CN110544794B - 一种高能量密度锂离子/钠离子电池 - Google Patents

一种高能量密度锂离子/钠离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超高能量密度锂离子/钠离子电池，由带孔金属壳、负极环、T形筒、正极棒、绝缘垫、铝塑膜、电解液组成，采用特殊结构设计来实现的，与以往同类电池相比其能量密度提高50%以上。该种电池不像传统锂离子或者钠离子电池一样采用铜箔和铝箔作集流体，也不使用隔膜，防爆阀也不像传统圆柱或者方形电池那样通过使用薄铝片崩裂泄压的方式来预防电池爆炸，由此还可以节省很大一部分空间。因而本发明电池具有超高的质量比能量密度与体积比能量密度。

Description

一种高能量密度锂离子/钠离子电池
技术领域
本发明属于锂离子/钠离子电池领域，具体涉及一种高能量密度锂离子/钠离子电池。
背景技术
锂离子电池或者钠离子电池是一个非常好的能量供给者，它电压高、循环寿命长，
使用过程中不产生废气废液，清洁环保，应用极其广泛。
但就从目前消费者的反馈来看，锂离子电池或者钠离子电池的能量密度还是远远无法满足客观需求的。比如，几乎人手一部的移动电话，尤其是智能手机，大家往往会发现电池能量根本不够用，玩玩游戏、看看视频很快就没电，尤其是使用过一年半载的手机，弊病尤为明显。这也是充电宝能够普遍使用的原因。
另外，在新能源领域锂离子电池或者钠离子电池能量密度低的问题也表现得相当明显。目前，大多数纯电动汽车充一次电只能跑150-300公里。车上空间有限，只能携带这多电池，里程当然受限。这也是新能源汽车无法大面积取代传统燃油车的原因之一，目前新能源汽车销售量占整个汽车市场的总销售量还不到2％。
国家政策的一个导向就是要提高新能源汽车电池的能量密度，车上空间小，电池能量密度越高，提供的能量越多，续航里程越长。
由此可见，不论是3C数码类电池，还是新能源汽车电池，提高其能量密度，即合理又合法，大有必要，越快越好。
发明内容
本发明公开一种高能量密度锂离子/钠离子电池，与以往同类电池相比其能量密度提高50％以上。与传统同类电池相比，它不再使用铜箔和铝箔做集流体，也不使用隔膜，在其身上使用了目前业内最新发展出来的石墨烯、碳纳米管、碳纤维等材料。
本发明的技术方案为：
一种超高能量密度锂离子/钠离子电池，由带孔金属壳、负极环、T形筒、
正极棒、绝缘垫、铝塑膜、电解液组成，绝缘垫放置于负极环底部，负极环卡在带孔金属壳内且与其结合紧密，正极棒卡在T形筒内且与其结合紧密，T形筒插入负极环内，T形筒尾部和带孔金属壳顶部结合紧密，电解液预先浸润在负极环与正极棒中，铝塑膜在负极环卡入带孔金属壳后封装在带孔金属壳外部。
所述负极环由负极活性物质、导电剂、粘合剂组成，导电剂为石墨烯、碳纳米管、碳纤维一种或几种，负极活性物质为石墨、硅、硅碳混合物、软碳、硬碳、活性炭、钛酸锂一种或几种，粘合剂为聚丙烯酸酯、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠一种或几种。负极环的制备方法为，先将负极活性物质、粘合剂、发孔剂按比例混合，然后加入导电剂、适量NMP(N-甲基吡咯烷酮)、水稀释剂搅拌成浆料，然后将浆料倒入夹具中，烘干，松开夹具，取出物料，用液压机压成环状，再真空烘烤而成。
所述带孔金属壳是铝或钢制成的，圆筒状，壁上开有小孔，上口和底部均设有PP(聚丙烯)或PE(聚乙烯)材料封口胶，通过模具将铝塑膜封装在带孔金属壳上，当电池内压力急剧变化时，能通过铝塑膜的鼓胀泄压来预防电池的爆炸。
所述正极棒由正极活性物质、导电剂、粘合剂组成，导电剂为石墨烯、碳纳米管、碳纤维一种或几种，正极活性物质为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂、普鲁士蓝一种或几种，粘合剂为PVDF(聚偏氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)一种或几种，先将正极活性物质、粘合剂、发孔剂按比例混合，然后加入导电剂、适量NMP稀释剂搅拌成浆料，然后将浆料倒入夹具中，烘干，松开夹具，取出物料，用液压机压成棒状，再真空烘烤而成。
所述T形筒是铝或钢制成的，底部是一圆盘，盘中间垂直伸出一圆筒，壁上均匀开孔，外面通过注塑方式覆盖一层PP或PE绝缘体，圆盘和筒通过注塑方式连接，无电流导通。
所述绝缘垫为圆形，由尼龙、PP、PE或PET材料制成的，厚度0.1-0.5毫米。
所述发孔剂为碳酸氢铵、尿素或发孔剂H(二亚硝基五亚甲基四胺(NO)2(CH2)5N4)。
装配时先将负极环压入带孔金属壳，铝塑膜封装在带孔金属壳外部，正极棒压入T形筒，分别用注液机注入电解液，然后将绝缘垫圈放入带孔金属壳底部，再将已插入正极棒的T形筒插入前面的带孔金属壳中，再然后用激光焊接将T形筒和带孔金属壳焊接到一起，化成分容后就制造出高能量密度锂离子/钠离子电池。
与以往同类电池相比，该种电池能量密度提高50％以上，也不像传统锂离子或者钠离子电池一样采用铜箔和铝箔作集流体，也不使用隔膜，防爆阀也不像传统圆柱或者方形电池那样通过使用薄铝片崩裂泄压的方式来预防电池爆炸，由此还可以节省很大一部分空间。因而本发明电池具有超高的质量比能量密度与体积比能量密度。
附图说明
附图1为本发明的一种高能量密度锂离子/钠离子电池的结构示意图。
附图2为带孔金属壳结构示意图。
附图3为负极环结构示意图。
附图4为T形筒结构示意图，其中1-金属层、2-绝缘层。
附图5为正极棒结构示意图。
附图6为绝缘垫结构示意图。
附图7为铝塑膜结构示意图。
附图8为本发明的一种高能量密度锂离子/钠离子电池装配简图，其中3-带孔金属壳、4-负极环、5-T形筒。
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:
本实施例为高能量密度4.6Ah18650钴酸锂电池。
取25千克硅碳复合材料放入搅拌缸，加0.8千克PVDF，加0.6千克发孔剂H，搅拌30分钟，然后加10.8千克5％石墨烯与NMP混合液，加16.3克碳纳米管与NMP混合液，再加适量NMP，搅拌3小时。
浆料取出灌入夹具中，放入烘箱中烘干，105℃，2小时。
拆下夹具，将烘干后的负极环放入模具中，用液压机压实，压实密度1.7g/cm3以上。
将压实的负极环放入烘箱中，抽真空，205℃，烘烤5小时。
用模具将上步烘烤后的负极环压入带孔金属壳中，用模具将铝塑膜封装在带孔金属壳外面。
取56千克钴酸锂材料放入搅拌缸，加0.9千克PVDF，加1.2千克发孔剂H，搅拌30分钟，然后加24.0千克5％石墨烯与NMP混合液，加35.9克碳纳米管与NMP混合液，再加适量NMP，搅拌3小时。
浆料取出灌入夹具中，放入烘箱中烘干，105℃，2小时。
拆下夹具，将烘干后的正极棒放入模具中，用液压机压实，压实密度4.1g/cm3以上。
将压实的正极棒放入烘箱中，抽真空，205℃，烘烤5小时。
用模具将上步烘烤后的正极棒压入T形筒中。
用注液机给压入正极棒的T形筒与压入负极环的带孔金属壳注液，吸饱和为止。
然后将T形筒插入带孔金属壳，用激光机将上口缝隙焊接到一起。
放置24小时后，给电池化成分容，即得到4.6Ah的钴酸锂18650电池。
实施例2:
本实施例为6.5Ah21700三元电池。
取50千克硅碳复合材料放入搅拌缸，加1.5千克PVDF，加1.0千克发孔剂H，搅拌30分钟，然后加21.7千克5％石墨烯与NMP混合液，加32.5克碳纳米管与NMP混合液，再加适量NMP，搅拌3小时。
浆料取出灌入夹具中，放入烘箱中烘干，105℃，2小时。
拆下夹具，将烘干后的负极环放入模具中，用液压机压实，压实密度1.7g/cm3以上。
将压实的负极环放入烘箱中，抽真空，205℃，烘烤5小时。
用模具将上步烘烤后的负极环压入带孔金属壳中，再用模具将铝塑膜封装在带孔金属壳外面。
取109千克三元材料放入搅拌缸，加1.8千克PVDF，加2.3千克发孔剂H，搅拌30分钟，然后加46.8千克5％石墨烯与NMP混合液，加70.2克碳纳米管与NMP混合液，再加适量NMP，搅拌3小时。
浆料取出灌入夹具中，放入烘箱中烘干，105℃，2小时。
拆下夹具，将烘干后的正极棒放入模具中，用液压机压实，压实密度3.5g/cm3以上。
将压实的正极棒放入烘箱中，抽真空，205℃，烘烤5小时。
用模具将上步烘烤后的正极棒压入T形筒中。
用注液机给压入正极棒的T形筒与压入负极环的带孔金属壳注液，吸饱和为止。
然后将T形筒插入带孔金属壳，用激光机将上口缝隙焊接到一起。
放置24小时后，给电池化成分容，即得到6.5Ah的三元21700电池。
实施例3:
本实施例为高能量密度9.8Ah26650NCA电池。
取100千克硅碳复合材料放入搅拌缸，加3.0千克PVDF，加2.2千克发孔剂H，搅拌30分钟，然后加43.4千克5％石墨烯与NMP混合液，加65.1克碳纳米管与NMP混合液，再加适量NMP，搅拌3小时。
浆料取出灌入夹具中，放入烘箱中烘干，105℃，2小时。
拆下夹具，将烘干后的负极环放入模具中，用液压机压实，压实密度1.7g/cm3以上。
将压实的负极环放入烘箱中，抽真空，205℃，烘烤5小时。
用模具将上步烘烤后的负极环压入带孔金属壳中，用模具将铝塑膜封装在带孔金属壳外面。
取209.8千克NCA材料放入搅拌缸，加3.4千克PVDF，加4.4千克发孔剂H，搅拌30分钟，然后加89.7千克5％石墨烯与NMP混合液，加134.6克碳纳米管与NMP混合液，再加适量NMP，搅拌3小时。
浆料取出灌入夹具中，放入烘箱中烘干，105℃，2小时。
拆下夹具，将烘干后的正极棒放入模具中，用液压机压实，压实密度3.65g/cm3以上。
将压实的正极棒放入烘箱中，抽真空，205℃，烘烤5小时。
用模具将上步烘烤后的正极棒压入T形筒中。
用注液机给压入正极棒的T形筒与压入负极环的带孔金属壳注液，吸饱和为止。
然后将T形筒插入带孔金属壳，用激光机将上口缝隙焊接到一起。
放置24小时后，给电池化成分容，即得到9.8Ah的NCA26650电池。

Claims (7)

1.一种超高能量密度锂离子/钠离子电池，其特征在于，该电池由带孔金属壳、负极环、T形筒、正极棒、绝缘垫、铝塑膜、电解液组成，绝缘垫放置于负极环底部，负极环卡在带孔金属壳内且与其结合紧密，正极棒卡在T形筒内且与其结合紧密，T形筒插入负极环内，T形筒尾部和带孔金属壳顶部结合紧密，电解液预先浸润在负极环与正极棒中，铝塑膜在负极环卡入带孔金属壳后封装在带孔金属壳外部；
所述带孔金属壳是铝或钢制成的，圆筒状，壁上开有小孔，上口和底部均设有PP(聚丙烯)或PE(聚乙烯)材料封口胶，通过模具将铝塑膜封装在带孔金属壳上，当电池内压力急剧变化时，能通过铝塑膜的鼓胀泄压来预防电池的爆炸。
2.根据权利要求1所述的一种超高能量密度锂离子/钠离子电池，其特征在于，所述负极环由负极活性物质、导电剂、粘合剂组成，导电剂为石墨烯、碳纳米管、碳纤维一种或几种，负极活性物质为石墨、硅、硅碳混合物、软碳、硬碳、活性炭、钛酸锂一种或几种，粘合剂为聚丙烯酸酯、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠一种或几种。
3.根据权利要求2所述的一种超高能量密度锂离子/钠离子电池，其特征在于，所述负极环的制备方法为，先将负极活性物质、粘合剂、发孔剂按比例混合，然后加入导电剂、适量NMP(N-甲基吡咯烷酮)、水稀释剂搅拌成浆料，然后将浆料倒入夹具中，烘干，松开夹具，取出物料，用液压机压成环状，再真空烘烤而成。
4.根据权利要求1所述的一种超高能量密度锂离子/钠离子电池，其特征在于，所述正极棒由正极活性物质、导电剂、粘合剂组成，导电剂为石墨烯、碳纳米管、碳纤维一种或几种，正极活性物质为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂、普鲁士蓝一种或几种，粘合剂为PVDF(聚偏氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)一种或几种，先将正极活性物质、粘合剂、发孔剂按比例混合，然后加入导电剂、适量NMP稀释剂搅拌成浆料，然后将浆料倒入夹具中，烘干，松开夹具，取出物料，用液压机压成棒状，再真空烘烤而成。
5.根据权利要求1所述的一种超高能量密度锂离子/钠离子电池，其特征在于，所述T形筒是铝或钢制成的，底部是一圆盘，盘中间垂直伸出一圆筒，壁上均匀开孔，外面通过注塑方式覆盖一层PP或PE绝缘体，圆盘和筒通过注塑方式连接，无电流导通。
6.根据权利要求1所述的一种超高能量密度锂离子/钠离子电池，其特征在于，所述绝缘垫为圆形，由尼龙、PP、PE或PET材料制成的，厚度0.1-0.5毫米。
7.根据权利要求3所述的一种超高能量密度锂离子/钠离子电池，所述发孔剂为碳酸氢铵、尿素或发孔剂H(二亚硝基五亚甲基四胺(NO)2(CH2)5N4)。
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