CN110165289A - 锂离子电池以及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池，包括外壳、设置于所述外壳中的若干正极极片与负极极片、分别与所述正极极片与负极极片连接的极耳、设置于所述正极极片与负极极片间的隔膜及设置于所述外壳中的电解液，所述正极极片包括正极材料与覆碳三维泡沫铝集流体，所述正极材料嵌于所述覆碳三维泡沫铝集流体的结构空隙中，所述负极极片包括负极材料与负极集流体，所述负极材料粘接于所述负极集流体表面。本发明提供的锂离子电池，采用覆碳三维泡沫铝集流体，将正极材料充填于其三维网格空隙中，降低正极材料与集流体的接触电阻，显著地提高电池的能量密度及功率密度。本发明还提供所述锂离子电池的制备方法。

Description

锂离子电池以及制备方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池以及制备方法。
背景技术
锂离子电池具有储电能量密度大的优点，在车用动力电池及移动电子类消费品方面大量应用，是新能源的重要组成部分。锂离子电池经过多年发展，形成了成熟的含锂化合物的正极材料，以及用各种类石墨态的炭的负极材料。并且形成了比较成熟的加工方法，即把正极材料与导电剂，粘接剂等掺混形成浆料，一起涂覆、辊压，固化后，紧密地粘在铝箔上。把负极材料与粘接剂混合形成浆料，一起涂覆、辊压，固化后，紧密地粘在铜箔上。再焊上极耳，并用隔膜相隔，注入电解液，形成电池成品。
但铝箔与活性材料层之间的接触电阻过大，且锂离子与铝箔会发生嵌锂反应，由于正极侧发生的锂镶嵌与脱出反应，破坏铝箔，导致电池稳定性与寿命降低。因此，正极侧常常是锂电池功率性能、充电时间、发热老化以及性能下降的限制环节。有报道提出了将正极材料纳米化，可以部分解决锂离子在正极材料的体相迁移速率，但同时会降低材料的振实密度，导致极片性能下降。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种改进的锂离子电池，其能够提高电池的能量密度及功率密度。
本发明提供一种锂离子电池，包括外壳、设置于所述外壳中的若干正极极片与负极极片、分别与所述正极极片与负极极片连接的极耳、设置于所述正极极片与负极极片间的隔膜及设置于所述外壳中的电解液，所述正极极片包括正极材料与覆碳三维泡沫铝集流体，所述正极材料嵌于所述覆碳三维泡沫铝集流体的结构空隙中，所述负极极片包括负极材料与负极集流体，所述负极材料粘接于所述负极集流体表面。
进一步的，所述覆碳三维泡沫铝集流体的孔隙率为80-99％。
进一步的，所述正极材料包括锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基固溶体材料、聚阴离子材料、覆碳磷酸铁锰锂及覆碳磷酸铁锂中的一种或多种。
进一步的，所述负极材料包括类石墨碳、中间相碳微球、硅碳材料、硅氧碳材料或钛酸锂材料中的一种或多种。
进一步的，所述正极材料与负极材料的粒径为0.005-20μm。
进一步的，所述锂离子电池包括能量型电池及功率型电池。
进一步的，所述锂离子电池为能量型电池时，单一所述正极极片的厚度为200-700μm，面密度为50-100mg/cm2。
进一步的，所述锂离子电池为功率型电池时，单一所述正极极片的厚度为40-400μm，面密度为6-40mg/cm2。
进一步的，所述负极集流体为铜箔。
一种如所述的锂离子电池的的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将正极材料制成浆料充填到覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，形成正极极片，将负极材料和胶制成负极浆料，将其涂覆到负极集流体的表面，并通过辊压与加热，形成负极极片；
步骤2，用隔膜将得到正极极片与负极极片分隔，并分别焊接极耳，然后多片组装；
步骤3，将铝塑膜或金属壳冲压成型形成外壳，将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水、脱气及老化，然后注入电解液后封装，形成锂离子电池。
本发明提供的锂离子电池，采用覆碳三维泡沫铝集流体，将正极材料充填于其空隙中，降低正极材料与集流体的接触电阻，显著地提高电池的能量密度及功率密度。
附图说明
图1为本发明一实施方式中的锂离子电池的结构示意图。
图2为本发明一实施方式中的锂离子电池制备方法的流程示意图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，图1为本发明一实施方式中的锂离子电池100的结构示意图，所述锂离子电池100包括外壳10、设置于所述外壳10中的若干正极极片20与负极极片30、分别与所述正极极片20与负极极片30连接的极耳40、设置于所述正极极片20与负极极片30间的隔膜50及设置于所述外壳中的电解液60。
所述外壳10由铝塑膜或金属壳冲压成型，用于容纳所述正极极片20与负极极片30、隔膜50及电解液60。
所述正极极片20包括正极材料21与覆碳三维泡沫铝集流体22，所述正极材料21嵌入所述覆碳三维泡沫铝集流体22中，通过机械挤压使所述正极材料21与覆碳三维泡沫铝集流体22紧密接触。在一实施方式中，还可加入粘结剂，是二者接触更紧密。所述正极材料21包括锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基固溶体材料、聚阴离子材料、覆碳磷酸铁锰锂及覆碳磷酸铁锂中的一种或多种以及覆碳化合物，所述覆碳化合物为石墨烯、碳纳米管及导电炭黑中的一种或组合，所述聚阴离子材料包括正硅酸盐锂离子型、磷酸钛锂型、Li2MnSiO4及Li2FeSiO4等，所述正极材料的粒径为0.005-20μm。所述覆碳三维泡沫铝集流体22是以泡沫铝作为内核，碳层作为外壳的核壳结构，所述泡沫铝由铝丝骨架和三维连通孔形成，所述覆碳三维泡沫铝集流体22的孔隙率为80-99％。
所述负极极片30包括负极材料31与负极集流体32，所述负极材料31粘接于所述负极集流体32表面。在一实施方式中，所述负极材料31包括类石墨碳、中间相碳微球、硅碳材料、硅氧碳材料或钛酸锂材料中的一种或多种，所述负极材料31的粒径为0.005-20μm。在一实施方式中，所述负极集流体32为铜箔，在实施方式中，所述负极集流体还可以为镍材料制成。
在一实施方式中，所述极耳40包括铝极耳与铜极耳，所述铝极耳与所述正极极片20焊接，所述铜极耳与所述负极极片30焊接。
所述隔膜50设置于所述正极极片20与负极极片30之间，用于避免两者接触，导致短路。在一实施方式中，所述电解液60为六氟磷酸锂型电解液。
所述锂离子电池100包括能量型电池及功率型电池。所述锂离子电池100为能量型电池时，单一所述正极极片20的厚度为200-700μm，面密度为50-100mg/cm2；所述锂离子电池100为功率型电池时，单一正极极片20的厚度为40-400μm，面密度为6-40mg/cm2。可以理解的，所述锂离子电池100还包括兼顾能量与密度的电池。
请参阅图2，本发明还提供一种所述锂离子电池100的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S21，将正极材料制成浆料充填到覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，形成正极极片，将负极材料和胶制成负极浆料，将其涂覆到负极集流体的表面，并通过辊压与加热，形成负极极片；
步骤S22，用隔膜将得到正极极片与负极极片分隔，并分别焊接极耳，然后多片组装；
步骤S23，将铝塑膜或金属壳冲压成型形成外壳，将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水、脱气及老化，然后注入电解液后封装，形成锂离子电池。
所述步骤21中通过机械挤压使所述正极材料与覆碳三维泡沫铝紧密接触，如辊压，在一实施方式中，还可加入粘结剂，是二者接触更紧密。
下面将通过具体的实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
将粒径为2μm的正极材料锰酸锂按照常规方法制成正极浆料，并将其挤压充填到孔隙率为99％的覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，通过辊压，使其二者紧密接触，形成正极极片，正极极片厚度为40μm，面密度为40mg/cm2，将粒径为10μm的石墨按照常规方法制成负极浆料，通过辊压与粘结的方式，将其涂覆到铜箔集流体的表面，形成负极极片，将得到的正极极片和负极极片分别焊接铝极耳和铜极耳，用隔膜将正负极片分隔，多片组装；将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水，脱气与老化步骤，注入六氟磷酸锂型电解液后，封装，形成锂离子电池产品。
得到的锂离子电池产品与使用铝箔集流体的同重量电池相比，能量密度提高20％，功率密度提高3倍，器件寿命提高70％。
实施例2
将质量占比95％的覆碳的磷酸铁锂和5％的碳纳米管按照常规方法制成正极浆料，其中磷酸铁锂和碳纳米管的粒径为0.005-0.03μm，将制得的正极浆料挤压充填到孔隙率为80％的覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，通过辊压，使其二者紧密接触，形成正极极片，正极极片厚度为400μm，面密度为6mg/cm2，将粒径为10μm的中间相碳微球按照常规方法制成负极浆料，通过辊压与加胶的方式，将其涂覆到铜箔集流体的表面，形成负极极片，将得到的正极极片和负极极片分别焊接铝极耳和铜极耳，用隔膜将正负极片分隔，多片组装；将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水，脱气与老化步骤，注入六氟磷酸锂型电解液后，封装，形成锂离子电池产品。
得到的锂离子电池产品与使用铝箔集流体的同重量电池相比，能量密度提高20％，功率密度提高2倍，器件寿命提高55％。
实施例3
将粒径为8μm的石墨烯、导电炭黑及镍钴锰酸锂按照常规方法制成正极浆料，其中石墨烯质量占比0.1％，导电炭黑质量占比3％，将制得的正极浆料挤压充填到孔隙率为92％的覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，通过辊压，使其二者紧密接触，形成正极极片，正极极片厚度为500μm，面密度为50mg/cm2，将粒径为1μm的硅氧碳按照常规方法制成负极浆料，通过辊压与加胶的方式，将其涂覆到铜箔集流体的表面，形成负极极片，将得到的正极极片和负极极片分别焊接铝极耳和铜极耳，用隔膜将正负极片分隔，多片组装；将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水，脱气与老化步骤，注入六氟磷酸锂型电解液后，封装，形成锂离子电池产品。
得到的锂离子电池产品与使用铝箔集流体的同重量电池相比，能量密度提高30％，功率密度提高50％，器件寿命提高55％。
实施例4
将粒径为0.5μm的石墨烯、碳纳米管及镍钴铝酸锂按照常规方法制成正极浆料，其中石墨烯质量占比0.1％，碳纳米管质量占比0.3％，将制得的正极浆料挤压充填到孔隙率为80％的覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，通过辊压，使其二者紧密接触，形成正极极片，正极极片厚度为260μm，面密度为90mg/cm2，将粒径为2μm的硅碳按照常规方法制成负极浆料，通过辊压与加胶的方式，将其涂覆到铜箔集流体的表面，形成负极极片，将得到的正极极片和负极极片分别焊接铝极耳和铜极耳，用隔膜将正负极片分隔，多片组装；将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水，脱气与老化步骤，注入六氟磷酸锂型电解液后，封装，形成锂离子电池产品。
得到的锂离子电池产品与使用铝箔集流体的同重量电池相比，能量密度提高30％，功率密度提高30％，器件寿命提高25％。
实施例5
将质量占比96％的富锂锰基固溶体，1％的石墨烯及3％的碳纳米管按照常规方法制成正极浆料，其中三种材料的粒径为0.005-5μm，将制得的正极浆料挤压充填到孔隙率为90％的覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，通过辊压，使其二者紧密接触，形成正极极片，正极极片厚度为400μm，面密度为80mg/cm2，将粒径为10μm的硅碳按照常规方法制成负极浆料，通过辊压与加胶的方式，将其涂覆到铜箔集流体的表面，形成负极极片，将得到的正极极片和负极极片分别焊接铝极耳和铜极耳，用隔膜将正负极片分隔，多片组装；将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水，脱气与老化步骤，注入六氟磷酸锂型电解液后，封装，形成锂离子电池产品。
得到的锂离子电池产品与使用铝箔集流体的同重量电池相比，能量密度提高20％，功率密度提高50％，器件寿命提高100％。
实施例6
将粒径为20μm的磷酸钛锂型聚阴离子材料按照常规方法制成正极浆料，并将其挤压充填到孔隙率为93.5％的覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，通过辊压，使其二者紧密接触，形成正极极片，正极极片厚度为300μm，面密度为30mg/cm2，将粒径为10μm的钛酸锂材料按照常规方法制成负极浆料，通过辊压与粘结的方式，将其涂覆到铜箔集流体的表面，形成负极极片，将得到的正极极片和负极极片分别焊接铝极耳和铜极耳，用隔膜将正负极片分隔，多片组装；将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水，脱气与老化步骤，注入六氟磷酸锂型电解液后，封装，形成锂离子电池产品。
得到的锂离子电池产品与使用铝箔集流体的同重量电池相比，能量密度提高15％，功率密度提高2倍，器件寿命提高100％。
实施例7
将粒径为5μm的镍锰酸锂材料按照常规方法制成正极浆料，并将其挤压充填到孔隙率为92％的覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，通过辊压，使其二者紧密接触，形成正极极片，正极极片厚度为200μm，面密度为100mg/cm2，将粒径为5-10μm的中间相碳微球按照常规方法制成负极浆料，通过辊压与粘结的方式，将其涂覆到铜箔集流体的表面，形成负极极片，将得到的正极极片和负极极片分别焊接铝极耳和铜极耳，用隔膜将正负极片分隔，多片组装；将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水，脱气与老化步骤，注入六氟磷酸锂型电解液后，封装，形成锂离子电池产品。
得到的锂离子电池产品与使用铝箔集流体的同重量电池相比，能量密度提高10％，功率密度提高30％，器件寿命提高90％。
实施例8
将质量占比90％的覆碳的磷酸铁锰锂和10％的碳纳米管按照常规方法制成正极浆料，其中磷酸铁锂和碳纳米管的粒径为0.5-3μm，将制得的正极浆料挤压充填到孔隙率为95％的覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，通过辊压，使其二者紧密接触，形成正极极片，正极极片厚度为700μm，面密度为50mg/cm2，将粒径为8-10μm的石墨按照常规方法制成负极浆料，通过辊压与加胶的方式，将其涂覆到铜箔集流体的表面，形成负极极片，将得到的正极极片和负极极片分别焊接铝极耳和铜极耳，用隔膜将正负极片分隔，多片组装；将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水，脱气与老化步骤，注入六氟磷酸锂型电解液后，封装，形成锂离子电池产品。
得到的锂离子电池产品与使用铝箔集流体的同重量电池相比，能量密度提高25％，功率密度提高1倍，器件寿命提高50％。
实施例9
将粒径为0.1-6μm的聚阴离子材料Li2MnSiO4和碳纳米管按照常规方法制成正极浆料，并将其挤压充填到孔隙率为98％的覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，通过辊压，使其二者紧密接触，形成正极极片，正极极片厚度为100μm，面密度为30mg/cm2，将粒径为1-5μm的硅氧碳材料按照常规方法制成负极浆料，通过辊压与粘结的方式，将其涂覆到铜箔集流体的表面，形成负极极片，将得到的正极极片和负极极片分别焊接铝极耳和铜极耳，用隔膜将正负极片分隔，多片组装；将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水，脱气与老化步骤，注入六氟磷酸锂型电解液后，封装，形成锂离子电池产品。
得到的锂离子电池产品与使用铝箔集流体的同重量电池相比，能量密度提高25％，功率密度提高3倍，器件寿命提高100％。
实施例10
将粒径为7μm的聚阴离子材料Li2FeSiO4按照常规方法制成正极浆料，并将其挤压充填到孔隙率为95％的覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，通过辊压，使其二者紧密接触，形成正极极片，正极极片厚度为350μm，面密度为50mg/cm2，将粒径为10μm的钛酸锂材料按照常规方法制成负极浆料，通过辊压与粘结的方式，将其涂覆到铜箔集流体的表面，形成负极极片，将得到的正极极片和负极极片分别焊接铝极耳和铜极耳，用隔膜将正负极片分隔，多片组装；将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水，脱气与老化步骤，注入六氟磷酸锂型电解液后，封装，形成锂离子电池产品。
得到的锂离子电池产品与使用铝箔集流体的同重量电池相比，能量密度提高15％，功率密度提高2倍，器件寿命提高100％。
本发明采用覆碳三维泡沫铝集流体，将正极材料充填于其空隙中，通过辊压，降低正极材料与集流体的接触电阻，电极材料的装填密实程度高，使用不同粒径的正极材料与碳材料时，可有效充实覆碳三维泡沫铝的缝隙，显著地提高电池的能量密度及功率密度，覆碳三维泡沫铝集流体提供了三维导电与导热方式，在快速充放电时，使得电池内部温度更加均匀，避免了电解液的分解，与负极侧生成锂枝晶，提高了电池的使用寿命。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，包括外壳、设置于所述外壳中的若干正极极片与负极极片、分别与所述正极极片与负极极片连接的极耳、设置于所述正极极片与负极极片间的隔膜及设置于所述外壳中的电解液，其特征在于：所述正极极片包括正极材料与覆碳三维泡沫铝集流体，所述正极材料嵌于所述覆碳三维泡沫铝集流体的结构空隙中，所述负极极片包括负极材料与负极集流体，所述负极材料粘接于所述负极集流体表面。
2.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述覆碳三维泡沫铝集流体的孔隙率为80-99％。
3.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极材料包括锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基固溶体材料、聚阴离子材料、覆碳磷酸铁锰锂及覆碳磷酸铁锂中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述负极材料包括类石墨碳、中间相碳微球、硅碳材料、硅氧碳材料或钛酸锂材料中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极材料与负极材料的粒径为0.005-20μm。
6.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池包括能量型电池及功率型电池。
7.如权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池为能量型电池时，单一所述正极极片的厚度为200-700μm，面密度为50-100mg/cm2。
8.如权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池为功率型电池时，单一所述正极极片的厚度为40-400μm，面密度为6-40mg/cm2。
9.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述负极集流体为铜箔。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的锂离子电池的的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将正极材料制成浆料充填到覆碳三维泡沫铝集流体的空隙中，形成正极极片，将负极材料和胶制成负极浆料，将其涂覆到负极集流体的表面，并通过辊压与加热，形成负极极片；
步骤2，用隔膜将得到正极极片与负极极片分隔，并分别焊接极耳，然后多片组装；
步骤3，将铝塑膜或金属壳冲压成型形成外壳，将组装好的极片封装于外壳中，经过脱水、脱气及老化，然后注入电解液后封装，形成锂离子电池。
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