CN109830745A - 一种凝胶扣式软包装锂电池及制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种凝胶扣式软包装锂电池，所述正极片组成的质量百分比为：97.5～98.0％钴酸锂、0.8～1.0％PVDF、1.0％导电剂、1.0％碳纳米管；所述负极片组成的质量百分比为：92‑93.0％石墨、1.5％导电剂,2％石墨烯、2％硅碳、1.5％LAR、0.5％CMC；所述凝胶电解质由凝胶态溶剂和液态电解质组成，重量比为1：(0.8～2.0)凝胶态溶剂包括3‑甲基丙烯酰氧基丙基二甲氧基硅烷、丙烯酸氟丙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、过氧化二苯甲酰，质量比为：1：1：(0.5～2)：(0.02～0.1)。本申请能很好应用于微量耗电的蓝牙耳机、智能穿戴等场景；本申请采用的凝胶电解质在提高锂电池安全性的同时，兼顾了锂电池的电性能。

Description

一种凝胶扣式软包装锂电池及制备工艺
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种凝胶扣式软包装锂电池及制备工艺。
背景技术
传统的纽扣式锂电池是金属材质，其采用液态电解质，由于液态电解质遇到高温容易爆炸起火，安全系数较低。而且传统的纽扣式锂电池比较重，不适用于蓝牙耳机等对重量、安全性(因为耳机是最密切接触人体的电子消费品)要求比较高的领域。目前市场上的蓝牙耳机等小型设备一般采用软包聚合物电芯，形状多为方形或者圆柱形结构。此类聚合物电芯，质量较轻，但是仍采用液态电解质，容易发生鼓包现象。
目前市场上有少量的凝胶电解质锂电池，因为受制于内部阻抗和成本问题，基本未能实现在耳机、智能穿戴领域的批量生产。
现在行业内对也有不少对凝胶电池的研究，基本分为原位法和涂布法两种。原位法得到的电芯一般电导率低，不适合用于生产工作电流较大的锂电芯。现有的涂布法不易控制涂布的均匀性，对工艺制备要求比较高，不适合应用在极片面积较大、需要成组使用、对电芯一致性要求比较的高的场合。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种安全性能更高、适合低功耗环境使用的凝胶扣式软包装锂电池及制备工艺。
为实现该技术目的，本发明的方案是：一种凝胶扣式软包装锂电池，包括正极片、负极片、隔离膜、凝胶电解质；
所述正极片组成的质量百分比为：97.5～98.0％钴酸锂、0.8～1.0％PVDF、1.0％导电剂、1.0％碳纳米管；
所述负极片组成的质量百分比为：92-93.0％石墨、1.5％导电剂,2％石墨烯、2％硅碳、1.5％LAR、0.5％CMC；
所述隔离膜为干法隔膜表面加涂形成厚度3-4微米的陶瓷层结构；
所述凝胶电解质由凝胶态溶剂和液态电解质组成，质量比为1：(0.8～2.0)
凝胶态溶剂包括3-甲基丙烯酰氧基丙基二甲氧基硅烷、丙烯酸氟丙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、过氧化二苯甲酰，质量比为：1：1：(0.5～2)：(0.02～0.1)；
所述液态电解质包括六氟磷酸锂、DMC、EC，按摩尔比1：1:(0.85～0.92)的比例来配置。
作为优选，所述正极片中钴酸锂的D50为8～14um；比表面积为0.2～0.5m2/g；振实密度大于等于2.5g/cm3；克容量大于等于145mAh/g；
所述负极片中石墨的D50为12～20um；比表面积为1.0～1.6m2/g；振实密度大于等于1.0～1.3g/cm3；克容量大于等于340mAh/g。
作为优选，正极极片的面密度为30～40mg/cm2；压实密度为3.7～4.15g/m3；负极极片的面密度为14.0～20.0mg/cm2；压实密度为1.4～1.6g/m3；
面密度设计公式：先确定正极的面密度，然后负极的面密度按公式计量：负极面密度＝(正极面密度*钴酸锂克容量*正极钴酸锂含量)/(石墨克容量*负极石墨含量)*(1.10-1.13)。
一种凝胶扣式软包装锂电池中凝胶电解质的制备工艺，具体步骤如下：
第一步，混合，3-甲基丙烯酰氧基丙基二甲氧基硅烷、丙烯酸氟丙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、过氧化二苯甲酰按质量比为：1：1：(0.5～2)：(0.02～0.1)来配置凝胶态溶剂。
六氟磷酸锂、DMC、EC按摩尔比1：1:(0.85～0.92)的比例来配置液态电解质；
将凝胶态溶剂和液态电解质按重量比1：(0.8～2.0)的配比充分搅拌均匀获得混合液，混合液为浅黄色透明并具有良好流动性；
第二步，进行分段热聚合，第一段聚合温度95～105℃，聚合时间8～12分钟；
第二段聚合温度为33～38℃，聚合时间88～104小时；
聚合完成后，流动的混合液形成了稳定的凝胶电解质。
本发明的有益效果，本申请能很好应用于微量耗电的蓝牙耳机、智能穿戴等场景；本申请采用的凝胶电解质在提高锂电池安全性的同时，兼顾了锂电池的电性能(温度适用性和放电容量)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明所述的具体实施例为一种凝胶扣式软包装锂电池，包括正极片、负极片、隔离膜、凝胶电解质；
所述正极片组成的质量百分比为：97.5～98.0％钴酸锂、0.8～1.0％PVDF、1.0％导电剂、1.0％碳纳米管；
所述负极片组成的质量百分比为：92-93.0％石墨、1.5％导电剂,2％石墨烯、2％硅碳、1.5％LAR、0.5％CMC；
所述隔离膜为干法隔膜表面加涂形成厚度3-4微米的陶瓷层结构；所述隔离膜的孔隙率为40～50％；
所述凝胶电解质由凝胶态溶剂和液态电解质组成，质量比为1：(0.8～2.0)；
凝胶态溶剂包括3-甲基丙烯酰氧基丙基二甲氧基硅烷、丙烯酸氟丙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、过氧化二苯甲酰，质量比为：1：1：(0.5～2)：(0.02～0.1)；
所述液态电解质包括六氟磷酸锂、DMC、EC，按摩尔比1：1:(0.85～0.92)的比例来配置。
溶剂和极片组分的具体名称如下：EC(碳酸乙烯酯-Ethylene carbonate)、DMC(碳酸二甲酯，dimethyl carbonate)、PVDF：聚偏氟乙烯、CMC：羧甲基纤维素钠、LAR为粘结剂。
所述正极片中钴酸锂的D50为8～14um；比表面积为0.2～0.5m2/g；振实密度大于等于2.5g/cm3；克容量大于等于145mAh/g；
所述负极片中石墨的D50为12～20um；比表面积为1.0～1.6m2/g；振实密度大于等于1.0～1.3g/cm3；克容量大于等于340mAh/g。
正极极片的面密度为30～40mg/cm2；压实密度为3.7～4.15g/m3；负极极片的面密度为14.0～20.0mg/cm2；压实密度为1.4～1.6g/m3；
面密度设计公式：先确定正极的面密度，然后负极的面密度按公式计量：负极面密度＝(正极面密度*钴酸锂克容量*正极钴酸锂含量)/(石墨克容量*负极石墨含量)*(1.10-1.13)。
一种凝胶扣式软包装锂电池中凝胶电解质的制备工艺，具体步骤如下：
第一步，混合，3-甲基丙烯酰氧基丙基二甲氧基硅烷、丙烯酸氟丙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、过氧化二苯甲酰按质量比为：1：1：(0.5～2)：(0.02～0.1)来配置凝胶态溶剂。
六氟磷酸锂、DMC、EC按摩尔比1：1:(0.85～0.92)的比例来配置液态电解质；
将凝胶态溶剂和液态电解质按质量比1：(0.8～2.0)的配比充分搅拌均匀获得混合液，混合液为浅黄色透明并具有良好流动性；
第二步，进行分段热聚合，第一段聚合温度95～105℃，聚合时间8～12分钟；
第二段聚合温度为33～38℃，聚合时间88～104小时；
聚合完成后，流动的混合液形成了稳定的凝胶电解质。
本申请的凝胶扣式软包装锂电池的具体加工步骤如下：
第一步，成型，常温下，通过模具在铝塑复合膜上冲压形成凹状的外壳；
第二步，组装，将正极极耳超声波焊接在正极片上，将负极极耳电阻焊接到负极片上；
第三步，装配，将正极极片、隔膜和负极极片卷成柱状卷芯结构后放入外壳内，隔膜位于正极极片和负极极片之间，然后在注入正极极片和负极极片之间注入凝胶态溶剂和液态电解质溶液组成的混合液，最后按照凝胶电解质制备工艺的第二步，进行分段热聚合；
第四步，封装，将组装完的外壳通过热塑封装工艺进行密封，封装条件：温度180-190℃，压力0.25-0.4Mpa，热熔3秒。
本申请的凝胶扣式软包装锂电池采用凝胶电解质涂覆工艺，加工效率高，易批量生产；凝胶电解质配合热塑封装结构，体积轻巧，易和耳机等圆形电子产品装配，安全性能也更高；采用本申请的电解质和负极材料的配方，在提高锂电池安全性的同时，兼顾了锂电池的电性能(温度适用性和放电容量)。
对比测试数据如下：
现有的凝胶电解质尚未大规模应用的瓶颈是接触阻抗较大，但是本申请的是应用场景是微量耗电的蓝牙耳机、智能穿戴等，放电电流较小，本申请的凝胶电解质带来的阻抗问题完全可以通过其它方法(优化工艺参数，改善材料的导电性等)消除影响。本申请采用的凝胶电解质在提高锂电池安全性的同时，兼顾了锂电池的电性能(温度适用性和放电容量)。本申请采用分段式热聚合技术制备凝胶电解质，凝胶电解质的阻抗小、稳定性好。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种凝胶扣式软包装锂电池，其特征在于：包括正极片、负极片、隔离膜、凝胶电解质；
所述正极片组成的质量百分比为：97.5～98.0％钴酸锂、0.8～1.0％PVDF、1.0％导电剂、1.0％碳纳米管；
所述负极片组成的质量百分比为：92-93.0％石墨、1.5％导电剂,2％石墨烯、2％硅碳、1.5％LAR、0.5％CMC；
所述隔离膜为干法隔膜表面加涂形成厚度3-4微米的陶瓷层结构；
所述凝胶电解质由凝胶态溶剂和液态电解质组成，质量比为1：(0.8～2.0)；
凝胶态溶剂包括3-甲基丙烯酰氧基丙基二甲氧基硅烷、丙烯酸氟丙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、过氧化二苯甲酰，质量比为：1：1：(0.5～2)：(0.02～0.1)；
所述液态电解质包括六氟磷酸锂、DMC、EC，按摩尔比1：1:(0.85～0.92)的比例来配置。
2.根据权利要求1所述的凝胶扣式软包装锂电池，其特征在于：所述正极片中钴酸锂的D50为8～14um；比表面积为0.2～0.5m2/g；振实密度大于等于2.5g/cm3；克容量大于等于145mAh/g；
所述负极片中石墨的D50为12～20um；比表面积为1.0～1.6m2/g；振实密度大于等于1.0～1.3g/cm3；克容量大于等于340mAh/g。
3.根据权利要求1所述的凝胶扣式软包装锂电池，其特征在于：正极极片的面密度为30～40mg/cm2；压实密度为3.7～4.15g/m3；负极极片的面密度为14.0～20.0mg/cm2；压实密度为1.4～1.6g/m3；
面密度设计公式：先确定正极的面密度，然后负极的面密度按公式计量：负极面密度＝(正极面密度*钴酸锂克容量*正极钴酸锂含量)/(石墨克容量*负极石墨含量)*(1.10-1.13)。
4.一种凝胶扣式软包装锂电池中凝胶电解质的制备工艺，其特征在于：具体步骤如下：
第一步，混合，3-甲基丙烯酰氧基丙基二甲氧基硅烷、丙烯酸氟丙酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、过氧化二苯甲酰按质量比为：1：1：(0.5～2)：(0.02～0.1)来配置凝胶态溶剂。
六氟磷酸锂、DMC、EC按摩尔比1：1:(0.85～0.92)的比例来配置液态电解质；
将凝胶态溶剂和液态电解质按质量比1：(0.8～2.0)的配比充分搅拌均匀获得混合液，混合液为浅黄色透明并具有良好流动性；
第二步，进行分段热聚合，第一段聚合温度95～105℃，聚合时间8～12分钟；
第二段聚合温度为33～38℃，聚合时间88～104小时；
聚合完成后，流动的混合液形成了稳定的凝胶电解质。
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