CN110400904A - 一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片及锂电池 - Google Patents

一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片及锂电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，包括陶瓷层和导体物质，所述导体物质设置于内层，所述陶瓷层设置于所述导体物质表面。陶瓷涂层锂电池正负极片热收缩较低，耐热性好，力学性能和机械性均有很大提升，生产成本低，安全性好。

Description

一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片及锂电池
技术领域
本发明属锂离子电子生产设备领域，特别涉及一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片及锂电池。
背景技术
锂离子电池是近几年发展起来的一种新型储能电池，并以其循环寿命好、环境友好、价格合适等优点而受到市场的青睐，并广泛应用于通讯电子、电动汽车等领域。而安全性能又是影响其能否广泛应用推广的关键所在，为了提高电动汽车的续航里程，满足社会的切实需求，开发设计高能量密度的锂离子电池已成锂电行业的必然趋势。然而高能量的锂离子电池在滥用状态时(针刺、挤压、短路、过充等)，容易出现爆炸或起火等安全事故，因此锂离子电池的安全性设计将面临着更大的挑战，锂电池的制备越来越受到重视，而锂电池的极片的设置以及浆料涂布技术和设备是锂离子电池研制和生产的关键之一，如何提高锂离子电池的安全性是锂离子电池行业亟待解决的技术难题。引起锂离子电池安全隐患的主要问题是电池内部发生不可逆的电化学副反应，最终导致电池产生热失控。因此，在电池内部发生热失控之前，实现电池内部的自我保护，是实现电池安全性的重要保障，目前国内主要通过涂覆隔离层避免活性物质与电解液的接触机率，提高其安全性能，但是其存在稳定性差、一致性难以控制及其成本高。已有技术中为了提高锂电池的比能量，通常采用复合涂层电极，但是一般复合涂层材料电极还存在黏附力小，在长期大倍率放电条件下电池容量衰减比较明显，电池倍率小，电极容易极化等问题，影响锂电池的循环寿命，并限制其广泛应用。在电池极片方面主要利用提高极片的耐高温物理性能，比如在极片表面涂覆三氧化二铝，但单纯的物理性能并不能阻止电池温度的进一步升高，无法高效地保障电池的安全性。为了为满足市场对锂离子电池低成本、一致性好的要求，需要发明一种不增加成本的条件下，能够提高锂离子电池的安全性能，能量密度及电化学性能的锂电池极片，显得非常必要。
发明内容
本发明提供了一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片及锂电池，以解决上述背景技术中出现的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，包括陶瓷层和导体物质，所述导体物质设置于内层，所述陶瓷层设置于所述导体物质表面。陶瓷涂层锂电池正负极片热收缩较低，耐热性好，力学性能和机械性均有很大提升，生产成本低，安全性好。
进一步，所述陶瓷层原料包括陶瓷粉、粘结剂、溶剂，所述溶剂为有机溶剂和/或水溶剂。使得陶瓷涂层涂覆方便，更加牢固，不易脱落和损耗，生产简便，成本低，易干燥，陶瓷层致密。。
进一步，所述陶瓷粉粒径为350-550nm，所述形貌为不规则形状。陶瓷涂层空隙率较大，锂电池倍率好。
进一步，所述陶瓷层内设置有导体腔，所述陶瓷层端部设置有装配口，所述导体腔内充满导体物质，所述装配口匹配设置有极片头，所述极片头插入所述装配口，所述极片头与所述导体物质连通，所述极片头对所述装配口形成密封。极片与涂层接触性好且不易脱落，无需粘结剂进行沾结，导电性好，有效降低电池内阻，为锂离子电池向高能量密度方向的发展提供有力的基础。
进一步，所述导体物质为固体和/或液体导体。极片与涂层接触性好且不易脱落，无需粘结剂进行沾结，导电性好，有效降低电池内阻，为锂离子电池向高能量密度方向的发展提供有力的基础。
进一步，所述陶瓷层外设置有固体电解质层。固体电解质层为电解质层，使得锂电池兼具固体电解质和液体电解质的优良性能，所述极片头由金属制成，导电性好，有利于提高锂电池的电学性能，提高锂离子和电子的传输速率，提高能量密度。
进一步，所述固体电解质层与所述陶瓷层之间设置有粘合层，所述固体电解质层的外面设有表涂层。表涂层防止固体电解质层与电解质层相互反应或产生影响，在活性物质表面涂覆一层表涂层，可以将锂离子电池在过充过放过程中产生的局部热量及时排向其它方向，优化极片的热量分布，提高其电池的倍率性能。
进一步，所述陶瓷层内表面和/或外表面设置有釉质层。保护集流体降低电解液对其表面的腐蚀，提高锂离子电池的循环寿命，同时又可以增大活性物质与底涂层之间的粘附力，提高其倍率性能。
进一步，所述陶瓷涂层中包含锂盐，所述锂盐含量低于30％。在不降低极片性能的情况下，提高陶瓷涂层的导锂效果。
一种锂电池，装配有任一项所述的正极片和/或负极片，所述陶瓷涂层作为电池隔膜使用，所述复合陶瓷涂层锂电池正负极片之间设置电解质。制备出的电池耐热性和机械性能较好，倍率高，循环性能好，生产成本低，安全性好，极片与涂层接触性好且不易脱落，无需粘结剂进行沾结，导电性好，有效降低电池内阻，为锂离子电池向高能量密度方向的发展提供有力的基础。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)解决了锂电池极片耐热性差，易损耗，涂层易脱落的问题。陶瓷涂层锂电池正负极片热收缩较低，耐热性好，力学性能和机械性均有很大提升，生产成本低，安全性好。
(2)极片导电性好，有效降低电池内阻，为锂离子电池向高能量密度方向的发展提供有力的基础，
(3)极片与涂层接触性好且不易脱落，无需粘结剂进行沾结。
(4)锂离子和电子的传输速率高，制备的电池倍率高，循环性能好。
(5)制备的电池无需使用隔膜，在陶瓷涂层极片之间直接装填电解质，大大提高了锂电池能量密度。
(6)相比已有技术，本发明锂电池能量密度能够提高15％以上。
附图说明
图1为本发明截面示意图，
图2为本发明俯视示意图，
图3为本发明装配示意图，
图4为本发明实施例3截面示意图，
图5为本发明实施例4截面示意图，
图6为本发明实施例5极片头俯视示意图。
图中：1-陶瓷层，2-极片头，11-导体腔，12-装配口，3-固体电解质层，4-粘合层，5-表涂层，6-釉质层。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的及优点更加清晰易懂，现结合实施例对本发明做进一步解释说明，应当指出的是，在此列出的所有实施例仅仅是说明性的，并不意味着对本发明范围进行限定。
实施例1
本实施例首先在锂电池正负极片上涂覆氧化铝陶瓷涂层，使用两种不同形状及粒径的陶瓷颗粒粉及粘结剂和有机溶剂混合，搅拌均匀，制成陶瓷浆料，两种陶瓷颗粒粉粒径分别为350nm和550nm左右，涂覆完成后放入烘烤箱烘干，制成陶瓷涂层极片，之后将正负极片组装成锂电池，在正陶瓷涂层极片和负陶瓷涂层极片之间注入液体电解质，无需使用电池隔膜，组装成无隔膜锂电池。由于取消了隔膜的使用，本实施例锂电池能量密度大大增加。进行耐热性测试后发现，在400摄氏度条件下，本实施例极片完好无损，装配锂电池后进行500次充放电循环测试，涂层无脱落和被消耗现象。
实施例2
本实施例结合实施例1，在实施例1的基础上陶瓷层外设置有固体电解质层3，固体电解质层3由质量百分比含量磷酸铁锂45％、粘结剂15％、炭纳米纤维导电剂40％组成，固体电解质层3与陶瓷层之间设置有粘合层4，粘合层为锂电池常用高分子有机粘合剂，固体电解质层3的外面设有表涂层5，表涂层5由陶瓷组成，陶瓷层1中添加3％LiBF4。固体电解质层3为电解质层，使得锂电池兼具固体电解质和液体电解质的优良性能，表涂层防止固体电解质层3与电解质层相互反应或产生影响，在活性物质表面涂覆一层表涂层，可以将锂离子电池在过充过放过程中产生的局部热量及时排向其它方向，优化极片的热量分布，提高其电池的倍率性能，釉质层保护集流体，降低电解液对其表面的腐蚀，提高锂离子电池的循环寿命，同时又可以增大活性物质与底涂层之间的粘附力，提高其倍率性能，陶瓷层1中添加锂盐可以在不降低极片性能的情况下，提高陶瓷涂层的导锂效果。
实施例3
本实施例结合图1-图3一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，包括陶瓷层1和极片头2，陶瓷层1内设置有导体腔11，陶瓷层1端部设置有装配口12，导体腔11内充满金属锂，极片头2插入装配口12，极片头2与填充的金属锂形成极片的集流层，极片头2对装配口12形成密封，极片头2由铜片制成。进行耐热性测试后发现，在400摄氏度条件下，本实施例极片完好无损，装配锂电池后进行500次充放电循环测试，涂层无脱落和被消耗现象，电阻率为普通有机胶粘涂层的三分之一。
首先使用静电纺丝法制备聚乙烯无纺布作为极片模板，在制成的极片模板上使用涂布机涂覆陶瓷涂层，涂覆陶瓷涂层后烘干并焙烧，使得陶瓷层凝结，将凝结后的陶瓷层开一个装配口12，高温煅烧使极片模板完全燃烧气化，在陶瓷层注入热熔状态的单质锂，之后在装配口插入铜片极片头2，使得装配口密封，陶瓷涂层极片制备完成。
极片与涂层接触性好且不易脱落，无需粘结剂进行沾结，导电性好，有效降低电池内阻，为锂离子电池向高能量密度方向的发展提供有力的基础，陶瓷涂层锂电池正负极片热收缩较低，耐热性好，力学性能和机械性均有很大提升，大大延长了锂电池极片的使用寿命，生产成本低，安全性好。
实施例4
本实施例结合实施例3，在实施例3的基础上，陶瓷层外设置有固体电解质层3，固体电解质层3由磷酸铁锂45％、粘结剂15％、炭纳米纤维导电剂40％组成。可以提高锂离子和电子的传输速率，提高提高锂电池的电学性能。
实施例5
本实施例结合实施例4及图4，在实施例2的基础上，固体电解质层3与陶瓷层之间设置有粘合层4，锂电池常用高分子有机粘合剂，固体电解质层3的外面设有表涂层5，表涂层5由陶瓷组成。使得固体电解质层3不易脱落，在高提高锂电池的电学性能的基础上提高极片的使用寿命和耐热性。
实施例6
本实施例结合实施例4及图5，在实施例2的基础上7、陶瓷层1内表面和外表面设置有釉质层6。保护集流体降低电解液对其表面的腐蚀，提高锂离子电池的循环寿命，同时又可以增大活性物质与陶瓷层之间的粘附力，提高其倍率性能。
实施例7
本实施例结合实施例4及图6，在实施例2的基础上，陶瓷层1包含3％的LiBF4。提高陶瓷层的导锂性能，降低内电阻，增加电学性能。
实施例8
本实施例结合实施例3，在实施例3的基础上，若陶瓷层内注入的导电材料锂在使用过程中有所损耗，则进一步在氮气气氛条件下取下极片头，从装配口注入热熔状态的单质锂，注入完成后超声一段时间，超声过程中进行抽真空操作，之后继续注入，重复操作，直至注满，之后在装配口插入铜片极片头，使得装配口密封，极片头和陶瓷涂层之间进行胶封处理，使之处于完全密封状态。此方式可以对极片进行补充和修复工作，进一步延长锂电池使用寿命。
实施例9
本实施例结合图1-图6一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，包括陶瓷层1和极片头2，陶瓷层1内包含5％LiTFSi，提高陶瓷层的电学性能，降低内电阻，增加安全性和使用寿命，陶瓷层1内设置有导体腔11，陶瓷层1端部设置有装配口12，导体腔11内充满金属锂，极片头2插入装配口12，极片头2与填充的金属锂形成极片的集流层，极片头2对装配口12形成密封，极片头2由铜片制成，陶瓷层1内表面和外表面设置有硅酸锆釉质层6，陶瓷层外釉质层6表面设置有固体电解质层3，固体电解质层3由磷酸铁锂45％、粘结剂15％、炭纳米纤维导电剂40％组成，固体电解质层3与陶瓷层之间设置有粘合层4，使用锂电池常用高分子有机粘合剂，固体电解质层3的外面设有表涂层5，表涂层5由陶瓷组成。使得固体电解质层3不易脱落，在高提高锂电池的电学性能的基础上提高极片的使用寿命和耐热性，可以提高锂离子和电子的传输速率，提高提高锂电池的电学性能，保护集流体降低电解液对其表面的腐蚀，提高锂离子电池的循环寿命，同时又可以增大活性物质与陶瓷层之间的粘附力，提高其倍率性能。进行耐热性测试后发现，在400摄氏度条件下，本实施例极片完好无损，装配锂电池后进行500次充放电循环测试，涂层无脱落和被消耗现象，电阻率为普通有机胶粘涂层的三分之一，极片与涂层接触性好且不易脱落，无需粘结剂进行沾结，导电性好，有效降低电池内阻，为锂离子电池向高能量密度方向的发展提供有力的基础，陶瓷涂层锂电池正负极片热收缩较低，耐热性好，力学性能和机械性均有很大提升，大大延长了锂电池极片的使用寿命，生产成本低，安全性好。相比于普通有机涂层极片和磷酸铁锂涂层极片，有机涂层极片和磷酸铁锂涂层极片在150摄氏度条件下就会发生损坏，且涂层容易脱落，本实施例有很大的优越性，生产成本低，有利于大规模生产。
实施例10
本实施例结合图1-图3一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，包括陶瓷层1和极片头2，陶瓷层1内设置有导体腔11，陶瓷层1端部设置有装配口12，导体腔11内充满离子液体和锂盐的混合物，极片头2插入装配口12，极片头2与填充的导体形成极片的集流层，极片头2对装配口12形成密封，极片头2由铝制成。进行耐热性测试后发现，在400摄氏度条件下，本实施例极片完好无损，装配锂电池后进行500次充放电循环测试，涂层无脱落和被消耗现象，电阻率为普通有机胶粘涂层的三分之一。
本实施例制备出液态集流电极片，节约了金属单质锂的消耗，节约成本，安全性更好。
实施例11
本实施例结合图1-图3一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，包括陶瓷层1和极片头2，陶瓷层1内设置有导体腔11，陶瓷层1端部设置有装配口12，导体腔11内充热熔状态的铜单质，极片头2插入装配口12，极片头2与填充的导体形成极片的集流层，极片头2对装配口12形成密封，极片头2由铝制成，冷却后极片头2和充入的热熔状态的铜单质形成一个整体。由于是液态充装，导体和陶瓷层接触非常紧密，电学性能好，内电阻小，进行耐热性测试后发现，在400摄氏度条件下，本实施例极片完好无损，装配锂电池后进行500次充放电循环测试，涂层无脱落和被消耗现象，电阻率为普通有机胶粘涂层的三分之一，极片与涂层接触性好且不易脱落，无需粘结剂进行沾结，导电性好，有效降低电池内阻，为锂离子电池向高能量密度方向的发展提供有力的基础，陶瓷涂层锂电池正负极片热收缩较低，耐热性好，力学性能和机械性均有很大提升，大大延长了锂电池极片的使用寿命，生产成本低，安全性好。
上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，其特征在于：包括陶瓷层(1)和导体物质，所述导体物质设置于内层，所述陶瓷层(1)设置于所述导体物质表面。
2.根据权利要求1所述的一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，其特征在于：所述陶瓷层(1)原料包括陶瓷粉、粘结剂、溶剂，所述溶剂为有机溶剂和/或水溶剂。
3.根据权利要求2所述的一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，其特征在于：陶瓷粉粒径为350-550nm，所述形貌为不规则形状。
4.根据权利要求3所述的一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，其特征在于：所述陶瓷层(1)内设置有导体腔(11)，所述陶瓷层(1)端部设置有装配口(12)，所述导体腔(11)内充满导体物质，所述装配口(12)匹配设置有极片头(2)，所述极片头(2)插入所述装配口(12)，所述极片头(2)与所述导体物质连通，所述极片头(2)对所述装配口(12)形成密封。
5.根据权利要求4所述的一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，其特征在于：所述导体物质为固体和/或液体导体。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，其特征在于：所述陶瓷层(1)外设置有固体电解质层(3)。
7.根据权利要求6所述的一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，其特征在于：所述固体电解质层(3)与所述陶瓷层之间设置有粘合层(4)，所述固体电解质层(3)的外面设有表涂层(5)。
8.根据权利要求7所述的一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，其特征在于：所述陶瓷层(1)内表面和/或外表面设置有釉质层(6)。
9.根据权利要求6或7所述的一种复合陶瓷涂层锂电池正负极片，其特征在于：所述陶瓷涂层中包含锂盐，所述锂盐质量百分含量低于30％。
10.一种锂电池，其特征在于：装配有权利要求1-9任一项所述的正极片和/或负极片，所述陶瓷涂层作为电池隔膜使用，所述复合陶瓷涂层锂电池正负极片之间设置电解质。
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Denomination of invention: The utility model relates to a positive and negative electrode sheet of a composite ceramic coated lithium battery and a lithium battery

Effective date of registration: 20211116

Granted publication date: 20210928

Pledgee: Yongfeng sub branch of Jiujiang Bank Co.,Ltd.

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