CN113130973A - 一种锂离子电池、制备方法及电池组 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种锂离子电池、制备方法及电池组，锂离子电池即纸片电池包括一片正极片、一片隔膜、一片负极片堆叠及外包装封装而成，外包装不仅作为封装层，也是集流体；制备方法包括正极片的制备、负极片的制备及纸片电池的组装；锂离子电池组，采用上述纸片电池串联或并联而成。本发明采用新的封装方式，不再使用Tab片。新的封装方式节约了Tab片的空间，提高了电池的能量密度，同时散热快。此外，该封装方式便于异形电池的制作。本发明可使电芯材料成本下降17％；可使电芯制造成本下降30％；电芯体积能量密度提高20％，质量能量密度提高5％；电池安全性更容易保障。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池、制备方法及电池组。
背景技术
现有锂离子电池一般采用钢壳、铝壳以及铝塑膜等方式封装，通过金属集流体外接Tab片连接荷载，从而实现锂离子电池的充放电。Tab片需占据空间和重量，降低了电池能量密度。同时，Tab片的焊接及极耳预焊极大地影响着电池的品质和FTY。
发明内容
为了克服Tab片的影响，本发明提出一种新的锂离子电池、制备方法，不再使用Tab片，新的封装方式节约了Tab片的空间，提高了电池的能量密度，同时散热快。此外，该封装方式便于异形电池的制作。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种锂离子电池包括一片正极片、一片隔膜、一片负极片堆叠及外包装封装而成，其特点在于：外包装不仅作为封装层，也是集流体。
进一步的，所述正极片或者负极片，由活性材料层和集流体构成。
进一步的，所述活性材料层由活性物质、导电剂和电解液经干混、成型所得到，其厚度为100～600um。
进一步的，所述集流体包括正极集流体和负极集流体；
所述正极集流体为厚度为14～200um的Al箔或者导电聚合物的有机集流体；
负极集流体为厚度为8～150um的Cu箔、Ni箔、Cu/Al复合箔或者导电聚合物的有机集流体。
进一步的，所述集流体上涂一层导电碳层。
进一步的，所述活性物质包括正极活性物质和负极活性物质；
正极活性物质为磷酸铁锂(LFP)、镍钴锰酸锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基材料、钛酸锂、钴酸锂、镍酸锂、磷酸钒锂中的一种或混合物，占80～98wt％；
负极活性物质为人造石磨、天然石墨、中间相炭微球、硅、硅碳、硅氧、软碳、硬碳，占85～99wt％。
进一步的，所述导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、气相碳纤维中的一种或者混合物。
进一步的，所述的导电碳层厚度为0.5～10um，组分是导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、气相碳纤维中的一种或者混合物。
进一步的，所述封装为采用厚度为60～300um的MPP/PP/MPP薄膜或者MPP薄膜，经160-190℃热封实现。
另一方面，本发明公开一种锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
1)正极片的制备
将正极活性物质和导电剂预混，其中正极活性物质为磷酸铁锂(LFP)、镍钴锰酸锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基材料、钛酸锂、钴酸锂、镍酸锂、磷酸钒锂中的一种或混合物，占80～98wt％，导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、气相碳纤维中的一种或者混合物；然后加入电解液真空干混，其中电解液占10～30wt％；经成型，得到正极活性材料层；最后转移到集流体上，得到正极片，其中集流体为厚度为14～200um的Al箔或者导电聚合物的有机集流体；
2)负极片的制备
将负极活性物质和导电剂预混，其中负极活性物质为人造石磨、天然石墨、中间相炭微球、硅、硅碳、硅氧、软碳、硬碳，占85～99wt％；然后加入电解液真空干混，其中电解液占10～35wt％；经成型，得到负极活性材料层；最后转移到一定厚度的集流体上，得到负极片，其中集流体厚度为8～150um的Cu箔、Ni箔、Cu/Al复合箔或者导电聚合物的有机集流体；
3)纸片电池的组装
按照正极片、隔膜、负极片的顺序堆叠在一起，其中负极活性材料层四周超出正极活性材料层1～3mm，隔膜四周超出负极活性材料层1～3mm，电池四周的封装采用厚度为60～300um的MPP/PP/MPP薄膜，经热封实现。
进一步的，负极片的制备中，加入电解液真空干混时搅拌温度在10℃以下。
进一步的，纸片电池组装时的热封温度为160-190℃。
又一方面本发明还公开一种锂离子电池组，采用上述的锂离子电池串联或并联而成。
由上述技术方案可知，本发明采用新的封装方式，不再使用Tab片。新的封装方式节约了Tab片的空间，提高了电池的能量密度，同时散热快。此外，该封装方式便于异形电池的制作。
本发明的锂离子电池具有以下有益效果：
1.可使电芯材料成本下降17％；
2.可使电芯制造成本下降30％；
3.电芯体积能量密度提高20％，质量能量密度提高5％；
4.电池安全性更容易保障。
附图说明
图1是本发明的锂离子电池即纸片电池结构示意图；
图2是本发明的串联电池组示意图；
图3是本发明的并联电池组示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本实施例所述的锂离子电池，包括一片正极片、一片隔膜、一片负极片堆叠及外包装封装而成，外包装不仅作为封装层，也是集流体。
其中，所述正极片或者负极片，由活性材料层和集流体构成；
所述活性材料层由活性物质、导电剂和电解液经干混、成型所得到，其厚度为100～600um。所述集流体包括正极集流体和负极集流体；
所述正极集流体为厚度为14～200um的Al箔或者导电聚合物的有机集流体；
负极集流体为厚度为8～150um的Cu箔、Ni箔、Cu/Al复合箔或者导电聚合物的有机集流体。
所述集流体上涂一层导电碳层，所述的导电碳层厚度为0.5～10um，组分是导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、气相碳纤维中的一种或者混合物。
所述活性物质包括正极活性物质和负极活性物质；
正极活性物质为磷酸铁锂(LFP)、镍钴锰酸锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基材料、钛酸锂、钴酸锂、镍酸锂、磷酸钒锂中的一种或混合物，占80～98wt％；
负极活性物质为人造石磨、天然石墨、中间相炭微球、硅、硅碳、硅氧、软碳、硬碳，占85～99wt％。
所述导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、气相碳纤维中的一种或者混合物。
所述封装为采用厚度为60～300um的MPP/PP/MPP薄膜或者MPP薄膜，经160-190℃热封实现。
以下是上述锂离子电池的制备方法：
分别制备厚度为100～600um的正极片，厚度为100～600um的负极片，按照正极片、隔膜和负极片的顺序先叠片再封装四周，其中正/负极片分别由集流体即正集流体1-1/负集流体1-3和活性材料层即正极活性材料层1-2/负极活性材料层1-4组成，得到厚度不超过2mm的锂离子电池(如图1)。此锂离子电池外壳不仅是封装层，也是集流体，其中正集流体可以是厚度为14～200um的Al，负集流体可以厚度为8～150um的Cu，Ni，Cu/Al，此外，正/负集流体也可以为材质为导电聚合物的有机集流体。为了改善集流体和活性材料层的结合和导电性，靠近活物材料层一侧集流体上可以涂上厚度为0.5～10um的碳导电层，可以是导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、气相碳纤维中的一种或者混合物。为了防止正负极片短路，密封处采用厚度不小于60～300um，宽度超出重叠部位的MPP薄膜或者MPP/PP/MPP薄膜1-6，经160～200℃热处理实现密封。
通过叠加电芯实现电池组的串联如图2所示；通过外引电极和绝缘片，也可以实现电池组的并联如图3。
具体制备步骤如下：
1)正极片的制备
将正极活性物质和导电剂预混，其中正极活性物质为磷酸铁锂(LFP)、镍钴锰酸锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基材料、钛酸锂、钴酸锂、镍酸锂、磷酸钒锂中的一种或混合物，占80～98wt％，导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、气相碳纤维中的一种或者混合物；然后加入电解液真空干混(要求搅拌温度10℃以下)，其中电解液占10～30wt％；经成型，得到正极活性材料层；最后转移到一定厚度的集流体上，得到正极片，其中集流体为厚度为14～200um的Al箔或者导电聚合物的有机集流体。
2)负极片的制备
将负极活性物质和导电剂预混，其中负极活性物质为人造石磨、天然石墨、中间相炭微球、硅、硅碳、硅氧、软碳、硬碳，占85～99wt％；然后加入电解液真空干混(要求搅拌温度10℃以下)，其中电解液占10～35wt％；经成型，得到负极活性材料层；最后转移到一定厚度的集流体上，得到负极片，其中集流体厚度为8～150um的Cu箔、Ni箔、Cu/Al复合箔或者导电聚合物的有机集流体。
3)锂离子电池的组装
按照正极片、隔膜、负极片的顺序堆叠在一起，其中负极活性材料层四周超出正极活性材料层1～3mm，隔膜四周超出负极活性材料层1～3mm，电池四周的封装采用厚度为60～300um的MPP/PP/MPP薄膜，经160-190℃热封实现。
以下具体举例说明：
实施例1
将42.43g LFP和1.31g科琴黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液13.47g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃),经模具成型，转移至厚度为20um的Al箔上，裁剪得到正极片；将20.20g石墨和0.31g导电炭黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液7.15g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃)，经模具成型，转移至厚度为10um的Cu箔上，裁剪得到负极片；按照正极片、隔膜、负极片的顺序堆叠在一起；采用厚度为30um/50um/30um的MPP/PP/MPP薄膜在185℃热封5s实现封装；经整平得到最终电池。
实施例2
将42.43g LFP和1.31g科琴黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液16.46g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃),经模具成型，转移至厚度为20um的Al箔上，裁剪得到正极片；将20.20g石墨和0.31g导电炭黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液8.80g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃)，经模具成型，转移至厚度为10um的Cu箔上，裁剪得到负极片；按照正极片、隔膜、负极片的顺序堆叠在一起；采用厚度为30um/50um/30um的MPP/PP/MPP薄膜在185℃热封5s实现封装；经整平得到最终电池。
实施例3
将42.43g LFP和1.31g科琴黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液13.47g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃),经模具成型，转移至厚度为100um的Al箔上，裁剪得到正极片；将20.20g石墨和0.31g导电炭黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液7.15g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃)，经模具成型，转移至厚度为50um的Cu箔上，裁剪得到负极片；按照正极片、隔膜、负极片的顺序堆叠在一起；采用厚度为30um/50um/30um的MPP/PP/MPP薄膜在185℃热封5s实现封装；经整平得到最终电池。
实施例4
将30.84g NCM811和0.47g科琴黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液5.00g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃),经模具成型，转移至厚度为100um的Al箔上，裁剪得到正极片；将20.20g石墨和0.31g导电炭黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液7.15g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃)，经模具成型，转移至厚度为50um的Cu箔上，裁剪得到负极片；按照正极片、隔膜、负极片的顺序堆叠在一起；采用厚度为30um/50um/30um的MPP/PP/MPP薄膜在185℃热封5s实现封装；经整平得到最终电池。
实施例5
将42.43g LFP和1.31g科琴黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液13.47g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃),经模具成型，转移至厚度为20um的Al箔上，裁剪得到正极片；将20.20g石墨和0.31g导电炭黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液7.15g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃)，经模具成型，转移至厚度为10um的Cu箔上，裁剪得到负极片；按照正极片、隔膜、负极片的顺序堆叠在一起；采用厚度为110um的MPP薄膜在165℃热封5s实现封装；经整平得到最终电池。
实施例6
将42.43g LFP和1.31g科琴黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液13.47g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃),经模具成型，转移至厚度为22um的Al箔上,其中导电碳层厚度为2um，裁剪得到正极片；将20.20g石墨和0.31g导电炭黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液7.15g真空干混10min(开冷却水，保持温度<10℃)，经模具成型，转移至厚度为12um的Cu箔上，其中导电碳层厚度为2um，裁剪得到负极片；按照正极片、隔膜、负极片的顺序堆叠在一起；采用厚度为30um/50um/30um的MPP/PP/MPP薄膜在185℃热封5s实现封装；经整平得到最终电池。
对比例1
将42.43g LFP和1.31g科琴黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液13.47g真空干混10min(开冷却水，保持温度30℃),经模具成型，转移至厚度为20um的Al箔上，裁剪得到正极片；将20.20g石墨和0.31g导电炭黑加入到搅拌罐预混10min，再加入电解液7.15g真空干混10min(开冷却水，保持温度30℃)，经模具成型，转移至厚度为10um的Cu箔上，裁剪得到负极片；按照正极片、隔膜、负极片的顺序堆叠在一起；采用厚度为30um/50um/30um的MPP/PP/MPP薄膜在185℃热封5s实现封装；经整平得到最终电池。
综上，本发明实施例的有益效果是，电芯材料成本下降17％，电芯制造成本下降30％，电芯体积能量密度提高20％，质量能量密度提高5％，电池安全性更容易保障。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (13)
1.一种锂离子电池，包括一片正极片、一片隔膜、一片负极片堆叠及外包装封装而成，其特征在于：外包装不仅作为封装层，也是集流体。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极片或者负极片，由活性材料层和集流体构成。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于：所述活性材料层由活性物质、导电剂和电解液经干混、成型所得到，其厚度为100～600um。
4.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于：所述集流体包括正极集流体和负极集流体；
所述正极集流体为厚度为14～200um的Al箔或者导电聚合物的有机集流体；
负极集流体为厚度为8～150um的Cu箔、Ni箔、Cu/Al复合箔或者导电聚合物的有机集流体。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于：
所述集流体上涂一层导电碳层。
6.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于：
所述活性物质包括正极活性物质和负极活性物质；
正极活性物质为磷酸铁锂(LFP)、镍钴锰酸锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基材料、钛酸锂、钴酸锂、镍酸锂、磷酸钒锂中的一种或混合物，占80～98wt％；
负极活性物质为人造石磨、天然石墨、中间相炭微球、硅、硅碳、硅氧、软碳、硬碳，占85～99wt％。
7.根据权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于：所述导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、气相碳纤维中的一种或者混合物。
8.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于：所述的导电碳层厚度为0.5～10um，组分是导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、气相碳纤维中的一种或者混合物。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述封装为采用厚度为60～300um的MPP/PP/MPP薄膜或者MPP薄膜，经160-190℃热封实现。
10.一种锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)正极片的制备
将正极活性物质和导电剂预混，其中正极活性物质为磷酸铁锂(LFP)、镍钴锰酸锂、锰酸锂、镍钴铝酸锂、富锂锰基材料、钛酸锂、钴酸锂、镍酸锂、磷酸钒锂中的一种或混合物，占80～98wt％，导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、气相碳纤维中的一种或者混合物；然后加入电解液真空干混，其中电解液占10～30wt％；经成型，得到正极活性材料层；最后转移到集流体上，得到正极片，其中集流体为厚度为14～200um的Al箔或者导电聚合物的有机集流体；
2)负极片的制备
将负极活性物质和导电剂预混，其中负极活性物质为人造石磨、天然石墨、中间相炭微球、硅、硅碳、硅氧、软碳、硬碳，占85～99wt％；然后加入电解液真空干混，其中电解液占10～35wt％；经成型，得到负极活性材料层；最后转移到一定厚度的集流体上，得到负极片，其中集流体厚度为8～150um的Cu箔、Ni箔、Cu/Al复合箔或者导电聚合物的有机集流体；
3)纸片电池的组装
按照正极片、隔膜、负极片的顺序堆叠在一起，其中负极活性材料层四周超出正极活性材料层1～3mm，隔膜四周超出负极活性材料层1～3mm，电池四周的封装采用厚度为60～300um的MPP/PP/MPP薄膜，经热封实现。
11.根据权利要求10所述的一种锂离子电池的制备方法，其特征在于，负极片的制备中，加入电解液真空干混时搅拌温度在10℃以下。
12.根据权利要求10所述的一种锂离子电池的制备方法，其特征在于，纸片电池组装时的热封温度为160-190℃。
13.一种锂离子电池组，其特征在于：采用权利要求1-9所述的锂离子电池串联或并联而成。
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