500nm 、1μm 的陶瓷粉分别按照400g：400g： 200g的比例混合后溶解于水中；
取适量聚醚酰亚胺酸按照1:1的质量比溶于水中，配置成110g质量浓度为40%的胶液；取适量十六烷基三甲基溴化铵溶于水中充分搅拌配置成34g浓度为2.5%的水溶液；将陶瓷粉二氧化硅与上述粘结剂与分散剂溶液混合后，再加入300g水调整浆料的固含量值至70%，机械搅拌4h后，得到均匀稳定的高分散二氧化硅涂覆悬浊液；
将高分散二氧化硅涂覆悬浊液倒进涂布机料槽中，设置涂布机的温度为50℃，走速为4m/min，涂覆厚度为40μm，将二氧化硅涂覆悬浊液涂敷于成卷的三元电极片上，并将电池极片于50℃和70%的湿度下干燥10h后，收卷、裁片，即可得到电极支撑型无机隔膜；
将涂覆有无机隔膜的三元电极片与负极石墨极片进行平行装配，制得锂离子电池；
将制得的电解液注入电池中，搁置24h，然后进行化成分容。
对比例
1)将有机高分子PP隔膜、将三元电极片与负极石墨极片进行平行装配，制得锂离子电池；
2）将制得的电池注入电池中，搁置24h，然后进行化成分容。
实验例
将实施例1与对比例中化成分容后的电池，置于25℃的烘箱内，在1C充电电流和1C放电电流（1C/1C）下进行充放电循环性能测试，实验结果如图2所示，可以看出:本发明实施例制备的锂离子电池在多次循环下仍具有较高的容量保持率。
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本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 (9)
1.一种无机隔膜型锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1），称取（600-1000）重量份不同粒径的二氧化硅放入溶剂中，开启搅拌装置，使其溶解，制得悬浊液；
步骤（2），取（50-100）重量份水溶性粘结剂加入上述悬浊液中，搅拌，得到均匀稳定的氧化铝涂覆悬浊液；
步骤（3），将所述二氧化硅涂覆悬浊液以预设厚度涂敷于成卷的电池极片表面，并将所述电池极片置于（50-60）℃的条件下烘干后收卷、裁片，即可得到电极支撑型无机隔膜复合电极片；
步骤（4），将所述步骤（3）中得到的电极支撑型无机隔膜复合电极片与对应的正极片或负极片进行平行装配，制成电芯；
步骤（5），对所述电芯进行包扎固定、封装、灌注电解液和化成制成锂离子电池。
2.根据权利要求1所述的无机隔膜型锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述粒径为100nm 、500nm 、1μm的二氧化硅颗粒的质量比为（1.5~6）：（1.5~6）：（1~4）。
3.根据权利要求1或2所述的无机隔膜型锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述粘结剂包括聚乙烯醇与聚醚酰亚胺的组合物、聚丙烯酸与羧甲基纤维素钠的组合物、聚乙烯醇与聚丙烯酸的组合物或聚酰亚胺酸。
4.根据权利要求3所述的无机隔膜型锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述粘结剂组合物形成的胶液的质量浓度为（10-50）%。
5.根据权利要求3所述的无机隔膜型锂离子电池的制备方法，其特征在于，用聚酰亚胺酸配置的胶液的质量浓度为（0.1-10）%。
6.根据权利要求1或2所述的无机隔膜型锂离子电池的制备方法，其特征在于，在所述步骤（3）之前还包括：对所述粘合剂进行成膜高温试验，将所述步骤（2）中制备的涂覆浆料涂覆于箔材上面，并将其置于（400-800）℃的条件下进行烘烤以制备无机隔膜，然后降温至室温，取出无机隔膜，观察无机隔膜的热收缩变化；如果隔膜加热后体积无任何收缩变形，则选择所述步骤（2）中制备的涂覆浆料进行步骤（3）的操作。
7.根据权利要求1或2所述的无机隔膜型锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述二氧化硅涂覆悬浊液的涂覆过程中，环境湿度为40%-70%。
8.一种电芯，其特征在于，包括: 电极支撑型无机隔膜复合电极片和与其平行设置的正极片或负极片；其中，
所述电极支撑型无机隔膜复合电极片由不同粒径的二氧化硅和一定比例的水溶性粘结剂形成的二氧化硅涂覆悬浊液以预设厚度涂敷于成卷的电池极片表面而形成。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包括如权利要求8所述的电芯。
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