CN110085916A - 一种用于可穿戴设备的柔性锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，包括柔性极片、隔膜和电解液；柔性极片包括：聚酯薄膜、沉积在聚酯薄膜表面中部的金属层、涂布在金属层表面的活性材料层和极耳，极耳一端与金属层固定，极耳中部与聚酯薄膜固定；相邻两片柔性极片的周边采用热压粘接；隔膜位于相邻两片柔性极片之间以防止其接触短路；电解液填充在相邻两片柔性极片之间。本发明公开了上述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的制备方法。本发明正负极片兼具柔性特征和壳体功用，从而显著提升锂离子电池的柔韧性和可折叠性能，满足电子设备正在逐步向轻量化和柔性化发展要求，尤其适用于可穿戴电子设备。

Description

一种用于可穿戴设备的柔性锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种用于可穿戴设备的柔性锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是一种具有高能量密度、高稳定性以及环境友好等优点的二次电池，已经被广泛地应用于各类电子设备、电动汽车的储能器件。锂离子电池一般包括正极片、隔膜、负极片和电解液等。其中，隔膜的作用是隔开正极片和负极片，使正负极之间绝缘，并且可以浸润和保持电解液；正极片包括集流体和正极活性电极涂层；负极片包括集流体和负极活性电极涂层；正负极片中的集流体主要是为了将锂离子电池正负极片上的活性电极材料产生的电流汇集以形成较大的电流，所以一般要求活性电极涂层与集流体充分接触，并且使内阻尽可能小。目前，已经商业化的锂离子电池大都采用金属箔材作为集流体，例如：铝箔作为正极片集流体，铜箔作为负极片集流体。这些金属箔材作为集流体时正负极片的柔韧性一般都较差，经弯折和拉扯等外力作用后容易折断或变形，进而影响电池的性能。
当下，随着电子技术领域的迅速发展，电子设备正在逐步向轻量化和柔性化发展，尤其是在可穿戴电子设备上。但是，目前最大的挑战就是如何实现可穿戴电子设备储能器件的柔性化和可折叠化，而以传统锂离子电池为主的储能器件无法满足这一要求。基于此，开发一款柔性化和可折叠化的锂离子电池具有极其重要的现实意义。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种用于可穿戴设备的柔性锂离子电池及其制备方法，解决锂离子电池柔性差和可折叠性差等缺陷。
本发明提出的一种用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，包括柔性极片、隔膜和电解液；
柔性极片包括：聚酯薄膜、沉积在聚酯薄膜表面中部的金属层、涂布在金属层表面的活性材料层和极耳，极耳一端与金属层固定，极耳中部与聚酯薄膜固定；相邻两片柔性极片的周边采用热压粘接；
隔膜位于相邻两片柔性极片之间以防止其接触短路；电解液填充在相邻两片柔性极片之间。
优选地，柔性极片采用蒸镀的方式将沉积在聚酯薄膜表面中部形成金属层。
优选地，柔性极片包括柔性正极片和柔性负极片，其中柔性正极片的金属层为铝层，柔性正极片的极耳为铝极耳，柔性负极片的金属层为铜层，柔性负极片的极耳为铜极耳。
优选地，铜层区域长和宽均比铝层区域长和宽大2～3mm。
优选地，极耳中部粘覆有聚酯薄膜作为热熔粘结剂，将极耳与柔性极片的聚酯薄膜固定。
优选地，柔性正极片的活性材料层原料按质量百分比包括：磷酸铁锂94～96％，粘结剂3～5％，导电剂1～2％。
优选地，柔性负极片的活性材料层原料按质量百分比包括：石墨92～94％，粘结剂5～6％，导电剂1～2％。
优选地，粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素和丁苯橡胶中至少一种。
优选地，导电剂为炭黑。
优选地，隔膜为聚乙烯材质，其厚度为10～15μm。
优选地，电解液为六氟磷酸锂的碳酸酯溶液。
优选地，柔性正极片的金属层面积小于柔性负极片的金属层面积。
本发明提出的上述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
I、采用胶带将聚酯薄膜的边缘区域覆盖，再将铝、铜分别蒸镀在聚酯薄膜表面形成铝层和铜层，移除边缘区域的胶带，接着焊接极耳，其中铝极耳一端与铝层固定，铜极耳一端与铜层固定；
II、将磷酸铁锂、粘结剂、导电剂和N-甲基吡咯烷酮搅拌均匀得到正极浆料；将石墨、粘结剂、导电剂和去离子水搅拌均匀得到负极浆料；将正极浆料均匀地涂布在铝层表面，接着真空干燥，压片得到柔性正极片；将负极浆料均匀地涂布在铜层表面，接着真空干燥，压片得到柔性负极片；
III、将柔性正极片、隔膜和柔性负极片依次叠放，接着将极耳引出侧进行热塑封，再将相邻一侧和相对一侧进行热塑封，真空干燥，然后由敞口侧注入电解液，接着敞口侧边向上，抽真空静置；
IV、将正、负极耳连接充放电系统柜的正负极，用夹板将电池夹紧，敞口侧朝上放置，抽真空，调节温度，充电；充电结束后保持真空，调节温度，继续静置；真空塑封机上平压并抽真空，然后热塑封处理得到柔性锂离子电池。
优选地，步骤II中，正极浆料电涂布面密度为40～85g/m2。
优选地，步骤II中，正极浆料真空干燥温度为100～110℃。
优选地，步骤II中，柔性正极片压片压力为5～10吨。
优选地，步骤II中，负极浆料涂布面密度为20～40g/m2。
优选地，步骤II中，负极浆料真空干燥温度为80～90℃。
优选地，步骤II中，柔性负极片压片压力为10～15吨。
优选地，步骤III中，真空干燥温度为80～90℃，真空干燥时间为48～72h。
优选地，步骤III中，注入电解液后抽真空至-0.04～-0.06MPa，静置温度为40～50℃，静置时间为12～24h。
优选地，步骤IV中，抽真空至-0.04～-0.06MPa，调节温度至28～32℃，先进行0.02C充电4h，再0.1C充电2h。
优选地，步骤IV中，充电结束后保持真空为-0.04～-0.06MPa，调节温度至40～50℃，继续静置12～24h。
优选地，步骤IV中，真空塑封机上平压并抽真空至-0.09MPa，时间为2～5s，然后热塑封处理得到柔性锂离子电池。
本发明以聚酯薄膜为基底，不仅使锂离子电池具有柔性特性，同时还兼具作为电池外壳的功用。通过在聚酯薄膜基底表面沉积一层金属层，并在金属层表面涂敷正负极材料，最终获得具有柔性属性的锂离子电池。基于本发明构建的锂离子电池显著提升了其柔韧性能和可折叠性能，较传统采用金属箔材集流体和采用金属材质壳体的锂电池具有十分突出的轻量化特性，满足电子设备中储能器件逐步向轻量化和柔性化发展的趋势要求，尤其是适用于可穿戴电子设备。
附图说明
图1为本发明的用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的示意图。
图2为本发明中柔性负极片的结构示意俯视图。
图3为本发明中柔性负极片的结构示意侧视图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，包括柔性极片、隔膜和六氟磷酸锂的碳酸酯溶液；相邻两片柔性极片的周边采用热压粘接；
柔性极片包括柔性正极片和柔性负极片；
柔性正极片包括：聚酯薄膜1、蒸镀沉积在聚酯薄膜表面中部的铝层2、涂布在铝层2表面的正活性材料层3和铝极耳4，铝极耳4一端与铝层2固定，铝极耳4粘覆有聚酯薄膜作为热熔粘结剂使铝极耳4与柔性极片的聚酯薄膜1固定；
柔性正极片的活性材料层原料按质量百分比包括：磷酸铁锂94％，聚偏氟乙烯5％，导电炭黑1％；
柔性负极片包括：聚酯薄膜1、蒸镀沉积在聚酯薄膜表面中部的铜层5、涂布在铜层5表面的负活性材料层6和铜极耳7，铜极耳7一端与铜层5固定，铜极耳7粘覆有聚酯薄膜作为热熔粘结剂使铜极耳7与柔性极片的聚酯薄膜1固定；
柔性负极片的活性材料层原料按质量百分比包括：石墨94％，羧甲基纤维素1.5％，丁苯橡胶乳液3.5％，导电炭黑1％；
铜层5区域长和宽均比铝层2区域长和宽大2～3mm；
隔膜为聚乙烯材质，其厚度为14μm，位于相邻两片柔性极片之间以防止铝层2和铜层5相互接触；六氟磷酸锂的碳酸酯溶液填充在相邻两片柔性极片之间。
上述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
I、裁切长80mm、宽60mm的可热塑封聚酯薄膜，采用胶带将聚酯薄膜的边缘区域覆盖，再将铝、铜分别蒸镀在聚酯薄膜表面形成铝层2和铜层5，移除边缘区域的胶带，接着焊接极耳，其中铝极耳4一端与铝层2固定，铜极耳7一端与铜层5固定；
II、将聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中缓慢搅拌至完全溶解，经超声后抽真空除气泡，再加入导电炭黑搅拌均匀，加入磷酸铁锂搅拌均匀，真空条件下持续搅拌2h，固含量为59-61％，过150目筛得到正极浆料；将正极浆料均匀地涂布在铝层2表面，涂布面密度为85g/m2，100℃真空干燥，压片得到柔性正极片，压片压力为9吨；
将羧甲基纤维素钠溶于去离子水，经超声后抽真空除气泡，再加入导电炭黑搅拌均匀，加入石墨粉搅拌均匀，再加入丁苯橡胶乳液，真空条件下持续搅拌2h，固含量为54-56％，过150目筛得到负极浆料；将负极浆料均匀地涂布在铜层5表面，涂布面密度为40g/m2，85℃真空干燥，压片得到柔性负极片，柔性负极片压片压力为10吨；
III、将柔性正极片、隔膜和柔性负极片依次叠放，隔膜的长、宽均比负极片长、宽的均大2mm，接着将极耳引出侧进行热塑封，再将相邻一侧和相对一侧进行热塑封，80℃真空干燥50h，冷却至室温，20℃干燥环境中，由塑料吸管吸取2mL六氟磷酸锂的碳酸酯溶液经敞口侧注入，接着敞口侧边向上，抽真空至-0.05MPa，静置20h，静置温度为48℃；
IV、将正、负极耳连接充放电系统柜的正负极，用夹板将电池夹紧，敞口侧朝上放置，抽真空至-0.05MPa，调节温度至30℃，先进行0.02C充电4h，再0.1C充电2h；充电结束后保持真空为-0.05MPa，调节温度至50℃，继续静置12h；真空塑封机上平压并抽真空至-0.09MPa，时间为4s，然后热塑封处理得到柔性锂离子电池。
实施例2
一种用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，包括柔性极片、隔膜和电解液；相邻两片柔性极片的周边采用热压粘接；
柔性极片包括柔性正极片和柔性负极片；
柔性正极片包括：聚酯薄膜1、蒸镀沉积在聚酯薄膜表面中部的铝层2、涂布在铝层2表面的正活性材料层3和铝极耳4，铝极耳4一端与铝层2固定，铝极耳4粘覆有聚酯薄膜作为热熔粘结剂使铝极耳4与柔性极片的聚酯薄膜1固定；
柔性正极片的活性材料层原料按质量百分比包括：磷酸铁锂95％，粘结剂4％，导电炭黑1％；
柔性负极片包括：聚酯薄膜1、蒸镀沉积在聚酯薄膜表面中部的铜层5、涂布在铜层5表面的负活性材料层6和铜极耳7，铜极耳7一端与铜层5固定，铜极耳7粘覆有聚酯薄膜作为热熔粘结剂使铜极耳7与柔性极片的聚酯薄膜1固定；
柔性负极片的活性材料层原料按质量百分比包括：石墨93％，粘结剂5.5％，导电炭黑1.5％；
铜层5区域长和宽均比铝层2区域长和宽大2mm；
隔膜为聚乙烯材质，其厚度为15μm，位于相邻两片柔性极片之间以防止其接触短路；电解液填充在相邻两片柔性极片之间。
上述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
I、采用胶带将聚酯薄膜的边缘区域覆盖，再将铝、铜分别蒸镀在聚酯薄膜表面形成铝层2和铜层5，移除边缘区域的胶带，接着焊接极耳，其中铝极耳4一端与铝层2固定，铜极耳7一端与铜层5固定；
II、将粘结剂加入N-甲基吡咯烷酮中缓慢搅拌至完全溶解，经超声后抽真空除气泡，再加入导电炭黑搅拌均匀，加入磷酸铁锂搅拌均匀得到正极浆料；将正极浆料均匀地涂布在铝层2表面，涂布面密度为40g/m2，110℃真空干燥，压片得到柔性正极片，压片压力为5吨；
将粘结剂溶于去离子水，经超声后抽真空除气泡，再加入导电炭黑搅拌均匀，加入石墨粉搅拌均匀得到负极浆料；将负极浆料均匀地涂布在铜层5表面，涂布面密度为30g/m2，80℃真空干燥，压片得到柔性负极片，柔性负极片压片压力为15吨；
III、将柔性正极片、隔膜和柔性负极片依次叠放，隔膜的长、宽均比负极片长、宽的均大2mm，接着将极耳引出侧进行热塑封，再将相邻一侧和相对一侧进行热塑封，85℃真空干燥72h，冷却至室温，20℃干燥环境中，由塑料吸管吸取电解液经敞口侧注入，接着敞口侧边向上，抽真空至-0.04MPa，静置24h，静置温度为40℃；
IV、将正、负极耳连接充放电系统柜的正负极，用夹板将电池夹紧，敞口侧朝上放置，抽真空至-0.06MPa，调节温度至28℃，先进行0.02C充电4h，再0.1C充电2h；充电结束后保持真空为-0.06MPa，调节温度至40℃，继续静置24h；真空塑封机上平压并抽真空至-0.09MPa，时间为2s，然后热塑封处理得到柔性锂离子电池。
实施例3
一种用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，包括柔性极片、隔膜和电解液；相邻两片柔性极片的周边采用热压粘接；
柔性极片包括柔性正极片和柔性负极片；
柔性正极片包括：聚酯薄膜1、蒸镀沉积在聚酯薄膜表面中部的铝层2、涂布在铝层2表面的正活性材料层3和铝极耳4，铝极耳4一端与铝层2固定，铝极耳4粘覆有聚酯薄膜作为热熔粘结剂使铝极耳4与柔性极片的聚酯薄膜1固定；
柔性正极片的活性材料层原料按质量百分比包括：磷酸铁锂96％，粘结剂3％，导电炭黑1％；
柔性负极片包括：聚酯薄膜1、蒸镀沉积在聚酯薄膜表面中部的铜层5、涂布在铜层5表面的负活性材料层6和铜极耳7，铜极耳7一端与铜层5固定，铜极耳7粘覆有聚酯薄膜作为热熔粘结剂使铜极耳7与柔性极片的聚酯薄膜1固定；
柔性负极片的活性材料层原料按质量百分比包括：石墨92％，粘结剂6％，导电炭黑2％；
铜层5区域长和宽均比铝层2区域长和宽大3mm；
隔膜为聚乙烯材质，其厚度为10μm，位于相邻两片柔性极片之间以防止铝层2和铜层5相互接触；电解液填充在相邻两片柔性极片之间。
上述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
I、采用胶带将聚酯薄膜的边缘区域覆盖，再将铝、铜分别蒸镀在聚酯薄膜表面形成铝层2和铜层5，移除边缘区域的胶带，接着焊接极耳，其中铝极耳4一端与铝层2固定，铜极耳7一端与铜层5固定；
II、将粘结剂加入N-甲基吡咯烷酮中缓慢搅拌至完全溶解，经超声后抽真空除气泡，再加入导电炭黑搅拌均匀，加入磷酸铁锂搅拌均匀得到正极浆料；将正极浆料均匀地涂布在铝层2表面，涂布面密度为60g/m2，105℃真空干燥，压片得到柔性正极片，压片压力为10吨；
将粘结剂溶于去离子水，经超声后抽真空除气泡，再加入导电炭黑搅拌均匀，加入石墨粉搅拌均匀得到负极浆料；将负极浆料均匀地涂布在铜层5表面，涂布面密度为20g/m2，90℃真空干燥，压片得到柔性负极片，柔性负极片压片压力为13吨；
III、将柔性正极片、隔膜和柔性负极片依次叠放，隔膜的长、宽均比负极片长、宽的均大2mm，接着将极耳引出侧进行热塑封，再将相邻一侧和相对一侧进行热塑封，90℃真空干燥48h，冷却至室温，20℃干燥环境中，由塑料吸管吸取电解液经敞口侧注入，接着敞口侧边向上，抽真空至-0.06MPa，静置12h，静置温度为50℃；
IV、将正、负极耳连接充放电系统柜的正负极，用夹板将电池夹紧，敞口侧朝上放置，抽真空至-0.04MPa，调节温度至32℃，先进行0.02C充电4h，再0.1C充电2h；充电结束后保持真空为-0.04MPa，调节温度至45℃，继续静置18h；真空塑封机上平压并抽真空至-0.09MPa，时间为5s，然后热塑封处理得到柔性锂离子电池。
其中实施例1-3所述的到柔性锂离子电池的结构参照图1、2、3所示，其中图1为本发明的用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的示意图，图2为本发明中柔性负极片的结构示意俯视图，图3为本发明中柔性负极片的结构示意侧视图，所述柔性锂离子电池的柔韧性和可折叠性能好，可满足电子设备正在逐步向轻量化和柔性化发展要求，尤其适用于可穿戴电子设备。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，其特征在于，包括柔性极片、隔膜和电解液；
柔性极片包括：聚酯薄膜、沉积在聚酯薄膜表面中部的金属层、涂布在金属层表面的活性材料层和极耳，极耳一端与金属层固定，极耳中部与聚酯薄膜固定；相邻两片柔性极片的周边采用热压粘接；
隔膜位于相邻两片柔性极片之间以防止其接触短路；电解液填充在相邻两片柔性极片之间。
2.根据权利要求1所述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，其特征在于，柔性极片采用蒸镀的方式将沉积在聚酯薄膜表面中部形成金属层。
3.根据权利要求1所述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，其特征在于，柔性极片包括柔性正极片和柔性负极片，其中柔性正极片的金属层为铝层，柔性正极片的极耳为铝极耳，柔性负极片的金属层为铜层，柔性负极片的极耳为铜极耳。
4.根据权利要求3所述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，其特征在于，柔性正极片的活性材料层原料按质量百分比包括：磷酸铁锂94～96％，粘结剂3～5％，导电剂1～2％；优选地，柔性负极片的活性材料层原料按质量百分比包括：石墨92～94％，粘结剂5～6％，导电剂1～2％；优选地，粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素和丁苯橡胶中至少一种；优选地，导电剂为炭黑。
5.根据权利要求1所述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，其特征在于，隔膜为聚乙烯材质，其厚度为10～15μm；优选地，电解液为六氟磷酸锂的碳酸酯溶液。
6.根据权利要求1所述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池，其特征在于，柔性正极片的金属层面积小于柔性负极片的金属层面积。
7.一种如权利要求1-6任一项所述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
I、采用胶带将聚酯薄膜的边缘区域覆盖，再将铝、铜分别蒸镀在聚酯薄膜表面形成铝层和铜层，移除边缘区域的胶带，接着焊接极耳，其中铝极耳一端与铝层固定，铜极耳一端与铜层固定；
II、将磷酸铁锂、粘结剂、导电剂和N-甲基吡咯烷酮搅拌均匀得到正极浆料；将石墨、粘结剂、导电剂和去离子水搅拌均匀得到负极浆料；将正极浆料均匀地涂布在铝层表面，接着真空干燥，压片得到柔性正极片；将负极浆料均匀地涂布在铜层表面，接着真空干燥，压片得到柔性负极片；
III、将柔性正极片、隔膜和柔性负极片依次叠放，接着将极耳引出侧进行热塑封，再将相邻一侧和相对一侧进行热塑封，真空干燥，然后由敞口侧注入电解液，接着敞口侧边向上，抽真空静置；
IV、将正、负极耳连接充放电系统柜的正负极，用夹板将电池夹紧，敞口侧朝上放置，抽真空，调节温度，充电；充电结束后保持真空，调节温度，继续静置；真空塑封机上平压并抽真空，然后热塑封处理得到柔性锂离子电池。
8.根据权利要求7所述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤II中，正极浆料电涂布面密度为40～85g/m2；优选地，步骤II中，正极浆料真空干燥温度为100～110℃；优选地，步骤II中，柔性正极片压片压力为5～10吨；
优选地，步骤II中，负极浆料涂布面密度为20～40g/m2；优选地，步骤II中，负极浆料真空干燥温度为80～90℃；优选地，步骤II中，柔性负极片压片压力为10～15吨。
9.根据权利要求7或8所述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤III中，真空干燥温度为80～90℃，真空干燥时间为48～72h；优选地，步骤III中，注入电解液后抽真空至-0.04～-0.06MPa，静置温度为40～50℃，静置时间为12～24h。
10.根据权利要求7-9任一项所述用于可穿戴设备的柔性锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤IV中，抽真空至-0.04～-0.06MPa，调节温度至28～32℃，先进行0.02C充电4h，再0.1C充电2h；优选地，步骤IV中，充电结束后保持真空为-0.04～-0.06MPa，调节温度至40～50℃，继续静置12～24h；优选地，步骤IV中，真空塑封机上平压并抽真空至-0.09MPa，时间为2～5s，然后热塑封处理得到柔性锂离子电池。
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