CN112164830A - 一种含固态电解质的扣式锂电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含固态电解质的扣式锂电池及其制造方法，包括电芯，所述电芯表面设有正极钢壳和负极钢壳，所述电芯包括正极片和负极片，所述正极片包括正极集流体，所述正极集流体两侧涂覆有第一正极料层和第二正极料层，所述第一正极料层涂覆有第一固态电解质层，所述第二正极料层涂覆有第二固态电解质层，所述负极片包括负极集流体，所述负极集流体两侧涂覆有第一负极料层和第二负极料层，所述第一负极料层涂覆有第三固态电解质层，所述第二负极料层涂覆有第四固态电解质层，本发明可以提高扣式锂电池安全性和能量密度，提高固态电池的充放电倍率，制造方法简单、实用，具有更高的生产效率和良品率。

Description

一种含固态电解质的扣式锂电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及固态锂电池技术领域，特别涉及一种含固态电解质的扣式锂电池及其制造方法。
背景技术
现有的储能技术中，锂离子电池凭借能量密度高、工作电压高、使用寿命长以及无记忆效应等优势，已经广泛应用于消费类电子产品，随着消费类电子产品的发展，电池的小型化显得尤为总要，柔性、高能量密度电池随着消费类电子产品的兴起也不断向前发展，但传统的锂离子电池采用易燃的液态有机电解液，存在安全隐患，发展遇到了瓶颈，采用固态电解质替代有机液态电解液，新型的全固态锂电池不仅安全性好，而且在提高比能量、比功率密度以及循环性能方面也有更大的空间，有望成为下一代锂离子电池，成为消费类电子产品能源来源的首选。
目前，全固态电池的量产现阶段还有很大的困难，只能小批量生产，制造工艺问题较多，现阶段扣式锂电池在安全和制作工艺上还有很多问题需要解决。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种含固态电解质的扣式锂电池及其制造方法，可以提高扣式锂电池安全性和能量密度，提高固态电池的充放电倍率，制造方法简单、实用，具有更高的生产效率和良品率。
为实现上述目的，本发明提供了一种含固态电解质的扣式锂电池，包括电芯，所述电芯一侧装设有正极钢壳，另一侧设有负极钢壳，所述电芯由正极片和负极片相互交错堆叠而成，所述正极片包括正极集流体，所述正极集流体一侧表面涂覆有第一正极料层，另一侧表面涂覆有第二正极料层，所述第一正极料层上涂覆有第一固态电解质层，所述第二正极料层上涂覆有第二固态电解质层，所述正极集流体上装设有正极极耳，所述负极片包括负极集流体，所述负极集流体一侧表面涂覆有第一负极料层，另一侧表面涂覆有第二负极料层，所述第一负极料层上涂覆有第三固态电解质层，所述第二负极料层上涂覆有第四固态电解质层，所述负极集流体上装设有负极极耳。
作为优选的，所述负极片由负极集流体和负极极耳构成，所述负极集流体由锂箔材料构件制成，所述负极集流体的厚度在45-55um之间。
作为优选的，所述正极片与正极钢壳接触面为单面正极料，所述负极片与负极钢壳接触面为单面负极料。
作为优选的，所述电芯内部的所有正极极耳焊接在一起并焊接在正极钢壳表面上，所述电芯内部的所有负极极耳焊接在一起并焊接在负极钢壳表面上，所述电芯装入正极钢壳和负极钢壳之间，所述正极钢壳和负极钢壳密封连接。
作为优选的，所述正极集流体为铝箔集流体，所述负极集流体为铜箔集流体。
作为优选的，所述正极片和负极片的堆叠层数在2-200层之间。
本发明还提供一种含固态电解质的扣式锂电池的制造方法，包括以下步骤：
S1，制备固态电解质；将聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮按8:1的比例，溶解于N-甲基吡咯烷酮中，添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂作为锂盐，所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂中环氧乙烷和锂的比例为8:1，再添加导电纳米陶瓷粉末，所述导电纳米陶瓷粉末中氧化物组成为Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12，所述导电纳米陶瓷粉末中聚环氧乙烷质量在10-20％之间，进行匀浆分散，形成固态电解质；
S2，制备正极浆料；将正极活性物质(钴酸锂、磷酸铁锂、三元NCM)、碳黑Super-P、碳黑KS-6、聚偏氟乙烯按96:1：1.5:1.5的比例，溶解于N-甲基吡咯烷酮中，进行匀浆分散，混合均匀后聚环氧乙烷占活性物质的5％，再加入在S1中制得的固态电解质，并搅拌均匀，形成正极浆料；
S3，制备负极浆料；将负极活性物质(石墨、钛酸锂)、作为电剂的碳黑Super-P、作为粘结剂的羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液按96:1.5:1:1.5的比例，溶解于水中，进行匀浆分散，混合均匀后聚环氧乙烷占活性物质的5％，再加入在S1中制得的固态电解质，并搅拌均匀，形成负极浆料；
S4，制作正极片和负极片；
S5，在正极片上焊接正极极耳，在负极片上焊接负极极耳；
S6，将正极片和负极片进行堆叠形成电芯；
S7，将所有正极极耳焊接在一起并焊接在正极钢壳表面上，将所有负极极耳焊接在一起并焊接在负极钢壳表面上，所述电芯装入正极钢壳和负极钢壳之间，所述正极钢壳和负极钢壳密封连接。
作为优选的，步骤S4中制作正极片的制作步骤如下：
S41，将正极浆料涂覆在正极集流体的上下两面上，形成第一正极料层和第二正极料层，涂布成型烘干；
S42，将固态电解质涂覆在第一正极料层和第二正极料层表面上，形成第一固态电解质层和第二固态电解质层，涂布成型烘干；
S43，用冲片机将其冲切成相应的形状，制成正极片。
作为优选的，步骤S4中制作负极片的制作步骤如下：
S44，将负极浆料涂覆在负极集流体的上下两面上，形成第一负极料层和第二负极料层，涂布成型烘干；
S45，将固态电解质涂覆在第一负极料层和第二负极料层表面上，形成第三固态电解质层和第四固态电解质层，涂布成型烘干；
S46，用冲片机将其冲切成相应的形状，制成负极片。
作为优选的，步骤S6中所述正极片和负极片的堆叠层数在2-200层之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明在第一正极料层、第二正极料层、第一负极料层和第二负极料层都添加有固态电解质，可以减小固-固界面，从而提高固态电池的充放电倍率。
2、本发明正极片上涂覆有第一固态电解质层和第二固态电解质层，负极片上涂覆有第三固态电解质层和第四固态电解质层，从而取消了正负极制袋工艺，减小了扣式锂电池的体积，可以提高扣式锂电池的能量密度，同时可以提高生产效率又能提高电池的安全性能。
3、本发明的电芯由正极片和负极片相互交错堆叠而成，采用堆叠或者叠片工艺制作扣式锂电池，比卷绕工艺更加简单、实用，具有更高的生产效率和良品率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种含固态电解质的扣式锂电池的分解结构示意图；
图2是本发明提供的一种含固态电解质的扣式锂电池的正极片结构示意图；
图3是本发明提供的一种含固态电解质的扣式锂电池的负极片结构示意图；
图4是本发明提供的一种含固态电解质的扣式锂电池的负极集流体和负极极耳组装在一起的结构示意图。
在图中包括有：
1-电芯、2-正极钢壳、3-负极钢壳、4-正极片、5-负极片、41-正极集流体、42-第一正极料层、43-第二正极料层、44-第一固态电解质层、45-第二固态电解质层、46-正极极耳、51-负极集流体、52-第一负极料层、53-第二负极料层、54-第三固态电解质层、55-第四固态电解质层56-负极极耳。
具体实施方式
下面将结合本发明本实施方式中的附图，对本发明本实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的本实施方式是本发明的一种实施方式，而不是全部的本实施方式。基于本发明中的本实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他本实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参考图1至图4，本发明实施例一提供了一种含固态电解质的扣式锂电池，包括电芯1，所述电芯1一侧装设有正极钢壳2，另一侧设有负极钢壳3，所述电芯1由正极片4和负极片5相互交错堆叠而成，采用堆叠或者叠片工艺制作扣式锂电池，比卷绕工艺更加简单、实用，具有更高的生产效率和良品率。
如图2所示，所述正极片4包括正极集流体41，所述正极集流体41一侧表面涂覆有第一正极料层42，另一侧表面涂覆有第二正极料层43，所述第一正极料层42上涂覆有第一固态电解质层44，所述第二正极料层43上涂覆有第二固态电解质层45，所述正极集流体41上装设有正极极耳46，如图3所示，所述负极片5包括负极集流体51，所述负极集流体51一侧表面涂覆有第一负极料层52，另一侧表面涂覆有第二负极料层53，所述第一负极料层52上涂覆有第三固态电解质层54，所述第二负极料层53上涂覆有第四固态电解质层55，所述负极集流体51上装设有负极极耳56，所述正极片4上涂覆有第一固态电解质层44和第二固态电解质层45，所述负极片5上涂覆有第三固态电解质层54和第四固态电解质层55，从而取消了正负极制袋工艺，减小了扣式锂电池的体积，可以提高扣式锂电池的能量密度，同时可以提高生产效率又能提高电池的安全性能。
同时，所述第一正极料层42和第二正极料层43都添加有固态电解质，所述第一负极料层52和第二负极料层53都添加有固态电解质，使得扣式锂电池有更好的离子电导率和更小的固-固界面，从而使扣式锂电池具有更高的充放电倍率，通过叠片工艺制作的扣式锂电池能量密度更高，且提高了扣式锂电池的良品率和安全性。
如图1所示，所述正极片4与正极钢壳2接触面为单面正极料，所述负极片5与负极钢壳3接触面为单面负极料。
所述电芯1内部的所有正极极耳46焊接在一起并焊接在正极钢壳2表面上，所述电芯1内部的所有负极极耳56焊接在一起并焊接在负极钢壳3表面上，所述电芯1装入正极钢壳2和负极钢壳3之间，所述正极钢壳2和负极钢壳3密封连接。
所述正极集流体11为铝箔集流体，所述负极集流体12为铜箔集流体。
所述正极片4和负极片5的堆叠层数在2-200层之间，所述堆叠层数可根据实际情况进行选择，并非本实施例所限。
实施例二
本发明的实施例二提供了一种含固态电解质的扣式锂电池，本实施例二所述的扣式锂电池与上述实施例一所述的扣式锂电池的结构大部分相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：如图4所示，所述负极片5由负极集流体51和负极极耳56构成，所述负极集流体51由锂箔材料构件制成，所述负极集流体51的厚度在45-55um之间。
实施例三
本发明的实施例三提供了一种用于制作一种含固态电解质的扣式锂电池的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1，制备固态电解质；将聚环氧乙烷(PEO)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)按8:1的比例，溶解于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LITFSI)作为锂盐，所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂中环氧乙烷(EO)和锂(Li)的比例为8:1，再添加导电纳米陶瓷粉末(LLZTO)，所述导电纳米陶瓷粉末中氧化物组成为Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12，所述导电纳米陶瓷粉末中聚环氧乙烷(PEO)质量在10-20％之间，进行匀浆分散，形成固态电解质；
S2，制备正极浆料；将正极活性物质(钴酸锂、磷酸铁锂、三元NCM)、碳黑Super-P(SP)、碳黑KS-6、聚偏氟乙烯(PVDF)按96:1：1.5:1.5的比例，溶解于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，进行匀浆分散，混合均匀后聚环氧乙烷(PEO)占活性物质的5％，再加入在S1中制得的固态电解质，并搅拌均匀，形成正极浆料；
S3，制备负极浆料；将负极活性物质(石墨、钛酸锂)、作为电剂的碳黑Super-P(SP)、作为粘结剂的羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)乳液按96:1.5:1:1.5的比例，溶解于水中，进行匀浆分散，混合均匀后聚环氧乙烷(PEO)占活性物质的5％，再加入在S1中制得的固态电解质，并搅拌均匀，形成负极浆料；
S4，制作正极片4和负极片5；制作正极片4的制作步骤如下：
S41，将正极浆料涂覆在正极集流体41的上下两面上，形成第一正极料层42和第二正极料层43，涂布成型烘干；
S42，将固态电解质涂覆在第一正极料层42和第二正极料层43表面上，形成第一固态电解质层44和第二固态电解质层45，涂布成型烘干；
S43，用冲片机将其冲切成相应的形状，制成正极片4；
制作负极片5的制作步骤如下：
S44，将负极浆料涂覆在负极集流体51的上下两面上，形成第一负极料层52和第二负极料层53，涂布成型烘干；
S45，将固态电解质涂覆在第一负极料层52和第二负极料层53表面上，形成第三固态电解质层54和第四固态电解质层55，涂布成型烘干；
S46，用冲片机将其冲切成相应的形状，制成负极片5；
S5，在正极片4上焊接正极极耳46，在负极片5上焊接负极极耳56；
S6，将正极片4和负极片5进行堆叠形成电芯1；所述正极片4和负极片5的堆叠层数在2-200层之间，所述堆叠层数可根据实际情况进行选择，并非本实施例所限；
S7，将所有正极极耳46焊接在一起并焊接在正极钢壳2表面上，将所有负极极耳56焊接在一起并焊接在负极钢壳3表面上，所述电芯1装入正极钢壳2和负极钢壳3之间，所述正极钢壳2和负极钢壳3密封连接。
实施例四
本发明的实施例四提供了一种用于制作一种含固态电解质的扣式锂电池的制造方法，本实施例四所述的扣式锂电池的制造方法，与上述实施例三所述的扣式锂电池的制造方法，的步骤大部分相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：如图4所示，制作负极片5的制作步骤如下：所述负极片5由负极集流体51和负极极耳56构成，所述负极集流体51由锂箔材料构件制成，所述负极集流体51的厚度在45-55um之间，用冲片机将其冲切成相应的形状，制成负极片5。
综上所述，本发明的有益效果在于：
本发明在第一正极料层42、第二正极料层43、第一负极料层52和第二负极料层53都添加有固态电解质，可以减小固-固界面，从而提高固态电池的充放电倍率；本发明正极片4上涂覆有第一固态电解质层44和第二固态电解质层45，负极片5上涂覆有第三固态电解质层54和第四固态电解质层55，从而取消了正负极制袋工艺，减小了扣式锂电池的体积，可以提高扣式锂电池的能量密度，同时可以提高生产效率又能提高电池的安全性能；本发明的电芯1由正极片4和负极片5相互交错堆叠而成，采用堆叠或者叠片工艺制作扣式锂电池，比卷绕工艺更加简单、实用，具有更高的生产效率和良品率。

Claims (10)

1.一种含固态电解质的扣式锂电池，其特征在于，包括电芯(1)，所述电芯(1)一侧装设有正极钢壳(2)，另一侧设有负极钢壳(3)，所述电芯(1)由正极片(4)和负极片(5)相互交错堆叠而成，所述正极片(4)包括正极集流体(41)，所述正极集流体(41)一侧表面涂覆有第一正极料层(42)，另一侧表面涂覆有第二正极料层(43)，所述第一正极料层(42)上涂覆有第一固态电解质层(44)，所述第二正极料层(43)上涂覆有第二固态电解质层(45)，所述正极集流体(41)上装设有正极极耳(46)，所述负极片(5)包括负极集流体(51)，所述负极集流体(51)一侧表面涂覆有第一负极料层(52)，另一侧表面涂覆有第二负极料层(53)，所述第一负极料层(52)上涂覆有第三固态电解质层(54)，所述第二负极料层(53)上涂覆有第四固态电解质层(55)，所述负极集流体(51)上装设有负极极耳(56)。
2.根据权利要求1所述的一种含固态电解质的扣式锂电池，其特征在于，所述负极片(5)由负极集流体(51)和负极极耳(56)构成，所述负极集流体(51)由锂箔材料构件制成，所述负极集流体(51)的厚度在45-55um之间。
3.根据权利要求1所述的一种含固态电解质的扣式锂电池，其特征在于，所述正极片(4)与正极钢壳(2)接触面为单面正极料，所述负极片(5)与负极钢壳(3)接触面为单面负极料。
4.根据权利要求1所述的一种含固态电解质的扣式锂电池，其特征在于，所述电芯(1)内部的所有正极极耳(46)焊接在一起并焊接在正极钢壳(2)表面上，所述电芯(1)内部的所有负极极耳(56)焊接在一起并焊接在负极钢壳(3)表面上，所述电芯(1)装入正极钢壳(2)和负极钢壳(3)之间，所述正极钢壳(2)和负极钢壳(3)密封连接。
5.根据权利要求1所述的一种含固态电解质的扣式锂电池，其特征在于，所述正极集流体(11)为铝箔集流体，所述负极集流体(12)为铜箔集流体。
6.根据权利要求1所述的一种含固态电解质的扣式锂电池，其特征在于，所述正极片(4)和负极片(5)的堆叠层数在2-200层之间。
7.一种制作权利要求1-6任一种含固态电解质的扣式锂电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备固态电解质；将聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮按8:1的比例，溶解于N-甲基吡咯烷酮中，添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂作为锂盐，所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂中环氧乙烷和锂的比例为8:1，再添加导电纳米陶瓷粉末，所述导电纳米陶瓷粉末中氧化物组成为Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12，所述导电纳米陶瓷粉末中聚环氧乙烷质量在10-20％之间，进行匀浆分散，形成固态电解质；
S2，制备正极浆料；将正极活性物质(钴酸锂、磷酸铁锂、三元NCM)、碳黑Super-P、碳黑KS-6、聚偏氟乙烯按96:1：1.5:1.5的比例，溶解于N-甲基吡咯烷酮中，进行匀浆分散，混合均匀后聚环氧乙烷占活性物质的5％，再加入在S1中制得的固态电解质，并搅拌均匀，形成正极浆料；
S3，制备负极浆料；将负极活性物质(石墨、钛酸锂)、作为电剂的碳黑Super-P、作为粘结剂的羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液按96:1.5:1:1.5的比例，溶解于水中，进行匀浆分散，混合均匀后聚环氧乙烷占活性物质的5％，再加入在S1中制得的固态电解质，并搅拌均匀，形成负极浆料；
S4，制作正极片(4)和负极片(5)；
S5，在正极片(4)上焊接正极极耳(46)，在负极片(5)上焊接负极极耳(56)；
S6，将正极片(4)和负极片(5)进行堆叠形成电芯(1)；
S7，将所有正极极耳(46)焊接在一起并焊接在正极钢壳(2)表面上，将所有负极极耳(56)焊接在一起并焊接在负极钢壳(3)表面上，所述电芯(1)装入正极钢壳(2)和负极钢壳(3)之间，所述正极钢壳(2)和负极钢壳(3)密封连接。
8.根据权利要求7所述的一种含固态电解质的扣式锂电池的制造方法，其特征在于，步骤S4中制作正极片(4)的制作步骤如下：
S41，将正极浆料涂覆在正极集流体(41)的上下两面上，形成第一正极料层(42)和第二正极料层(43)，涂布成型烘干；
S42，将固态电解质涂覆在第一正极料层(42)和第二正极料层(43)表面上，形成第一固态电解质层(44)和第二固态电解质层(45)，涂布成型烘干；
S43，用冲片机将其冲切成相应的形状，制成正极片(4)。
9.根据权利要求7所述的一种含固态电解质的扣式锂电池的制造方法，其特征在于，步骤S4中制作负极片(5)的制作步骤如下：
S44，将负极浆料涂覆在负极集流体(51)的上下两面上，形成第一负极料层(52)和第二负极料层(53)，涂布成型烘干；
S45，将固态电解质涂覆在第一负极料层(52)和第二负极料层(53)表面上，形成第三固态电解质层(54)和第四固态电解质层(55)，涂布成型烘干；
S46，用冲片机将其冲切成相应的形状，制成负极片(5)。
10.根据权利要求7所述的一种含固态电解质的扣式锂电池的制造方法，其特征在于，步骤S6中所述正极片(4)和负极片(5)的堆叠层数在2-200层之间。
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