CN110492059A - 设有高散热极片的锂离子电池制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池制备领域，公开了一种设有高散热极片的锂离子电池制备方法，通过激光机构在极片的敷料区表面刻蚀叶脉结构流路，然后在隔膜和和负极片上涂覆导热浆料，最后将负极片、正极片与隔膜通过卷绕制得锂电芯，进一步装配、烘烤、注液、陈化、化成制备成锂离子电池。本发明设有高散热极片的锂离子电池制备方法，制成的锂离子电池能够有效将内层极片产生的热通过热传导传递出，使热量聚集速度减缓，加强了锂离子电池的散热。

Description

设有高散热极片的锂离子电池制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备领域，具体涉及一种设有高散热极片的锂离子电池制备方法。
背景技术
锂离子电池目前广泛应用于储能设备、移动电源以及汽车领域。但是现在的锂离子电池存在以下三个问题：
1、由于锂离子电池在充放电过程中会产生大量的热，尤其在高倍率放电下的产热量最大，热量的聚集导致电池温度急骤升高，如果不能及时的将热量散开，会导致电池的充放电性能、寿命和安全性能降低；
2、锂离子电池的空间利用率较高，结构较紧凑，产生的热量不易散发出去，目前主要的散热方式有自然散热、强制风冷、液冷和相变材料冷却，但是风冷和液冷对锂离子电池降温效果不显著，且能耗较高，成本较大；
3、目前一些研究中通过提高负极SEI膜的稳定性以及通过材料优化控制正负极材料的反应温度范围等方式缓解电池温度上升，但是实际生产过程中可操作性低，且散热效果不明显。
中国发明专利申请(公开日：2018年09月07日、公开号：CN108511842A)公开了一种增强锂离子电池散热性能的方法，其将快速干燥石墨烯导热浆料涂敷在电池外壳上，用来增强锂离子电池散热性能。改变外壳材料的导热系数能够一定程度影响电池的散热，但是内外温差的差异较小，散热效果不显著。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种设有高散热极片的锂离子电池制备方法，制成的锂离子电池能够有效将内层极片产生的热通过热传导传递出，使热量聚集速度减缓，加强了锂离子电池的散热。
为实现上述目的，本发明所设计的设有高散热极片的锂离子电池制备方法，包括如下步骤：
A)使用双面挤压涂布机构将硅碳负极浆料涂覆在铜箔上，形成均匀涂层，制得负极片；
B)在烘烤所述步骤A)中取得的负极片的过程中，通过激光机构在所述负极片的敷料区表面刻蚀叶脉结构流路；
C)取石墨、石墨烯、碳化硅、氮化硅、粘结剂与水混合，超声搅拌后制得导热浆料，在所述步骤B)中的负极片刻蚀完成后，通过凹版印刷将所述导热浆料涂覆所述负极片上，形成所述负极片上的纳米导热层，并通过凹版印刷将所述导热浆料涂覆在隔膜上；
D)使用双面挤压涂布机构将高镍三元正极浆料涂覆在铝箔上，形成均匀涂层，制得正极片；
E)在烘烤所述步骤D)中取得的正极片的过程中，通过激光机构在所述正极片的敷料区表面刻蚀与所述步骤B)中一致的叶脉结构流路；
F)将所述步骤C)制得的负极片和所述步骤E)制得的正极片与所述步骤C)制得的隔膜通过卷绕制得锂电芯；
G)将所述步骤F)制得的锂电芯通过装配、烘烤、注液、陈化、化成制备成锂离子电池。
优选地，所述步骤B)中，所述叶脉结构流路包括若干个沿所述负极片水平轴对称布置的路径单元，每个所述路径单元包括内端点重合的第一路径、第二路径和第三路径，所述第一路径的外端点位于所述负极片的水平中轴线上，所述第二路径与所述第一路径沿水平方向轴对称，所述第二路径和第三路径的外端点均相对于所述内端点远离所述负极片的水平中轴线，且每个所述路径单元的第三路径的外端点与下一个所述路径单元的第二路径的外端点连接。
优选地，所述第一路径与所述负极片水平方向的夹角为45°～60°，所述第一路径的长度为所述负极片敷料区宽度的60～75％，所述第一路径的深度为所述负极片厚度的30～90％，所述第二路径的长度为所述负极片敷料区宽度的20～40％，所述第二路径的深度为所述负极片厚度的30～90％，所述第三路径与所述负极片水平方向的夹角为25°～45°，所述第三路径的长度为所述负极片敷料区宽度的50～70％，所述第三路径的深度为所述负极片厚度的30～90％。
优选地，所述步骤C)中的导热浆料中，石墨的重量比为5～25％，石墨烯的重量比为5～25％，碳化硅的重量比为5～15％，氮化硅的重量比为5～15％，粘结剂的重量比为2～5％。
优选地，所述导热浆料的固含量为32～75％，粘度为2000～5000CP。
优选地，所述粘结剂为聚酰亚胺、聚乙烯醇或羧甲基纤维素钠中的至少一种。
优选地，所述步骤C)中纳米导热层的厚度为100～500nm，网纹形状为椭圆形或菱形。
优选地，所述步骤A)中硅碳负极浆料的重量比为5～10％。
优选地，所述步骤B)中所述激光机构的功率为100～1000W。
优选地，所述步骤F)中，所述锂电芯为双侧出极耳结构，即正极极耳和负极极耳在不同侧，其对称性分布的结构使得锂离子电池散热效果显著。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、通过在极片表面构筑叶脉结构流路，其特殊的微流路结构具有高效的传热效果，与活性材料层(即硅碳负极浆料和高镍三元正极浆料)形成双层结构，有利于内层极片将产生的热通过热传导传递出，使热量聚集速度减缓，加强了锂离子电池的散热，并有助于提高化学扩散系数以及锂离子扩散动力学；
2、采用激光机构对极片进行刻蚀，操作简单，安全性高，速度快，加工精度高，加工路径灵活；
3、通过在负极片上涂覆石墨、石墨烯、碳化硅、氮化硅混合的导热浆料，在由碳化硅、氮化硅增强石墨的导热性的同时，形成的纳米导热层与活性材料层、叶脉结构流路形成三层结构，通过导热浆料的高导热性，进一步使极片与极片间热传导速度加快，同时碳化硅、氮化硅的耐高温性提高了锂离子电池的安全性；
4、通过在隔膜上涂覆导热浆料形成纳米导热层，由于卷绕后电芯的结构为正极片～隔膜～负极片～隔膜，隔膜上的纳米导热层能进一步地加强热量的传导；
5、通过采用双侧出极耳结构，正、负极耳双侧分布，其对称性分布的结构使得锂离子电池散热效果显著。
附图说明
图1为本发明设有高散热极片的锂离子电池制备方法中负极片上叶脉结构流路的结构示意图；
图2为每个路径单元的结构示意图；
图3为极片涂覆有纳米导热层的结构示意图；
图4为实施例1制备的锂离子电池在15C放电温升曲线图；
图5为实施例2制备的锂离子电池在15C放电温升曲线图；
图6为实施例3制备的锂离子电池在15C放电温升曲线图；
图7为对比例1制备的锂离子电池在15C放电温升曲线图；
图8为对比例2制备的锂离子电池在15C放电温升曲线图。
图中各部件标号如下：
负极片1、路径单元2、第一路径3、第二路径4、第三路径5、均匀涂层6、叶脉结构流路7、纳米导热层8。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
A)使用双面挤压涂布机构将硅碳负极浆料涂覆在铜箔上，硅碳负极浆料的重量比为5％，形成均匀涂层6，制得负极片1；
B)在烘烤步骤A)中取得的负极片1的过程中，如图1及图2所示，通过激光机构在负极片1的敷料区表面刻蚀叶脉结构流路7，激光机构的功率为100W，其中，叶脉结构流路7包括若干个沿负极片1水平轴对称布置的路径单元2，每个路径单元2包括内端点重合的第一路径3、第二路径4和第三路径5，第一路径3的外端点位于负极片1的水平中轴线上，第二路径4与第一路径3沿水平方向轴对称，第二路径4和第三路径5的外端点均相对于内端点远离负极片1的水平中轴线，且每个路径单元2的第三路径5的外端点与下一个路径单元2的第二路径4的外端点连接。
第一路径3与负极片1水平方向的夹角为45°，第一路径3的长度为负极片1敷料区宽度的60％，第一路径3的深度为负极片1厚度的30％，第二路径4的长度为负极片1敷料区宽度的20％，第二路径4的深度为负极片1厚度的30％，第三路径5与负极片1水平方向的夹角为25°，第三路径5的长度为负极片1敷料区宽度的50％，第三路径5的深度为负极片1厚度的30％；
C)取石墨、石墨烯、碳化硅、氮化硅、粘结剂与水混合，超声搅拌后制得导热浆料，其中，粘结剂为聚酰亚胺，石墨的重量比为5％，石墨烯的重量比为5％，碳化硅的重量比为15％，氮化硅的重量比为5％，粘结剂的重量比为2％，导热浆料的固含量为32％，粘度为2000CP，在步骤B)中的负极片1刻蚀完成后，通过凹版印刷将导热浆料涂覆负极片1上，如图3所示，形成负极片1上的纳米导热层8，纳米导热层8的厚度为100nm，网纹形状为椭圆形，并通过凹版印刷将导热浆料涂覆在隔膜上；
D)使用双面挤压涂布机构将高镍三元正极浆料涂覆在铝箔上，形成均匀涂层6，制得正极片；
E)在烘烤步骤D)中取得的正极片的过程中，通过激光机构在正极片的敷料区表面刻蚀与步骤B)中一致的叶脉结构流路7；
F)将步骤C)制得的负极片1和步骤E)制得的正极片与步骤C)制得的隔膜通过卷绕制得锂电芯，且锂电芯为双侧出极耳结构；
G)将步骤F)制得的锂电芯通过装配、烘烤、注液、陈化、化成制备成锂离子电池。
实施例2
A)使用双面挤压涂布机构将硅碳负极浆料涂覆在铜箔上，硅碳负极浆料的重量比为10％，形成均匀涂层，制得负极片；
B)在烘烤步骤A)中取得的负极片的过程中，通过激光机构在负极片的敷料区表面刻蚀叶脉结构流路，激光机构的功率为1000W，其中，叶脉结构流路包括若干个沿负极片水平轴对称布置的路径单元，每个路径单元包括内端点重合的第一路径、第二路径和第三路径，第一路径的外端点位于负极片的水平中轴线上，第二路径与第一路径沿水平方向轴对称，第二路径和第三路径的外端点均相对于内端点远离负极片的水平中轴线，且每个路径单元的第三路径的外端点与下一个路径单元的第二路径的外端点连接。
第一路径与负极片水平方向的夹角为60°，第一路径的长度为负极片敷料区宽度的75％，第一路径的深度为负极片厚度的90％，第二路径的长度为负极片敷料区宽度的40％，第二路径的深度为负极片厚度的90％，第三路径与负极片水平方向的夹角为45°，第三路径的长度为负极片敷料区宽度的70％，第三路径的深度为负极片厚度的90％；
C)取石墨、石墨烯、碳化硅、氮化硅、粘结剂与水混合，超声搅拌后制得导热浆料，其中，粘结剂为聚乙烯醇，石墨的重量比为20％，石墨烯的重量比为15％，碳化硅的重量比为10％，氮化硅的重量比为10％，粘结剂的重量比为3％，导热浆料的固含量为58％，粘度为3500CP，在步骤B)中的负极片刻蚀完成后，通过凹版印刷将导热浆料涂覆负极片上，形成负极片上的纳米导热层，纳米导热层的厚度为300nm，网纹形状为菱形，并通过凹版印刷将导热浆料涂覆在隔膜上；
D)使用双面挤压涂布机构将高镍三元正极浆料涂覆在铝箔上，形成均匀涂层，制得正极片；
E)在烘烤步骤D)中取得的正极片的过程中，通过激光机构在正极片的敷料区表面刻蚀与步骤B)中一致的叶脉结构流路；
F)将步骤C)制得的负极片和步骤E)制得的正极片与步骤C)制得的隔膜通过卷绕制得锂电芯，且锂电芯为双侧出极耳结构；
G)将步骤F)制得的锂电芯通过装配、烘烤、注液、陈化、化成制备成锂离子电池。
实施例3
A)使用双面挤压涂布机构将硅碳负极浆料涂覆在铜箔上，硅碳负极浆料的重量比为8％，形成均匀涂层，制得负极片；
B)在烘烤步骤A)中取得的负极片的过程中，通过激光机构在负极片的敷料区表面刻蚀叶脉结构流路，激光机构的功率为500W，其中，叶脉结构流路包括若干个沿负极片水平轴对称布置的路径单元，每个路径单元包括内端点重合的第一路径、第二路径和第三路径，第一路径的外端点位于负极片的水平中轴线上，第二路径与第一路径沿水平方向轴对称，第二路径和第三路径的外端点均相对于内端点远离负极片的水平中轴线，且每个路径单元的第三路径的外端点与下一个路径单元的第二路径的外端点连接。
第一路径与负极片水平方向的夹角为50°，第一路径的长度为负极片敷料区宽度的70％，第一路径的深度为负极片厚度的60％，第二路径的长度为负极片敷料区宽度的30％，第二路径的深度为负极片厚度的60％，第三路径与负极片水平方向的夹角为35°，第三路径的长度为负极片敷料区宽度的60％，第三路径的深度为负极片厚度的60％；
C)取石墨、石墨烯、碳化硅、氮化硅、粘结剂与水混合，超声搅拌后制得导热浆料，其中，粘结剂为羧甲基纤维素钠，石墨的重量比为25％，石墨烯的重量比为25％，碳化硅的重量比为5％，氮化硅的重量比为15％，粘结剂的重量比为5％，导热浆料的固含量为75％，粘度为5000CP，在步骤B)中的负极片刻蚀完成后，通过凹版印刷将导热浆料涂覆负极片上，形成负极片上的纳米导热层，纳米导热层的厚度为500nm，网纹形状为椭圆形，并通过凹版印刷将导热浆料涂覆在隔膜上；
D)使用双面挤压涂布机构将高镍三元正极浆料涂覆在铝箔上，形成均匀涂层，制得正极片；
E)在烘烤步骤D)中取得的正极片的过程中，通过激光机构在正极片的敷料区表面刻蚀与步骤B)中一致的叶脉结构流路；
F)将步骤C)制得的负极片和步骤E)制得的正极片与步骤C)制得的隔膜通过卷绕制得锂电芯，且锂电芯为双侧出极耳结构；
G)将步骤F)制得的锂电芯通过装配、烘烤、注液、陈化、化成制备成锂离子电池。
对比例1
A)使用双面挤压涂布机构将硅碳负极浆料涂覆在铜箔上，硅碳负极浆料的重量比为5％，形成均匀涂层，制得负极片；
B)使用双面挤压涂布机构将高镍三元正极浆料涂覆在铝箔上，形成均匀涂层，制得正极片；
C)将步骤A)制得的负极片和步骤B)制得的正极片与隔膜通过卷绕制得锂电芯，且锂电芯为双侧出极耳结构；
D)将步骤F)制得的锂电芯通过装配、烘烤、注液、陈化、化成制备成锂离子电池。
对比例2
A)使用双面挤压涂布机构将硅碳负极浆料涂覆在铜箔上，硅碳负极浆料的重量比为10％，形成均匀涂层，制得负极片；
B)在烘烤步骤A)中取得的负极片的过程中，通过激光机构在负极片的敷料区表面刻蚀叶脉结构流路，激光机构的功率为1000W，其中，叶脉结构流路包括若干个沿负极片水平轴对称布置的路径单元，每个路径单元包括内端点重合的第一路径、第二路径和第三路径，第一路径的外端点位于负极片的水平中轴线上，第二路径与第一路径沿水平方向轴对称，第二路径和第三路径的外端点均相对于内端点远离负极片的水平中轴线，且每个路径单元的第三路径的外端点与下一个路径单元的第二路径的外端点连接。
第一路径与负极片水平方向的夹角为60°，第一路径的长度为负极片敷料区宽度的75％，第一路径的深度为负极片厚度的90％，第二路径的长度为负极片敷料区宽度的40％，第二路径的深度为负极片厚度的90％，第三路径与负极片水平方向的夹角为45°，第三路径的长度为负极片敷料区宽度的70％，第三路径的深度为负极片厚度的90％；
C)取石墨、石墨烯、碳化硅、氮化硅、粘结剂与水混合，超声搅拌后制得导热浆料，其中，粘结剂为聚乙烯醇，石墨的重量比为20％，石墨烯的重量比为15％，碳化硅的重量比为10％，氮化硅的重量比为10％，粘结剂的重量比为3％，导热浆料的固含量为58％，粘度为3000CP，在步骤B)中的负极片刻蚀完成后，通过凹版印刷将导热浆料涂覆负极片上，形成负极片上的纳米导热层，纳米导热层的厚度为300nm，网纹形状为菱形，并通过凹版印刷将导热浆料涂覆在隔膜上；
D)使用双面挤压涂布机构将高镍三元正极浆料涂覆在铝箔上，形成均匀涂层，制得正极片；
E)在烘烤步骤D)中取得的正极片的过程中，通过激光机构在正极片的敷料区表面刻蚀与步骤B)中一致的叶脉结构流路；
F)将步骤C)制得的负极片和步骤E)制得的正极片与步骤C)制得的隔膜通过卷绕制得锂电芯，且锂电芯为同侧出极耳结构；
G)将步骤F)制得的锂电芯通过装配、烘烤、注液、陈化、化成制备成锂离子电池。
将实施例1、实施例2、实施例3、对比例1和对比例2制得的锂离子电池进行15C恒流倍率放电，初始环境温度为25℃，测试电池本体表面温度和极柱温度，取得升温曲线如图4～图8。
如图图4～图8所示，锂离子电池进行15C恒流倍率放电过程中，电芯表面温度最高，正极极耳温度高于负极极耳温度，采用本发明设计的锂离子电池，即实施例1、实施例2和实施例3，在进行15C恒流倍率放电后，电芯散热能力增强，相比对比例1和对比例2，温度下降约10～15℃。
上述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工艺进行的任何形式改进，都属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种设有高散热极片的锂离子电池制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
A)使用双面挤压涂布机构将硅碳负极浆料涂覆在铜箔上，形成均匀涂层，制得负极片；
B)在烘烤所述步骤A)中取得的负极片的过程中，通过激光机构在所述负极片的敷料区表面刻蚀叶脉结构流路；
C)取石墨、石墨烯、碳化硅、氮化硅、粘结剂与水混合，超声搅拌后制得导热浆料，在所述步骤B)中的负极片刻蚀完成后，通过凹版印刷将所述导热浆料涂覆所述负极片上，形成所述负极片上的纳米导热层，并通过凹版印刷将所述导热浆料涂覆在隔膜上；
D)使用双面挤压涂布机构将高镍三元正极浆料涂覆在铝箔上，形成均匀涂层，制得正极片；
E)在烘烤所述步骤D)中取得的正极片的过程中，通过激光机构在所述正极片的敷料区表面刻蚀与所述步骤B)中一致的叶脉结构流路；
F)将所述步骤C)制得的负极片和所述步骤E)制得的正极片与所述步骤C)制得的隔膜通过卷绕制得锂电芯；
G)将所述步骤F)制得的锂电芯通过装配、烘烤、注液、陈化、化成制备成锂离子电池。
2.根据权利要求1所述设有高散热极片的锂离子电池制备方法，其特征在于：所述步骤B)中，所述叶脉结构流路包括若干个沿所述负极片水平轴对称布置的路径单元，每个所述路径单元包括内端点重合的第一路径、第二路径和第三路径，所述第一路径的外端点位于所述负极片的水平中轴线上，所述第二路径与所述第一路径沿水平方向轴对称，所述第二路径和第三路径的外端点均相对于所述内端点远离所述负极片的水平中轴线，且每个所述路径单元的第三路径的外端点与下一个所述路径单元的第二路径的外端点连接。
3.根据权利要求2所述设有高散热极片的锂离子电池制备方法，其特征在于：所述第一路径与所述负极片水平方向的夹角为45°～60°，所述第一路径的长度为所述负极片敷料区宽度的60～75％，所述第一路径的深度为所述负极片厚度的30～90％，所述第二路径的长度为所述负极片敷料区宽度的20～40％，所述第二路径的深度为所述负极片厚度的30～90％，所述第三路径与所述负极片水平方向的夹角为25°～45°，所述第三路径的长度为所述负极片敷料区宽度的50～70％，所述第三路径的深度为所述负极片厚度的30～90％。
4.根据权利要求1所述设有高散热极片的锂离子电池制备方法，其特征在于：所述步骤C)中的导热浆料中，石墨的重量比为5～25％，石墨烯的重量比为5～25％，碳化硅的重量比为5～15％，氮化硅的重量比为5～15％，粘结剂的重量比为2～5％。
5.根据权利要求1所述设有高散热极片的锂离子电池制备方法，其特征在于：所述导热浆料的固含量为32～75％，粘度为2000～5000CP。
6.根据权利要求1所述设有高散热极片的锂离子电池制备方法，其特征在于：所述粘结剂为聚酰亚胺、聚乙烯醇或羧甲基纤维素钠中的至少一种。
7.根据权利要求1所述设有高散热极片的锂离子电池制备方法，其特征在于：所述步骤C)中纳米导热层的厚度为100～500nm，网纹形状为椭圆形或菱形。
8.根据权利要求1所述设有高散热极片的锂离子电池制备方法，其特征在于：所述步骤A)中硅碳负极浆料的重量比为5～10％。
9.根据权利要求1所述设有高散热极片的锂离子电池制备方法，其特征在于：所述步骤B)中所述激光机构的功率为100～1000W。
10.根据权利要求1所述设有高散热极片的锂离子电池制备方法，其特征在于：所述步骤F)中，所述锂电芯为双侧出极耳结构。
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