CN113793972B - 一种电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种电池及其制备方法，该电池包括：负极片，负极片包括多孔隙结构的负极集流体和负极活性物质，负极活性物质设置于负极集流体的表面及孔隙内，负极集流体上设置有负极极耳，负极片上设置有若干间隔布置的缝隙；正极片，正极片包括正极集流体和正极活性物质，正极活性物质设置于正极集流体的表面；正极片外表面包覆有隔膜，正极片设置于负极片的缝隙内，正极集流体具有与其相连的正极极耳，正极极耳伸出于隔膜外并从负极片的一侧表面伸出。本发明的电池可以提高电池的能量密度，同时也改善了电池的倍率性能。
Description
技术领域
本发明属于储能器件技术领域，具体涉及一种高能量密度电池及其制备方法。
背景技术
近年来，随着新能源汽车、5G通信等行业的蓬勃发展，极大地带动了新能源锂电行业的发展，人们对锂电池性能的要求也越来越高，锂电池能量密度性能的提升更是锂电池发展的重中之重，开发高能量密度锂电池势在必行。目前主要是通过开发新型高克容量主材，或是新型电池结构来提升电池的能量密度，如何能够提高电池的能量密度性能，并兼顾电池的倍率性能等其他方面电性能的改善是目前研发高能量密度锂电池需要解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高能量密度的电池及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种电池，包括：负极片，所述负极片包括多孔隙结构的负极集流体和负极活性物质，所述负极活性物质设置于所述负极集流体的表面及孔隙内，所述负极集流体上设置有负极极耳，所述负极片上设置有若干间隔布置的缝隙；插设于所述缝隙内的正极片，所述正极片包括正极集流体和正极活性物质，所述正极活性物质设置于所述正极集流体的表面，所述正极片外表面包覆有隔膜，所述正极集流体上设置有正极极耳，所述正极极耳伸出于所述隔膜外并从所述负极片的一侧表面伸出。
可选的，所述负极集流体的厚度为10mm～200mm。
可选的，所述负极集流体的孔隙率为50％～85％。
可选的，所述缝隙沿所述负极集流体的长度方向间隔设置，并沿所述负极集流体的宽度方向延伸。
可选的，所述正极片垂直或倾斜插入所述负极片中。
可选的，所述负极集流体采用石墨烯纤维或碳纳米管纤维或导电橡胶纤维或导电塑料纤维或导电纤维织物制成，或者采用铜、铝、银、镍或其合金纤维制成。
可选的，所述负极片的露出所述正极极耳的表面上设置有导电片，所述导电片和所述正极极耳相连。
可选的，所述导电片和所述负极片之间设置有绝缘胶。
可选的，嵌设于所述负极片中的正极片的数量＝负极集流体的长度/(正极片的厚度×1.5)。
可选的，单片正极片的面积为正极片嵌入位置处负极集流体截面面积的90～98％。
本发明还提供了前述锂电池的制备方法，包括以下步骤：
制备极片；制备带隔膜的正极片，将正极活性物质、粘结剂、导电剂配制成正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体表面，干燥辊压后制得正极片，在正极片的外表面包覆隔膜；制备带缝隙的负极片，将负极活性物质、粘结剂、导电剂配制成负极浆料，将负极浆料以喷涂或浸泡的方式涂覆或填充在多孔隙结构的负极集流体表面以及孔隙内，干燥后得到负极片，在负极片上加工若干用于插设正极片的缝隙；
组装极片；将正极片插入负极片的缝隙中；
封装注液；用铝塑膜将组装好的正、负极片进行封装，干燥后注入电解液，制得锂电池。
由以上技术方案可知，本发明采用具有一定厚度的多孔隙材料作为负极片集流体，集流体中具有孔隙结构，从而形成一种可以在集流体表面及内部填充活性材料颗粒的“导电海绵体”结构，相比于常规的箔材集流体，这种“导电海绵体”结构提高了活性物质的负载量，并可以具有吸收和存储电解液的作用，从而提升了电池的能量密度以及容量；同时，在厚的负极片中加工可以嵌入正极片的缝隙，将正极片插入到负极片内部，使得正、负极片的接触更为紧密，缩短了正、负极片间锂离子的传输距离，可以有效降低电池内阻，使电池的倍率性能得到提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例电池的结构示意图；
图2为沿图1中A-A线的剖视图。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1和图2所示，本发明的锂电池包括负极集流体1、负极活性物质2、正极集流体3、正极活性物质4、隔膜5及导电片6。负极集流体1上具有孔隙结构，负极活性物质2涂覆在负极集流体1的表面以及填充在负极集流体1的孔隙内部，形成负极片。正极活性物质4涂覆在正极集流体3的表面上，形成正极片。隔膜5包覆在正极片的外表面。在负极集流体1内加工有若干可嵌入正极片的缝隙，这些缝隙沿负极集流体1的长度方向间隔设置，并沿负极集流体1的宽度方向延伸。若干片包覆了隔膜5的正极片插设在负极片内部的缝隙中，包覆在正极片外围的隔膜5将正极片和负极片隔开。正极片可以是垂直插入负极片中，或者倾斜插入负极片中。负极集流体1的端部具有和负极集流体1相连并突出于负极集流体1的负极极耳1a。本实施例的正极极耳3a为正极集流体3上的一段空箔，正极极耳3a从正极片的一端沿正极片的插设方向伸出于包裹在正极片外的隔膜5之外，并露出于负极片的表面，导电片6设置在负极片的露出正极极耳3a的表面上，并与正极极耳3a相连。在导电片6和负极片之间设置有绝缘胶7。
本发明的负极集流体可采用石墨烯纤维、碳纳米管纤维、导电橡胶纤维、导电塑料纤维、导电纤维织物等非金属导电材料制成，或者铜、铝、银、镍等金属纤维或合金纤维制成。负极集流体的厚度为10mm～200mm，孔隙率为50％～85％。负极活性物质可为钛酸锂、锂粉、铝粉、金属氧化物、人造石墨、天然石墨、硅、硅合金、硫、硫合金、硅碳等材料，将负极活性物质和导电剂、粘结剂配制成负极浆料后，通过喷涂、浸泡等的方式将负极活性物质复合在负极集流体的表面及内部孔隙内。正极集流体可采用不锈钢、铝、银、镍等金属箔材，正极活性物质可为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍锰钴酸锂、镍锰钴铝酸锂、镍钴酸锂、富锂锰等材料。将正极活性物质和导电剂、粘结剂配制成负极浆料后，涂覆在正极集流体的表面。
本发明采用厚负极片，并通过负极集流体的内部孔隙可以存储更多的负极活性物质，从而增加了负极活性物质在负极集流体上的负载量，而且负极集流体还具有储存电解液的能力，可以补充电池充放电过程中所消耗的电解液，有利于提升电池的循环性能。
将正极片嵌入到负极片内部，可以使负极与正极接触更为紧密，并缩短了正负极间锂离子的传输路径，减小了电池内阻，从而提升电池倍率性能。嵌入在负极片中的正极片的数量根据负极片的长度及正极片的厚度相应调整，可选的，正极片的数量＝负极集流体的长度L/(正极片的厚度w×1.5)。单片正极片的面积为正极片嵌入位置处负极集流体截面面积的90～98％，即如图2所示，正极片的面积小于负极集流体的厚度a×负极集流体的宽度b。
下面通过具体实施例对本发明电池的制备进行说明。
实施例1
制备带隔膜的正极片；配制正极浆料，将钴酸锂(正极活性物质)、聚偏氟乙烯(粘结剂)、乙炔黑(导电剂)以97％∶2％∶1％的比例(质量百分比)配制成正极浆料，配得的正极浆料固含量为75％；将正极浆料涂覆在正极集流体(铝箔)的两侧表面，然后将涂覆后的正极集流体进行干燥和辊压，制得正极片，正极片的面密度为180mg/cm2，再通过热压复合将隔膜热封复合到正极片上，制得带有隔膜的正极片
制备带缝隙的负极片；采用石墨烯纤维材料制备负极集流体，本实施例的负极集流体的孔隙率为35％，厚度为50mm，宽度为25mm，长度为35mm，正极片嵌入位置处负极集流体截面面积为50×25＝1250mm，本实施例单片正极片的面积为正极片嵌入位置处负极集流体截面面积95％；配制负极浆料，将石墨(负极活性物质)、聚偏氟乙烯(粘结剂)、乙炔黑(导电剂)以96％∶2％∶2％的比例配制成负极浆料，配得的负极浆料固含量为45％，将负极集流体浸泡到负极浆料里，使负极集流体的内部孔隙及外部都负载有负极活性物质，然后进行干燥，制得负极片；在负极片上用激光切割的方式加工出若干个用于插设正极片的缝隙；
将带有隔膜的正极片通过缝隙插入到负极片内部，在负极片露出正极极耳一侧的表面上涂覆绝缘胶，防止正极极耳与负极片相接触导致内部短路，并将所有的正极极耳激光焊接到导电片上；
用铝塑膜封装成电池，将封装后的电池放入干燥箱内进行真空干燥，干燥箱温度为60～100℃，真空干燥时间为3～24h，真空干燥后注入电解液，制得锂电池。电解液可根据使用要求，使用低温、高温、高倍率等常规或功能性电解液。
实施例2至8
实施例2至8与实施例1不同的地方在于负极集流体的孔隙率，实施例2至8的负极集流体的孔隙率分别为：45％、50％、60％、70％、85％、90％和95％。
实施例9
实施例9和实施例1不同的地方在于：负极集流体的厚度为35mm，孔隙率为60％。
实施例10至13
实施例10至13和实施例9不同的地方在于负极集流体的厚度，实施例10至13的负极集流体的厚度分别为40mm、60mm、70mm、80mm。
对比例1
对比例1和实施例1不同的地方在于：对比例1分别采用铜箔和铝箔作为负极集流体和正极集流体，采用常规工艺制备正、负极片，将负极浆料涂覆在铜箔上，正极浆料涂覆在铝箔上，然后将正极片、隔膜、负极片一起制成常规结构的电芯，制得的电芯的厚度为35mm。将电芯封装注液后制得电池。
对比例2至5
对比例2至5和对比例1不同的地方在于电芯的厚度，对比例2至5制得的电芯的厚度分别为：40mm、50mm、60mm和70mm。
将实施例1至13和对比例1至5制成的电池进行电化学性能测试，测试结果见表1。其中，5C倍率性能的计算方式为：电池5C放电容量/电池0.2C放电容量＝电池5C放电倍率，能量密度计算方式为：电池平台电压*电池0.2C容量/电池体积＝电池能量密度
表1
| 负极集流体厚度 | 负极集流体孔隙率 | 5C倍率性能 | 能量密度 | |
| 对比例1 | / | / | 70％ | 450Wh/L |
| 对比例2 | / | / | 60％ | 470Wh/L |
| 对比例3 | / | / | 55％ | 480Wh/L |
| 对比例4 | / | / | 50％ | 490Wh/L |
| 对比例5 | / | / | 40％ | 510Wh/L |
| 实施例1 | 50 | 35％ | 60％ | 510Wh/L |
| 实施例2 | 50 | 45％ | 65％ | 550Wh/L |
| 实施例3 | 50 | 50％ | 80％ | 570Wh/L |
| 实施例4 | 50 | 60％ | 83％ | 610Wh/L |
| 实施例5 | 50 | 70％ | 86％ | 650Wh/L |
| 实施例6 | 50 | 85％ | 88％ | 680Wh/L |
| 实施例7 | 50 | 90％ | 88％ | 683Wh/L |
| 实施例8 | 50 | 95％ | 89％ | 687Wh/L |
| 实施例9 | 35 | 60％ | 89％ | 520Wh/L |
| 实施例10 | 40 | 60％ | 85％ | 540Wh/L |
| 实施例11 | 60 | 60％ | 81％ | 630Wh/L |
| 实施例12 | 70 | 60％ | 79％ | 650Wh/L |
| 实施例13 | 80 | 60％ | 77％ | 670Wh/L |
由以上测试结果可以看出，对于常规结构的电池来说，电芯厚度增加后，能量密度也会得到提升，但随着电芯厚度的增加，锂离子的传输路径会变长，导致电池的倍率性能下降，两种性能无法兼顾。而和电芯厚度对应的常规结构的电池相比，本发明电池的倍率性能和能量密度都得到了提升。同时从表1还可以看出，负极集流体的厚度相同时，随着负极集流体的孔隙率的增加，负极集流体的活性物质负载量也会增加，从而能量密度得到提升，同时由于孔隙率的增加，降低了锂离子的传输距离，倍率性能也会提升；但当负极集流体的孔隙率超过85％后，能量密度和倍率性能的提升十分有限，生产价值不大。而在负极集流体的孔隙率相同的情况下，随着负极集流体厚度的增加，其所负载的活性物质量也增加，从而能量密度得到提升，但正极片的宽度h也会随负极集流体厚度的增加而增加，导致锂离子的传输路径变长，倍率性能会慢慢降低。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (10)
1.一种电池，其特征在于，包括：
负极片，所述负极片包括多孔隙结构的负极集流体和负极活性物质，所述负极活性物质设置于所述负极集流体的表面及孔隙内，所述负极集流体上设置有负极极耳，所述负极片内设置有若干间隔布置的缝隙，所述缝隙沿所述负极集流体的长度方向间隔设置，并沿所述负极集流体的宽度方向延伸；
插设于所述缝隙内的正极片，所述正极片通过所述缝隙插入到所述负极片的内部，所述正极片包括正极集流体和正极活性物质，所述正极活性物质设置于所述正极集流体的表面，所述正极片外表面包覆有隔膜，所述正极集流体上设置有正极极耳，所述正极极耳伸出于所述隔膜外并从所述负极片的一侧表面伸出。
2.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述负极集流体的厚度为10mm～200mm。
3.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述负极集流体的孔隙率为50%～85%。
4.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述正极片垂直或倾斜插入所述负极片中。
5.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述负极集流体采用石墨烯纤维或碳纳米管纤维或导电橡胶纤维或导电塑料纤维或导电纤维织物制成，或者采用铜、铝、银、镍金属纤维或合金纤维制成。
6.如权利要求1所述的电池，其特征在于：所述负极片的露出所述正极极耳的表面上设置有导电片，所述导电片和所述正极极耳相连。
7.如权利要求6所述的电池，其特征在于：所述导电片和所述负极片之间设置有绝缘胶。
8.如权利要求1所述的电池，其特征在于：嵌设于所述负极片中的正极片的数量=负极集流体的长度/(正极片的厚度×1.5)。
9.如权利要求1所述的电池，其特征在于：单片正极片的面积为正极片嵌入位置处负极集流体截面面积的90～98%。
10.如权利要求1至9任一项所述的电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备极片；制备带隔膜的正极片，将正极活性物质、粘结剂、导电剂配制成正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体表面，干燥辊压后制得正极片，在正极片的外表面包覆隔膜；制备带缝隙的负极片，将负极活性物质、粘结剂、导电剂配制成负极浆料，将负极浆料涂覆、填充在多孔隙结构的负极集流体表面以及孔隙内，干燥后得到负极片，在负极片内加工若干用于插设正极片的缝隙，所述缝隙沿所述负极集流体的长度方向间隔设置，并沿所述负极集流体的宽度方向延伸；
组装极片；将正极片插入负极片的缝隙中；
封装注液；用铝塑膜将组装好的正、负极片进行封装，干燥后注入电解液，制得电池。
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