CN110534703B - 一种高容量硅负极锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

一种高容量硅负极锂离子电池，其采用多个圆柱形单体卷芯并联而成。每个单体又分别采用可以向内膨胀的硅负极片和弹性透气的箍紧胶布。由于硅负极材料在锂离子电池充电时会急剧膨胀，导致循环寿命锐减。本发明采用圆柱形卷芯结构，本身可以降低体积膨胀的危害程度，同时向内膨胀的硅负极片可以让硅负极料向内膨胀，还有弹性透气胶布也可以缓解膨胀带来的危害，这都大大提高了高容量硅负极锂离子电池的电性能和安全性能。

Description

一种高容量硅负极锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种高容量硅负极锂离子电池。
背景技术
负极材料是锂离子电池的重要组成部分，它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键技术指标。随着新能源汽车在实际应用中对续航里程要求的不断提高，动力电池相关材料也向着提供更高能量密度的方向发展。传统锂离子电池的石墨负极已经无法满足现有需求，高能量密度负极材料成为企业追逐的新热点。硅基材料负极由于丰富的储量和超高的理论比容量正逐渐成为电池企业和锂电材料商改善负极的最优先选择，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。
硅材料最大的优势是容量高，在完全嵌锂状态下晶体硅材料的比容量可达4200mAh/g(Li4.4Si)，达到石墨材料的10倍以上，甚至要比金属锂负极的容量(3860mAh/g)还要高，但是硅负极材料也存在严重的体积膨胀问题，在完全嵌锂状态下，硅负极的体积膨胀可达300％，这不仅仅会导致Si负极的颗粒破碎，还会破坏电极的导电网络和粘接剂网络，导致活性物质损失，从而严重影响硅负极材料的循环性能，这也成为了阻碍硅负极材料应用最主要的障碍。
圆柱形锂离子电池应用广泛，特斯拉纯电动车ModelS等使用的就是日本松下公司生产的圆柱形锂离子电池，国内上市公司坚瑞沃能生产的动力电池系统也是以圆柱形32650为单体组装的，韩国的三星、LG也大量生产18650圆柱形锂离子电池并广泛应用在3C数码产品与动力电池系统上。
圆柱形锂离子电池的优点之一就是可靠性高，不会鼓胀，由于本身就是圆形，电池内部压力增大时也无法再鼓胀。其他电池，不论是方形电池还是聚合物电池，不当条件下，内部压力增大时，电池会从中间向外凸起，严重时会破坏用电器甚至产生安全事故。
圆柱形锂离子电池的标准配置就是圆柱形卷芯，其收尾部分大都采用普通胶布缠绕一到几圈箍紧。这些胶布弹性差，无孔，不透气。而锂离子电池在充电时石墨负极时会发生体积膨胀的，如果采用硅材料负极这种状况尤其严重，对于石墨负极来说适度的向外膨胀是有利于电池充放电，一旦卷芯体积被固定死，导致石墨充电时膨胀受阻，可能会引起电池内部极化，轻则充电电压升高，内部发热，重则锂离子在负极表面析出，导致电池寿命降低。而且，普通胶布无孔，电解液不能穿透胶布，只能从两头向内渗透，需要长时间放置浸液，影响生产效率。还有，由于普通胶布无孔，散热性能一般，影响电池的导热与散热性能。
发明内容
本发明公开一种高容量硅负极锂离子电池，其采用多个圆柱形单体卷芯并联而成。每个单体又分别采用可以向内膨胀的硅负极片和弹性透气的箍紧胶布。由于硅负极材料在锂离子电池充电时会急剧膨胀，导致循环寿命锐减，本发明采用圆柱形卷芯结构，本身可以降低体积膨胀的危害程度，因为其他方形鼓胀的趋势就是电池变圆。而且向内膨胀的硅负极片可以让硅负极料向内膨胀，大大降低充电时电池的膨胀率。
本发明还采用一种弹性透气胶布来收尾箍紧，可以保持卷芯内部保持几乎恒定的压力，能够保证正负极极片之间始终保持良好的电化学接触，当电池充电内部膨胀时，整个卷芯可以向外膨胀，当电池放电时收缩时，卷芯可以向内收缩，从而给予电池正常充电导致的向外膨胀的空间，降低内部极化，减小结构破坏。另外，由于胶布透气，电解液可以通过胶布直接向内渗透，尤其是极片集流体上开孔时效果更明显，大大缩短浸液时间，提高生产效率。还有，当电池遇到不利条件过度膨胀时，弹性胶布的被拉长，弹力增加，反过来约束卷芯的膨胀，这样可以缓解卷芯内部的应力，提高锂离子电池的使用寿命。最后，由于弹性透气胶布可以透气，尤其是极片集流体上开孔时，将大大提高电池的导热和散热性能。
本发明的技术方案为：
一种高容量硅负极锂离子电池，其采用多个圆柱形单体卷芯(1)并联而成一个大电池
芯体，每个单体卷芯(1)采用圆柱形结构，正负极端子通过连接片(2)各自连接在一起，单体卷芯(1)采用向单体卷芯内膨胀的硅负极片(103)。
所述圆柱形单体卷芯(1)主要由隔膜(104)、正极片(102)、负极片(103)和弹性透气胶布(101)组成，正极片(102)、负极片(103)和隔膜(104)均为长条形，正极片(102)和负极片(103)面对面放置，正极片(102)位于负极片(103)正中间，二者之间用隔膜(104)隔开，从一头开始卷绕成圆柱形，最外层从收尾部分开始采用弹性透气胶布(101)箍紧一到两圈。
所述圆柱形单体卷芯(1)采用弹性透气胶布(101)箍紧；所述弹性透气胶布(101)由基材(1011)和背胶(1012)组成，基材(1011)为弹性透气无纺布、弹力棉布，弹性透气无纺布包括聚氨酯无纺布或PP弹性无纺布，背胶(1012)为聚丙烯酸酯压敏胶、热熔胶水、橡胶粘合胶；弹性透气胶布是通过全自动涂布机把背胶间隔涂布在弹性无纺布上制得的。
所述弹性透气胶布(101)具有透气性，以方便锂离子电池电解液可以迅速通过胶布向内部渗透，尤其当正极片(102)、负极片(103)集流体采用了网状开孔结构，效果更佳。
所述向内膨胀的硅负极片(103)是利用自动打孔点胶机在集流体上预先打孔，然后在孔中注入含胶填充剂，然后移到真空盒上用真空将填充剂吸到另一面，然后涂上含硅材料的浆料，经烘箱加热后填充剂挥发，在内部形成大量孔洞而制成的；极片辊轧裁切做成电池后，充电时硅材料可以向孔洞内膨胀，从而大大降低极片的膨胀程度。
附图说明
附图1为本发明的一种高容量硅负极锂离子电池结构示意图，图中1-单体卷芯、2-连接片、101-弹性透气胶布。
附图2为单体卷芯结构示意图。
附图3为卷芯结构结构示意图，图中102-正极片、103-负极片、104-隔膜。
附图4为弹性透气胶布装配图，图中101-正弹性透气胶布、102-正极片、103-负极片、104-隔膜。
附图5为弹性透气胶布结构示意图，图中1011-基材、1012-背胶。
具体实施方式
下面叙述的案例是对本发明的补充说明，而非是对本发明的限制。
实施例1：
制造三元15Ah的209470软包装硅负极锂离子电池，采用5个单体18650卷芯(1)并联结构。负极片采用可以向单体卷芯内膨胀的硅负极片(103)，正极集流体上也开孔，用弹性透气胶布(101)收尾箍紧卷芯。
负极活性物质采用人造石墨和氧化亚硅混合物，比例为95:5，先将18.6千克活性物质，0.6千克导电炭黑SuperPLi，0.8千克PVDF，20.0千克NMP搅拌成浆料。取1千克PVDF和9千克NMP混合搅拌成胶，再取5千克碳酸氢铵和2.0千克PVDF胶以及3千克NMP在20℃条件下搅拌成胶体。将170mm宽10um厚铜箔装上自动打孔点胶机，用激光器在铜箔上均匀打上
Figure GDA0002837442820000031
小孔，然后用多头点胶机在孔上点胶，利用真空盒将胶吸到铜箔另外一面，将铜箔迁移到涂布工位，在两面各涂上120g/m2已搅拌好的硅负极浆料，然后让涂料后的铜箔通过95-120℃的烘箱并收卷。最后将物料辊轧分切后做成硅负极片(103)。负极片(103)长676mm，宽58.0mm，厚度170um。用超声波焊接机给负极片(103)焊上极耳。
用激光器给铝箔打孔，然后按合浆、涂布、辊轧、分切顺序制作出对应三元正极片(102)。正极片(102)长616mm，宽56.5mm，厚度152um。用超声波焊接机给正极片(102)焊上极耳。
以100um聚氨酯无纺布为基材，用全自动涂胶机在基材上涂上正弦波形聚丙烯酸酯胶水，涂布厚度30um，胶条宽3.75px，条与条之间间隙8.75px，波长150px，振幅40px，然后将制造好的胶布裁成58*56(mm)块状。
将预先准备好的正极片(102)、负极片(103)、隔膜(长1420mm，宽62.0mm，厚20um)(104)整理好，将隔膜(104)从中间对折，装入负极片(103)，上一层装上正极片(102)，利用卷绕机卷绕成卷芯(1)，结尾部分贴上刚才制造好的弹性透气胶布(101)并绕卷芯一周，这样利用弹性透气胶布箍紧的圆柱锂离子电池卷芯(1)就制作出来了。
用超声波焊接机将所有单体卷芯(1)用连接片(2)并联起正极耳，同样方法连接起负极耳。然后，封装铝塑膜、烘烤、注液、化成、抽气制造出高容量硅负极锂离子电池。
实施例2：
制造三元50Ah的24114130软包装硅负极锂离子电池，采用5个单体22125卷芯(1)并联结构。负极片采用可以向内膨胀的硅负极片(103)，正极集流体上也开孔，用弹性透气胶布(101)收尾箍紧卷芯。
负极活性物质采用人造石墨和氧化亚硅混合物，比例为95:5，先将93.0千克活性物质，3.0千克导电炭黑SuperPLi，4.0千克PVDF，80.0千克NMP搅拌成浆料。取2.0千克PVDF和18.0千克NMP混合搅拌成胶，再取10.0千克碳酸氢铵和4.0千克PVDF胶以及6千克NMP在20℃条件下搅拌成胶体。将170mm宽10um厚铜箔装上自动打孔点胶机，用激光器在铜箔上均匀打上
Figure GDA0002837442820000041
小孔，然后用多头点胶机在孔上点胶，利用真空盒将胶吸到铜箔另外一面，将铜箔迁移到涂布工位，在两面各涂上120g/m2已搅拌好的硅负极浆料，然后让涂料后的铜箔通过95-120℃的烘箱并收卷。最后将物料辊轧分切后做成硅负极片(103)。负极片(103)长1060.0mm，宽122.0mm，厚度170um。用超声波焊接机给负极片(103)焊上极耳。
用激光器给铝箔打孔，然后按合浆、涂布、辊轧、分切顺序制作出对应三元正极片(102)。正极片长968mm，宽120mm，厚度152um。用超声波焊接机给正极片(102)焊上极耳。
以100um聚氨酯无纺布为基材，用全自动涂胶机在基材上涂上正弦波形聚丙烯酸酯胶水，涂布厚度30um，胶条宽3.75px，条与条之间间隙8.75px，波长150px，振幅40px，然后将制造好的胶布裁成122*70(mm)块状。
将预先准备好的正极片(102)、负极片(103)、隔膜(长2260mm，宽124.0mm，厚20um)(104)整理好，将隔膜(104)从中间对折，装入负极片(103)，上一层装上正极片(102)，利用卷绕机卷绕成卷芯，结尾部分贴上刚才制造好的弹性透气胶布(101)并绕卷芯一周，这样利用弹性透气胶布(101)箍紧的圆柱锂离子电池卷芯(1)就制作出来了。用超声波焊接机将所有单体卷芯(1)用连接片(2)并联起正极耳，同样方法连接起负极耳。然后，封装铝塑膜、烘烤、注液、化成、抽气制造出高容量硅负极锂离子电池。
实施例3：
制造铁锂50Ah的23128140软包装硅负极锂离子电池，采用6个单体21135卷芯(1)并联结构。负极片采用可以向内膨胀的硅负极片(103)，正极集流体上也开孔，用弹性透气胶布(101)收尾箍紧卷芯。
负极活性物质采用人造石墨和氧化亚硅混合物，比例为95:5，先将93.0千克活性物
质，3.0千克导电炭黑SuperPLi，4.0千克PVDF，100.0千克NMP搅拌成浆料。取5.0千克PVDF和45.0千克NMP混合搅拌成胶，再取25.0千克碳酸氢铵和10.0千克PVDF胶以及15.0千克NMP在20℃条件下搅拌成胶体。将170mm宽10um厚铜箔装上自动打孔点胶机，用激光器在铜箔上均匀打上
Figure GDA0002837442820000051
小孔，然后用多头点胶机在孔上点胶，利用真空盒将胶吸到铜箔另外一面，将铜箔迁移到涂布工位，在两面各涂上101.0g/m2已搅拌好的硅负极浆料，然后让涂料后的铜箔通过95-120℃的烘箱并收卷。最后将物料辊轧分切后做成硅负极片(103)。负极片(103)长1280.0mm，宽132.0mm，厚度109.0um。用超声波焊接机给负极片焊上极耳。
用激光器给铝箔打孔，然后按合浆、涂布、辊轧、分切顺序制作出对应铁锂正极片(102)。正极片(102)长1218.0mm，宽130.0mm，厚度129.0um。用超声波焊接机给正极片(102)焊上极耳。
以100um聚氨酯无纺布为基材，用全自动涂胶机在基材上涂上正弦波形聚丙烯酸酯胶水，涂布厚度30um，胶条宽3.75px，条与条之间间隙8.75px，波长150px，振幅40px，然后将制造好的胶布裁成130*68(mm)块状。
将预先准备好的正极片(102)、负极片(103)、隔膜(长2680.0mm，宽134.0mm，厚20um)(104)整理好，将隔膜(104)从中间对折，装入负极片(103)，上一层装上正极片(102)，利用卷绕机卷绕成卷芯，结尾部分贴上刚才制造好的弹性透气胶布(101)并绕卷芯一周，这样利用弹性透气胶布(101)箍紧的圆柱锂离子电池卷芯就制作出来了。用超声波焊接机将所有单体卷芯(1)用连接片(2)并联起正极耳，同样方法连接起负极耳。然后，封装铝塑膜、烘烤、注液、化成、抽气制造出高容量硅负极锂离子电池。

Claims (2)

1.一种高容量硅负极锂离子电池，其特征在于，该电池采用多个圆柱形单体卷芯（1）并联而成一个大电池芯体，每个单体卷芯（1）采用圆柱形结构，正负极端子通过连接片（2）各自连接在一起，单体卷芯（1）采用向内膨胀的硅负极片（103）；所述圆柱形单体卷芯（1）采用弹性透气胶布（101）箍紧；所述弹性透气胶布（101）由基材（1011）和背胶（1012）组成，基材（1011）为弹性透气无纺布或弹力棉布，弹性透气无纺布包括聚氨酯无纺布或 PP 弹性无纺布，背胶（1012）为聚丙烯酸酯压敏胶、热熔胶水或橡胶粘合胶；弹性透气胶布是通过全自动涂布机把背胶间隔涂布在弹性透气无纺布上制得的；
所述向内膨胀的硅负极片（103）是利用自动打孔点胶机在集流体上预先打孔，然后在孔中注入含胶填充剂，然后移到真空盒上用真空将填充剂吸到另一面，然后涂上含硅材料的浆料，经烘箱加热后填充剂挥发，在内部形成大量孔洞而制成的。
2.根据权利要求 1 所述的一种高容量硅负极锂离子电池，其特征在于，所述圆柱形单体卷芯（1）主要由隔膜（104）、正极片（102）、负极片（103）和弹性透气胶布（101）组成，正极片（102）、负极片（103）和隔膜（104）均为长条形，正极片（102）和负极片（103）面对面放置，正极片（102）位于负极片（103）正中间，二者之间用隔膜（104）隔开，从一头开始卷绕成圆柱形，最外层从收尾部分开始采用弹性透气胶布（101）箍紧一到两圈。
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