CN110085905A - 一种蜂窝结构锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蜂窝结构锂离子电池及其制备方法，所述蜂窝结构锂离子电池由正极、负极、隔膜、集流体、电解液等组成。所述负极为蜂窝多孔结构，由浆料经模具铸造、烘烤获得；所述正极镶嵌在负极蜂窝孔中，正、负极由隔膜和电解液隔开；正、负极浆料采用球磨干混后加入少量溶剂高速搅拌，固含量为80～90％。本发明所提供的蜂窝结构锂离子电池比容量大、体积变化小、库伦效率高、循环性能好，此外电极制备工艺和设备简单、溶剂消耗少、生产效率高。

Description

一种蜂窝结构锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种蜂窝结构锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度大、放电电压高、充放电速度快、体积小、无记忆效应等优点在电子通讯、储能设备、电动汽车和航空航天等领域已获得广泛的应用。为了进一步提高锂离子电池的电化学性能，近些年关于锂离子电池新材料、新工艺的开发和利用获得飞速发展。在新材料方面，镍钴锰酸锂(NCM)、镍钴铝酸锂(NCA)等正极材料，锡基、硅基等负极材料获得了广泛研究及应用。目前以高镍三元材料为正极、硅碳复合材料为负极的高性能锂离子电池成为未来锂电池的发展方向。然而锡基/硅基材料在充放电时存在巨大的体积变化，电池容量衰减严重，寿命短。工艺方面，传统锂离子电池的制备主要包括制浆、涂布、辊压、分切、卷绕/叠片、注液等工序，其生产过程复杂、工艺流程长、设备占地面积大、能耗高。为了进一步提高锂离子电池的容量和能量密度，简化生产工序，发明一种蜂窝结构的锂离子电池及其制备方法非常有益。
发明内容
本发明目的就是针对现有技术的缺陷，提供了一种蜂窝结构锂离子电池，它能有效降低电极充放电过程中的体积膨胀应力，减小电池容量衰减，改善电池循环性能。
本发明的技术方案是这样实现的：一种蜂窝结构锂离子电池，所述蜂窝结构锂离子电池由正极、负极、隔膜、集流体和电解液组成，其特征在于：该电池负极为蜂窝多孔结构，正极镶嵌在负极蜂窝孔中，正、负极之间由隔膜分开，所述正极的材料为磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂中的一种，所述负极的材料为石墨、锡基、硅基材料中的一种。
本发明所涉及的蜂窝结构锂离子电池的制备主要有以下步骤：
(1)、浆料制备：采用高能球磨机将活性物质、导电剂、粘结剂粉体材料进行干混，充分混合后逐步加入少量溶剂进行高速搅拌，获得正、负极浆料；正极活性材料为磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂等中的一种，负极为石墨、锡基、硅基材料中的一种；
特别地，导电剂为CNT(碳纳米管)、石墨烯、导电炭黑等中的一种，正极粘结剂为PVDF(聚偏二氟乙烯)，负极粘结剂为SBR(丁苯橡胶)；
特别地，正极浆料溶剂为NMP(氮-甲基吡咯烷酮)，负极浆料溶剂为去离子水；
特别地，正、负极浆料的固含量为75～90％。
(2)、负极铸造：负极浆料浇注到铸造模具中，浆料烘烤干燥后获得蜂窝状电池负极；
特别地，铸造模具由上模和下模组成，上模为凸模，下模为凹模；
特别地，上模加工出浇口和排气口，为了便于脱模，上模凸台拔模角为2～8°；
特别地，浆料浇注前在下模底平铺一片铜箔，铜箔厚度为10～30um；
更优地，电池负极也可采用压铸工艺制备，半固态的浆料由压射冲头压入型腔，增压加热后获得电池负极。
(3)、负极烘烤：电极浇注成形后在烤箱中进行烘烤，去除溶剂后获得干电极，烘烤温度为100～140℃。
(4)、正极制备：将正极浆料浇注到环形蜂窝状模具中，上模板压型后烘烤获得电池正极；
特别地，正极块直径为负极蜂窝孔90～95％，高度为蜂窝孔深度的0.9～1.1倍。
(5)、电池装配：蜂窝结构电池按照负极→电解液→隔膜→正极→电解液→铝箔顺序进行装配，随后装入铝壳体中。
本发明所提供的一种蜂窝结构锂离子电池及其制备方法，同传统卷绕/叠片电池相比具有以下优点：
(1)制备过程和设备简单、工艺流程短，无涂布、分切、卷绕/叠片等复杂工序；
(2)浆料固含量高，溶剂使用量少，电极烘烤等过程能耗小；
(3)蜂窝结构电池能有效降电极充放电过程中的体积膨胀应力，减小电池容量衰减，改善电池循环性能；
(4)电极接触面积大，电解液润湿效果好，锂离子传输速率快，电池充放电倍率性能显著提高；
(5)蜂窝结构锂电池安全性好，过充、过热等状态下，相互嵌套的正、负极有效抑制隔膜的热收缩。
附图说明
图1为本发明所述的蜂窝结构锂离子电池结构示意图；
图2为本发明所述负极片铸造模具示意图；
图3为本发明所述负极铸造上模具结构示意图；
图4为本发明所述正极铸造模具结构示意图；
图5为本发明所述负极压铸设备结构示意图。
图中各标志分别为：001—负极；002—负极蜂窝孔；003—铝箔；004—正极块；005—隔膜；006—负极；007—铜箔；101—排气孔；102—浇口；103—上模；104—下模；113—上模凸台；201—排气孔；202—上模板；203—下模；301—左模；302—排气口；303—右模；304—型腔；305—增压孔；306—入料口；307—压射冲头；308—压射腔。
具体的实施方式
本发明所涉及的一种蜂窝结构锂离子电池及其制备方法，如图1所示，该蜂窝结构锂离子电池由001负极、003铝箔、004正极、005隔膜、007铜箔组成。001负极具有蜂窝多孔结构，由负极材料和002蜂窝孔组成，正极镶嵌于负极蜂窝孔中，隔膜和电解液位于正、负极蜂窝间隙。采用高能球磨机将活性物质、导电剂、粘结剂粉体材料进行干混，充分混合后逐步加入少量溶剂进行高速搅拌，获得电极浆料，随后进行铸造、烘烤和电池装配获得该锂离子电池。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
一种蜂窝结构锂离子电池的制备方法包括如下步骤：
(1)浆料制备：采用高能球磨机将活性物质、导电剂、粘结剂粉体材料进行干混，充分混合后逐步加入少量溶剂进行高速搅拌，获得正、负极浆料；
特别地，正极活性材料为磷酸铁锂，负极为锡基材料；导电剂为CNT，正极粘结剂为PVDF，负极粘结剂为SBR；
特别地，正极浆料溶剂为NMP，负极浆料溶剂为去离子水；
特别地，正、负极浆料的固含量为75～80％。
(2)负极铸造：如图2所示，负极浆料浇注到铸造模具中，浆料烘烤干燥后获得蜂窝状电池负极；
特别地，铸造模具由103上模和104下模组成，上模为凸模，下模为凹模；
特别地，上模加工出102浇口和101排气口，为了便于脱模，上模113凸台拔模角为5°，如图3所示；
特别地，浆料浇注前在下模底平铺一片007铜箔，铜箔厚度为10um；
(3)负极烘烤：电极浇注成形后在烤箱中进行烘烤，去除溶剂后获得干电极，烘烤温度为100℃。
(4)正极制备：如图4所示，将正极浆料浇注到203环形蜂窝状模具中，202上模板压型后烘烤获得电池正极；
特别地，正极块直径为负极蜂窝孔90％，高度为蜂窝孔深度的0.9倍。
(5)电池装配：蜂窝结构电池按照负极→电解液→隔膜→正极→电解液→铝箔顺序进行装配，随后装入铝壳体中。
实施例2：
一种蜂窝结构锂离子电池的制备方法包括如下步骤：
(1)浆料制备：采用高能球磨机将活性物质、导电剂、粘结剂粉体材料进行干混，充分混合后逐步加入少量溶剂进行高速搅拌，获得正、负极浆料；
特别地，正极活性材料为镍钴锰酸锂，负极为硅碳复合材料；
特别地，导电剂为石墨烯，正极粘结剂为PVDF，负极粘结剂为SBR；
特别地，正极浆料溶剂为NMP，负极浆料溶剂为去离子水；
特别地，正、负极浆料的固含量为80～85％。
(2)负极铸造：如图5所示，电池负极采用压铸工艺制备，半固态的浆料由307压射冲头压入304型腔，增压加热后获得电池负极，加热温度为110℃。
(3)正极制备：如图4所示，将正极浆料浇注到203环形蜂窝状模具中，202上模板压型后烘烤获得电池正极；
特别地，正极块直径为负极蜂窝孔92％，高度为蜂窝孔深度的1.0倍。
(4)电池装配：蜂窝结构电池按照负极→电解液→隔膜→正极→电解液→铝箔顺序进行装配，随后装入铝壳体中。
实施例3：
一种蜂窝结构锂离子电池的制备方法包括如下步骤：
(1)浆料制备：采用高能球磨机将活性物质、导电剂、粘结剂粉体材料进行干混，充分混合后逐步加入少量溶剂进行高速搅拌，获得正、负极浆料；
特别地，正极活性材料为锰酸锂，负极为石墨；导电剂为导电炭黑，正极粘结剂为PVDF，负极粘结剂为SBR；
特别地，正极浆料溶剂为NMP，负极浆料溶剂为去离子水；
特别地，正、负极浆料的固含量为85～90％。
(2)负极铸造：负极铸造：如图2所示，负极浆料浇注到铸造模具中，浆料烘烤干燥后获得蜂窝状电池负极；
特别地，铸造模具由103上模和104下模组成，上模为凸模，下模为凹模；
特别地，上模加工出102浇口和101排气口，为了便于脱模，上模113凸台拔模角为8°，如图3所示；
特别地，浆料浇注前在下模底平铺一片007铜箔，铜箔厚度为20um；
(3)负极烘烤：电极浇注成形后在烤箱中进行烘烤，去除溶剂后获得干电极，烘烤温度为130℃。
(4)正极制备：如图4所示，将正极浆料浇注到203环形蜂窝状模具中，202上模板压型后烘烤获得电池正极；
特别地，正极块直径为负极蜂窝孔95％，高度为蜂窝孔深度的1.1倍。
(5)电池装配：蜂窝结构电池按照负极→电解液→隔膜→正极→电解液→铝箔顺序进行装配，随后装入铝壳体中。
本具体实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明构思前提下对本发明进行的任何形式改进，都属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种蜂窝结构锂离子电池，所述蜂窝结构锂离子电池由正极、负极、隔膜、集流体和电解液组成，其特征在于：该电池负极为蜂窝多孔结构，正极镶嵌在负极蜂窝孔中，正、负极之间由隔膜分开，所述正极材料为磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂中的一种，所述负极的材料为石墨、锡基、硅基材料中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种蜂窝结构锂离子电池的制备方法，它包括以下步骤：
(1)浆料制备：采用高能球磨机将活性物质、导电剂、粘结剂粉体材料进行干混，充分混合后逐步加入溶剂进行高速搅拌，获得正、负极浆料；
(2)负极铸造：将负极浆料浇注到铸造模具中，浆料烘烤干燥后获得蜂窝状电池负极；
(3)正极制备：将正极浆料浇注到环形蜂窝状模具中，上模板压型后烘烤获得电池正极；
(4)电池装配：蜂窝结构电池按照负极→电解液→隔膜→正极→电解液→铝箔顺序进行装配，随后装入铝壳体中。
3.根据权利要求2所述的一种蜂窝结构锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极的材料采用球磨法将活性物质、导电剂、粘结剂粉料进行快速混合，随后加入溶剂高速搅拌，浆料固含量为75～90％。
4.根据权利要求2所述的一种蜂窝结构锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述负极浆料进行模具铸造，浆料由浇口注入模腔，浇注后进行烘烤，烘烤温度为100～140℃。
5.根据权利要求2所述的一种蜂窝结构锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述负极的浇注模具为陶瓷材质，由上模和下模组成，上模拔模角为2～8°。
6.根据权利要求2所述的一种蜂窝结构锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述负极浆料浇注前，下模底部放置圆形铜箔集流体，其厚度为10～30um。
7.根据权利要求2所述的一种蜂窝结构锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极采用环形蜂窝状模具进行浇注，正极块直径为负极蜂窝孔直径的90～95％，高度为蜂窝孔深度的0.9～1.1倍。
8.根据权利要求2所述的一种蜂窝结构锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述锂离子电池按照负极→电解液→隔膜→正极→电解液→铝壳顺序入壳装配。
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