CN110596209A - 对称电池及制备方法、利用其评价锂离子电池材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了对称电池及其制备方法、利用其评价锂离子电池材料的方法。包括如下步骤：S1.提供两个同性极片，其中，每个极片上设置有极耳，所述极片和极耳通过同一片箔材一体冲裁加工形成；S2.将隔膜置于所述同性极片之间，然后卷绕成电芯用固定胶带固定；S3.将所述电芯置于包装膜内，使所述极耳均被引出至包装膜外；S4.对所述包装膜进行热压封装，加注电解液后封口，得到对称电池。利用预留的外露箔材直接作为极耳，无需进行焊接，工序简单、易于操作，同时起到了避免焊接极耳增加焊点内阻的作用，利用这种简易的对称电池评测锂离子电池材料，具有简单易行、准确可靠的优势。

Description

对称电池及制备方法、利用其评价锂离子电池材料的方法
技术领域
本发明涉及了电池技术领域，特别是涉及了对称电池及其制备方法、利用其评价锂离子电池材料的方法。
背景技术
新能源技术是作为现代高新技术，受到各行各业的关注，锂离子电池技术的不断革新，已经发展为新能源领域的重要组成部分，同时也广泛应用到社会各个领域，锂离子电池的快速发展使其在人们的工作生活中扮演越来越重要的角色，使其市场不断扩大，为其发展提供动力，同时也带来日益激烈的竞争压力，使用者对其成本以及电池性能也提出了更高的要求。
锂离子电池主要包括正极、负极、隔膜、电解液以及封装所需构件等组成部分，正极和负极又同时包括活性物质、粘结剂、导电剂；其中每一个组成部分以及每一步制作工艺都与电池性能息息相关。在电芯开发过程中为满足不同的应用需求，需匹配不同正负极材料、导电剂、粘结剂以及隔膜和电解液，并且制作完成后需经过大量的测试分析，验证其一致性与可靠性，不断改进设计和验证后导入应用。传统电池技术都采用非对称设计，即正极和负极采用不同的电极材料。尽管非对称电池更容易设计并已有广泛的应用，如锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、碱锰电池等。但所有这些电池在制作和生产过程中，都需要分别考虑正极和负极，需要两套独立的材料加工和电极制作工艺路线，开发过程将耗费大量时间成本以及人力物力，大大增加了电池的成本，因此一种简单快速的评价电池材料以及工艺设计的方法至关重要。
目前，在锂离子电池研发过程中的机理分析、材料评估以及体系验证的新方法、新手段不断涌现，而对称电池就是电池材料评估过程中的一个重要手段。锂离子电池的阻抗主要分为：欧姆阻抗、膜阻抗以及电荷转移阻抗、固相扩散，常见需要通过电化学工作站进行拟合，分别运算出各部分的阻抗大小，为研发提供数据支撑；尤其在材料验证过程中，对某种材料进行性能评估，利用对称电池测试材料的固相扩散能力，可以为材料选型进一步提供理论数据支撑。
现有的对称电池包括电芯，所述电芯包括两个同性极片和隔膜，极片上分别焊接极耳。但是极耳焊接到极片上，焊点会带来额外内阻，需要严格的焊接一致性控制，且金属极耳焊接设备超声设备价格高，焊接工序复杂，对称电池制作成本高，而且这种对称电池的一致性不好，对称电池的设计不可靠，评价锂离子电池时测试准确度低。
发明内容
为了弥补已有技术的缺陷，本发明提供对称电池及其制备方法、利用其评价锂离子电池材料的方法。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种对称电池的制备方法，包括如下步骤：
S1.提供两个同性极片，其中，每个极片上设置有极耳，所述极片和极耳通过同一片箔材一体冲裁加工形成；
S2.将隔膜置于所述同性极片之间，然后卷绕成电芯用固定胶带固定；
S3.将所述电芯置于包装膜内，使所述极耳均被引出至包装膜外；
S4.对所述包装膜进行热压封装，加注电解液后封口，得到对称电池。
进一步地，所述热压封装前，采用耐高温胶带分别对所述极耳进行包裹处理；所述热压封装之后，加注电解液之前，在所述包装膜于所述极耳引出位置设置耐高温胶带。
进一步地，步骤S1中，所述极耳从所述极片一端外露，所述极耳为矩形。
进一步地，所述极片的长度为45-55 mm，宽度为42-48mm；所述极耳的长度18-22mm，宽度为8-12mm；所述隔膜的长度为所述极片的宽度的3.5倍。
进一步地，所述极耳与极片一侧的距离为8-12mm。
进一步地，所述对称电池为软包电池。
进一步地，所述包装膜为铝塑膜。
一种对称电池，其由上述制备方法制备得到。
本发明还提供利用所述对称电池评价锂离子电池材料的方法，包括如下步骤：
（1）将上述得到的对称电池在测试温度下静置，然后采用电化学工作站进行交流阻抗测试；
（2）根据交流阻抗测试的结果进行数据处理，对电池材料进行评价。
进一步地，所述交流阻抗测试时的扰动交流电的频率为1Hz-100k Hz，振幅为5mV。
本发明具有如下有益效果：
本发明利用预留的外露箔材直接作为极耳，无需进行焊接，工序简单、易于操作，同时起到了避免焊接极耳增加焊点内阻的作用，利用这种简易的对称电池评测锂离子电池材料，具有简单易行、准确可靠的优势。
附图说明
图1为本发明对称电池同性极片的结构示意图；
图2为本发明对称电池中隔膜放置以及固定方式示意图；
图3为本发明实施例1中三个平行制备的对称电池的测试结果；
图4为本发明不同锂盐浓度电解液对称电池阻抗测试结果；
图5为不同锂盐浓度电解液对称电池Rs变化情况。
图中：1、极片，2、极耳，3、隔膜，4、胶带，5、耐高温胶带。
具体实施方式
本发明中，所述对称电池为软包电池。现有技术中，为了避免短路及密封，防止漏液，软包电池的电芯制作中，极耳焊接到极片上。但是发明人在实现本申请实施例的过程中发现，在用于评价锂离子电池材料的对称电池中，将极耳焊接在极片上，焊点会带来额外内阻，需要严格的焊接一致性控制，且金属极耳焊接设备超声设备价格高，焊接工序复杂，对称电池制作成本高，而且这种对称电池的一致性不好，对称电池的设计不可靠，评价锂离子电池时测试准确度低。这是一个本领域技术人员以前从未意识到的技术问题。 本发明人为解决该技术问题进行了更加深入的研究，从而发现：利用预留的外露箔材直接作为极耳，工序简单、易于操作，同时起到了避免焊接极耳增加焊点内阻的作用，利用这种简易的对称电池评测锂离子电池材料，具有简单易行、准确可靠的优势。
本发明正是基于上述发现和认识而完成。
第一方面，本发明提供一种对称电池的制备方法，包括如下步骤：
S1.提供两个同性极片，其中，每个极片上设置有极耳，所述极片和极耳通过同一片箔材一体冲裁加工形成；
S2.将隔膜置于所述同性极片之间，然后卷绕成电芯用固定胶带固定；
S3.将所述电芯置于包装膜内，使所述极耳均被引出至包装膜外；
S4.对所述包装膜进行热压封装，加注电解液后封口，得到对称电池。
具体地，本发明的步骤S1中，所述同性极片采用完全相同的活性材料。
所述同性极片的制备方法为：（1）将活性材料涂布在箔材上，进行干燥处理；（2）将步骤（1）所得的产物辊压处理后，得到未裁切的极片；（3）将所得的未裁切的极片冲裁为在极片一端端部有外露部分的条形极片，以该外露部分的箔材作为极耳。
本发明中，所述极片和极耳的大小可以依据实际情况调整。作为优选，所述极耳为矩形，所述极耳的长度18-22mm，宽度为8-12mm；更优选地，所述极耳的长度20mm，宽度为10mm。
所述极片的长度为45-55 mm，宽度为42-48mm；更优选地，所述极片的长度为50mm，宽度为45mm。
本发明中，所述极耳应在靠近极片一侧的位置，本发明对极耳与极片一侧的距离不作具体限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行调整。作为优选，所述极耳与极片一侧的距离为8-12mm，更优选地，距离为10mm，使得对称电池的两张同性极片的极耳不会重合。
本发明中，对称电池的制作过程中，利用预留的外露箔材直接作为极耳，达到免焊极耳、减少工序、避免焊点增加内阻的目的，利用这种简易的对称电池评测锂离子电池材料以及设计工艺，具有简单易行、准确可靠的优势。
由于对称电池制作过程中极片较小，而且表面光滑，容易滑动，导致影响测试一致性。本申请中使隔膜置于同性极片之间并绕极片一周，卷绕成电芯，用胶带固定，卷绕可以起到固定极片的作用，使极片在制作过程中不易滑动。
本发明步骤S2中，所述隔膜的长度为所述极片的宽度的3.5倍。
本发明中，为避免作为极耳的箔材同时与铝塑膜的铝层接触短路，所述热压封装前，采用耐高温胶带分别对所述极耳进行包裹处理。
所述耐高温胶带为粘性较大的耐高温胶带，可以有效防止短路；同时，所述耐高温胶带能够承受一定的高温条件，在高温（大于等于120℃）条件下不熔化（即：所述耐高温胶带选自至少在温度为120℃的条件下不熔化的耐高温胶带），从而提高安全性能。在优选 施例中，所述耐高温胶带选自PI高温胶、PET高温胶中的一种。优选的，耐高温胶带具有优异的耐高温性能，且粘性较好，能够有效防止短路。
现有技术中，在软包电池的封装过程中，为了保证密封性，通常是在电池极耳上下预先热压一层高分子的极耳胶，通过这层极耳胶与同为高分子材料的铝塑膜内层，经过热熔处理粘接在一起，保证了电池的密封性。本发明中，由于直接使用箔材作为极耳，没有设置极耳胶，所以极耳处未能完全密封，因此，本发明中，所述热压封装之后，加注电解液之前，在所述包装膜于所述极耳引出位置设置耐高温胶带，避免注液后出现漏液等情况，而且对称电池测试周期较短，因此不会影响测试结果。
本发明中，所述包装膜为铝塑膜。
第二方面，本发明提供一种对称电池，其由上述制备方法制备得到。
第三方面，本发明还提供利用所述对称电池评价锂离子电池材料的方法，包括如下步骤：
（1）将上述得到的对称电池在测试温度下静置，然后采用电化学工作站进行交流阻抗测试；
（2）根据交流阻抗测试的结果进行数据处理，对电池材料进行评价。
本发明中，先将对称电池在测试温度下静置，以保证温度达到稳定。
其中，所述交流阻抗测试时的扰动交流电的频率为1Hz-100k Hz，振幅为5mV。
本发明中，根据交流阻抗测试的结果进行数据处理包括：将交流阻抗的数据，横坐标设置为实部数值，纵坐标设置为虚部数值，然后利用Excel或是Origin做成Nyquist图谱，然后分析Nyquist图谱的重合性并分析阻抗值大小。
交流阻抗是一种相对较新而非常迅速的技术，基本原理是给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流正弦电势波，交流电势与电流的信号的比值会随着正弦频率的变化，电化学体系输出的电流、电势信号经过转换，再利用频谱分析仪，输出阻抗及其模量，通过正弦波的频率，可以获得一些不同频率下的阻抗、阻抗的模量和相位角等，得出的数据可以进行内阻、一致性分析。所以，交流阻抗技术可以很好用于反馈电池的性能，挖掘原因，改进电池各方面的工艺、性能等。本发明中，电化学交流阻抗的测试方法采用传电化学工作站进行测试，该方法具有应用频率范围宽，对体系扰动信号小，不会导致电池极化现象等优点。
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
实施例1
一种对称电池，其制备方法步骤如下：
S1.提供两个同性极片，其中，所述同性极片采用完全相同的活性材料，所述同性极片的制备方法为：（1）将活性材料涂布在箔材上，进行干燥处理；（2）将步骤（1）所得的产物辊压处理后，得到未裁切的极片；（3）将所得的未裁切的极片冲裁为在极片一端端部有外露部分的条形极片，以该外露部分的箔材作为极耳，其中条形极片的长度为50mm，宽度为45mm；所述极耳的长度20mm，宽度为10mm；所述活性材料由石墨、SP、和SBR组成，其中石墨、SP、和SBR的质量比为90:5:5；涂布的面密度为20.25mg/cm2，压实密度为1.45g/cm3；
S2.将隔膜置于所述同性极片之间，然后卷绕成电芯用固定胶带固定；
S3.将所述电芯置于铝塑膜内，使所述极耳均被引出至铝塑膜外；采用耐高温胶带分别对所述极耳进行包裹处理；
S4.对所述铝塑膜进行热压封装，在所述铝塑膜于所述极耳引出位置设置耐高温胶带，加注电解液后封口，得到对称电池；其中，所述电解液含有电解质及有机溶剂，所述电解质选自六氟磷酸锂，所述电解质的浓度为8%；所述有机溶剂由质量比为1:1:1的碳酸乙烯酯EC、碳酸二乙酯DEC和碳酸甲乙酯EMC组成。
将该实施例1制备的对称电池记为E1-1，制备3个平行的对称电池。
实施例2
基于实施例1，不同之处仅在于：本实施例2中所述电解质的浓度为10%。
将该实施例2制备的对称电池记为E2-1。
实施例3
基于实施例1，不同之处仅在于：本实施例2中所述电解质的浓度为12%。
将该实施例3制备的对称电池记为E3-1。
实施例4
利用对称电池评价锂离子电池材料的方法，包括如下步骤：
（1）将实施例1-3得到的对称电池分别置于恒温箱内静置1h，温箱设定温度为25℃，然后采用电化学工作站进行交流阻抗测试；所述交流阻抗测试时的扰动交流电的频率为1Hz-100k Hz，振幅为5mV；
（2）根据交流阻抗测试的结果进行数据处理，将交流阻抗的数据，横坐标设置为实部数值，纵坐标设置为虚部数值，然后利用Excel或是Origin做成Nyquist图谱，然后分析Nyquist图谱的重合性并分析阻抗值大小，对电池材料进行评价。
如图3所示，为实施例1三个平行对称电池测试结果，由测试结果可知，数据一致性较好，说明本发明的对称电池设计可靠，可作为锂离子电池评测手段。
如图4所示，为实施例1-3中采用不同电解液的对称电池的测试结果，可以看出，在Nyquist图谱中，采用不同电解液的对称电池的测试曲线，尾端斜率没有明显差别，但是曲线与横轴交点值Rs有明显差异，Rs随锂盐浓度增加而减小；将其Rs值读出分别为0.215、0.194、0.176欧姆，与锂盐浓度作图，得到图5，可以看出，随着锂盐浓度增加，Rs基本呈线性减小。以上述同性极片、隔膜、不同锂盐浓度电解液（8%、10%、12% LiPF6）制得对称电池，进行阻抗测试，结果显示电解液锂盐浓度在8%-12%范围内，对称电池Rs值随着锂盐浓度增加呈线性减小的趋势。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对称电池的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1.提供两个同性极片，其中，每个极片上设置有极耳，所述极片和极耳通过同一片箔材一体冲裁加工形成；
S2.将隔膜置于所述同性极片之间，然后卷绕成电芯用固定胶带固定；
S3.将所述电芯置于包装膜内，使所述极耳均被引出至包装膜外；
S4.对所述包装膜进行热压封装，加注电解液后封口，得到对称电池。
2.如权利要求1所述的对称电池的制备方法，其特征在于，所述热压封装前，采用耐高温胶带分别对所述极耳进行包裹处理；所述热压封装之后，加注电解液之前，在所述包装膜于所述极耳引出位置设置耐高温胶带。
3.如权利要求1所述的对称电池的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述极耳从所述极片一端外露，所述极耳为矩形。
4.如权利要求1所述的对称电池的制备方法，其特征在于，所述极片的长度为45-55mm，宽度为42-48mm；所述极耳的长度18-22mm，宽度为8-12mm；所述隔膜的长度为所述极片的宽度的3.5倍。
5.如权利要求1所述的对称电池的制备方法，其特征在于，所述极耳与极片一侧的距离为8-12mm。
6.如权利要求1所述的对称电池的制备方法，其特征在于，所述对称电池为软包电池。
7.如权利要求1所述的对称电池的制备方法，其特征在于，所述包装膜为铝塑膜。
8.一种对称电池，其由权利要求1-7任一项所述制备方法制备得到。
9.利用权利要求8所述的对称电池评价锂离子电池材料的方法，包括如下步骤：
（1）将权利要求8中的对称电池在测试温度下静置，然后采用电化学工作站进行交流阻抗测试；
（2）根据交流阻抗测试的结果进行数据处理，对电池材料进行评价。
10.如权利要求9所述的对称电池评价锂离子电池材料的方法，其特征在于，所述交流阻抗测试时的扰动交流电的频率为1Hz-100k Hz，振幅为5mV。
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