CN114122313A - 一种超薄有机复合电源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种超薄有机复合电源及其制备方法，属于锂电池技术领域；有机复合电源包括有机复合正极、负极、极耳、隔膜、电解液、铝塑膜；负极装入口袋结构的隔膜中；所述有机复合正极为V型折叠结构；所述极耳分别采用导电胶粘接在有机复合正极与负极上；将装入隔膜的负极装夹于机复合正极的V型内形成电芯；所述铝塑膜包覆于电芯外，其内注有电解液。其将具备电化学特性的一类含有羰基的有机化合物与二氧化锰复合成正极活性材料，并采用正极V型设计、电芯一体化设计，实现超薄化，相比于现有超薄电源体系具有更优越的能量密度，易于操作。

Description

一种超薄有机复合电源及其制备方法
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种超薄有机复合电源及其制备方法。
背景技术
随着动态密码智能卡(OTP)、电子标签(RFID，射频识别)、无线传感器节点等超薄类卡(卡片厚度0.7mm～1.2mm)市场的迅速扩大，对相关设备中的电源也提出了较高的要求，尤其是厚度要求超薄化(0.4mm～0.8mm)，能量密度高、自放电率低、尺寸可随终端产品外形实现定制等。因此，迫切需要具备超薄化的高性能电池为其提供能量，保障终端设备稳定输出。
目前，作为超薄类卡片的电源方案集中在一次超薄锂锰电池、超薄锂离子电池，主要通过集流体基材的调整、内部组件的薄型设计实现电池尺寸厚度小于0.5mm。如CN109935745A公开了一种一次锂锰超薄电池及其制备方法，采用铝塑膜冲坑方式将带有导电胶的正极、负极、隔膜粘贴集成，具备量产导入简便的优点。专利CN 111613839 A公开了一种新型超薄电池及其制备工艺，采用钴酸锂/锰酸锂/镍钴锰/磷酸铁锂作为正极体系，使用卷绕工艺成型电芯，具备加工简单的优点。所述专利都是针对传统锂锰、锂离子体系工艺设计来实现电源易于量产超薄化，对于高性能的有机复合体系的超薄化设计，目前尚未公布有效的制备方法。综上，现有超薄体系往往采用涂胶叠片或卷绕工艺实现，因此所制备的电源内阻较高，引起电源的功率密度不足。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种超薄有机复合电源及其制备方法，该电源包括有机复合材料、正极基材、负极、隔膜、极耳、电解液和铝塑膜，厚度小于或等于0.5mm，一体化设计，能量密度高，易于操作。
本发明的技术方案是：一种超薄有机复合电源，其特征在于:包括有机复合正极、负极、极耳、隔膜、电解液、铝塑膜；所述负极装入口袋结构的隔膜中；所述有机复合正极为V型折叠结构；所述极耳分别采用导电胶粘接在有机复合正极与负极上；将装入隔膜的负极装夹于机复合正极的V型内形成电芯；所述铝塑膜包覆于电芯外，其内注有电解液。
本发明的进一步技术方案是：所述有机复合正极是将有机复合材料涂敷于正极基材上得到的。
本发明的进一步技术方案是：所述有机复合材料的制备方法具体步骤为：
步骤1：将有机化合物与碳酸锂在研钵中均匀混合，所述有机化合物为含有共轭羰基的有机物；
步骤2:将去离子水中加入至步骤1的混合物，超声≥2h，再用磁力搅拌器搅拌24h；搅拌后离心≥10min，转速≥10000rpm；
步骤3：将步骤2得到的产物用无水乙醇清洗3～6次，然后真空烘箱烘干，温度50～70℃；
步骤4：将步骤3制备的粉末在惰性气体下高温煅烧≥24h，研磨后得到有机材料；
步骤5：将步骤4的有机材料按照正极物料配比，制成混合浆料，利用浆料制备得到所述有机复合材料；
所述正极物料配比为，有机材料：二氧化锰：导电碳黑：聚偏氟乙烯＝25％-45％：25％-45％：5％-30％：5％-10％，余量为溶剂；所述二氧化锰为电解二氧化锰高温350～420℃，煅烧15～18h；所述溶剂为NMP，即N-甲基吡咯烷酮。
本发明的进一步技术方案是：所述正极基材为8～15um的镍箔或不锈钢箔材。
本发明的进一步技术方案是：所述负极是厚度为0.045mm的锂金属或锂铝合金。
本发明的进一步技术方案是：所述隔膜是由25um的PP聚丙烯+PE聚乙烯构成的两层复合材料。
本发明的进一步技术方案是：所述电解液的溶质为LiTFSI双三氟甲烷磺酰亚胺锂或LiFSI双氟磺酰亚胺锂，溶剂为PC碳酸丙烯酯、DME1,2-二甲氧基乙烷。
本发明的进一步技术方案是：所述铝塑膜是由88um的PA尼龙+Al铝+PP聚丙烯构成的三层复合材料。
一种超薄有机复合电源的制备方法,其特征在于具体步骤如下：
步骤一：涂布：将所述有机复合材料以单面涂布方式涂敷于所述正极基材上，涂敷厚度100～110um；
步骤二：制片：将步骤一制备的有机复合正极片进行辊压，辊压气压0.4～0.6MPa，辊压两次；
步骤三：裁切：将步骤二制备的有机复合正极片放置于刀模裁切，取所述有机复合正极片任一边角清粉，尺寸为3×3mm；
将所述负极放置于刀模裁切；
将所述隔膜裁切后使用140～180℃的电烙铁制作成口袋结构，即隔膜袋，尺寸为：宽度＝负极宽度+0.5mm，高度＝负极高度+0.5mm；
将所述铝塑膜裁切，尺寸为：宽度100mm，高度＝有机复合正极片高度+6mm。
步骤四：将所述极耳使用导电胶粘接于步骤三的有机复合正极清粉处和负极上。
步骤五：电芯制备：将所述隔膜袋、铝塑膜、粘接有极耳的负极和有机复合正极进行组装，组装方式：首先，将负极置于隔膜袋中，隔膜袋装夹于所述有机复合正极的V型折叠面内，形成三明治结构；然后，采用140～150℃的温度进行热压封装形成电芯；再采用所述铝塑膜将电芯包裹，同时注入电解液；最后，进行抽真空、封装、裁切，完成制备。
本发明的进一步技术方案是：所述有机复合正极的V型底部折叠处所在直线垂直于极耳所在平面。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种超薄有机复合电源及其制备方法，其将具备电化学特性的一类含有羰基的有机化合物与二氧化锰复合成正极活性材料，并采用正极V型设计、电芯一体化设计，实现超薄化，相比于现有超薄电源体系具有更优越的能量密度，易于操作。
所述有机复合正极的V型结构将装于隔膜内的负极夹于中间，形成一体式的三明治结构，有效避免了传统叠片涂胶工艺使用粘结剂，从而解决了传统涂胶叠片引起的功率密度不良的问题。且V型结构设计是将一片正极折叠后形成相互连接的两片正极，能够有效增加传统超薄电池叠片1层正极的面积，降低活性物质的载流密度，有效提升电源的功率密度。
此外，V型一体化的新设计，可避免电源在弯折过程中因正负极错位导致微短路，采用新型隔膜结构及制备工艺，配合V型的正极极片结构及制袋隔膜制造工艺，形成一种新的结构体系，正负极极片及隔膜形成一体化的电芯结构，确保了电池很好的柔性和稳定性，电池在弯曲变形时不会发生电极错位而导致微短路发生，同时一体化的设计更易于实现产品的自动化生产。
附图说明
图1超薄有机复合电源结构示意图；
图2 V型结构vs.涂胶叠片放电曲线图；
附图标记说明：1、有机复合正极；2、负极；3、极耳；4、隔膜；5、铝塑膜。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照图1所示，本发明一种超薄有机复合电源包括有机复合正极1、负极2、极耳3、隔膜4、电解液、铝塑膜5。所述有机复合正极为V型折叠结构；所述极耳分别采用导电胶粘接在有机复合正极与负极上；将装入隔膜的负极装夹于机复合正极的V型内形成电芯；所述铝塑膜包覆于电芯外，其内注有电解液。
其中，所述的负极厚度为0.045mm的锂金属或锂铝合金(铝含量w％≤2％)；所述的极耳均采用0.02×(3-4)mm镍材质；所述的隔膜为25um的PP(聚丙烯)+PE(聚乙烯)两层复合材料；所述的电解液为溶质为LiTFSI(双三氟甲烷磺酰亚胺锂)或LiFSI(双氟磺酰亚胺锂)，溶剂为PC(碳酸丙烯酯)、DME(1,2-二甲氧基乙烷)；所述的铝塑膜为88um的PA(尼龙)+Al(铝)+PP(聚丙烯)三层复合材料。
本发明所述超薄有机复合电源的制备方法，具体按照以下步骤实施：
S1：有机复合正极制备：将有机化合物与碳酸锂在研钵中均匀混合，所述有机化合物其特征在于一类含有共轭羰基的有机物；
S2:将去离子水中加入至步骤S1的混合物，超声≥2h，再用磁力搅拌器搅拌24h；搅拌后离心≥10min，转速≥10000rpm；
S3：将步骤S2产物无水乙醇清洗3～6次，然后真空烘箱烘干，温度50～70℃；
S4：将步骤S3制备的粉末在惰性气体(氩气或氦气)下高温煅烧≥24h，研磨后得到有机材料。
S5：将步骤S4的有机材料按照正极物料配比有机材料：二氧化锰：导电碳黑：聚偏氟乙烯＝(25％-45％)：(25％-45％)：(5％-30％)：(5％-10％)，余量为溶剂，所述的二氧化锰为电解二氧化锰高温350～420℃，煅烧15～18h，所述溶剂为NMP(N-甲基吡咯烷酮)，制成混合浆料。
S6：将步骤S5混合浆料采用辊压工艺涂敷于正极基材上，涂敷厚度100～110um，真空烘箱100～150℃烘烤≥2h，烘烤后进行辊压，辊压气压0.4～0.6MPa，辊压两次，制备成有机复合正极片。所述的正极基材为选用8～15um镍箔或不锈钢箔材。
S7：将步骤S6制备的有机复合正极片放置于刀模裁切，将有机复合正极片取任一边角清粉，尺寸3×3mm；将所述负极放置于刀模裁切；将所述隔膜裁切使用电烙铁(140～180℃)制袋，制袋尺寸为宽度＝(负极宽度+0.5)mm，高度＝(负极高度+0.5)mm；将所述铝塑膜裁切，尺寸为宽度100mm，高度为有机复合正极片高度+6mm。
S8：将所述极耳使用导电胶粘接于步骤S7的有机复合正极清粉处、负极上。
S9：将步骤S7制备的隔膜袋、铝塑膜，步骤S8制备的负极、有机复合正极、组装，组装方式：将负极置于隔膜袋中，隔膜袋放置于正极V型(沿极耳径向折叠)之中，封装(140～150℃)后形成电芯；再用铝塑膜将电芯包裹，并注入【所述电解液，真空抽气封装裁切，完成制备。
实施例：
S1：将蒽醌与碳酸锂在研钵中均匀混合；
S2:将去离子水中加入至步骤S1的混合物，超声2.5h，再用磁力搅拌器搅拌24h；搅拌后离心10min，转速10000rpm；
S3：将步骤S2产物无水乙醇清洗3次，然后真空烘箱烘干，温度60℃；
S4：将步骤S3制备的粉末在氩气下高温煅烧24h，研磨后得到有机材料。
S5：将步骤S4的有机材料按照正极物料配比有机材料：二氧化锰：导电碳黑：聚偏氟乙烯＝45％：45％：5％：5％，余量为溶剂，述的二氧化锰为电解二氧化锰高温350～420℃，煅烧15～18h，所述溶剂为NMP，制成混合浆料。
S6：将步骤S5混合浆料采用辊压工艺涂敷于正极基材上，涂敷厚度100um，真空烘箱120℃烘烤2h，烘烤后进行辊压，辊压气压0.4MPa，辊压两次，制备成有机复合正极片。所述的正极基材为选用10um镍箔。
S7：将步骤S6制备的有机复合正极片放置于刀模裁切(14mm×70mm)，将有机复合正极片取一边角清粉，尺寸3×3mm；将所述负极放置于刀模裁切(13mm×34mm)；将所述隔膜裁切使用电烙铁(160℃)制袋，制袋尺寸为宽度＝13.5mm，高度＝34.5mm；将所述铝塑膜裁切，尺寸为宽度100mm，高度为76mm。
S8：将所述极耳使用导电胶粘接于步骤S7的有机复合正极清粉处、负极上。
S9：将步骤S7制备的隔膜袋、铝塑膜，步骤S8制备的负极、有机复合正极、组装，组装方式：将负极置于隔膜袋中，隔膜袋放置于正极V型(沿极耳径向折叠)之中，封装(150℃)后形成电芯，并注入所述电解液，真空抽气封装裁切，完成制备。
本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超薄有机复合电源，其特征在于:包括有机复合正极、负极、极耳、隔膜、电解液、铝塑膜；所述负极装入口袋结构的隔膜中；所述有机复合正极为V型折叠结构；所述极耳分别采用导电胶粘接在有机复合正极与负极上；将装入隔膜的负极装夹于机复合正极的V型内形成电芯；所述铝塑膜包覆于电芯外，其内注有电解液。
2.根据权利要求1所述超薄有机复合电源，其特征在于：所述有机复合正极是将有机复合材料涂敷于正极基材上得到的。
3.根据权利要求2所述超薄有机复合电源，其特征在于：所述有机复合材料的制备方法具体步骤为：
步骤1：将有机化合物与碳酸锂在研钵中均匀混合，所述有机化合物为含有共轭羰基的有机物；
步骤2:将去离子水中加入至步骤1的混合物，超声≥2h，再用磁力搅拌器搅拌24h；搅拌后离心≥10min，转速≥10000rpm；
步骤3：将步骤2得到的产物用无水乙醇清洗3～6次，然后真空烘箱烘干，温度50～70℃；
步骤4：将步骤3制备的粉末在惰性气体下高温煅烧≥24h，研磨后得到有机材料；
步骤5：将步骤4的有机材料按照正极物料配比，制成混合浆料，利用浆料制备得到所述有机复合材料；
所述正极物料配比为，有机材料：二氧化锰：导电碳黑：聚偏氟乙烯＝25％-45％：25％-45％：5％-30％：5％-10％，余量为溶剂；所述二氧化锰为电解二氧化锰高温350～420℃，煅烧15～18h；所述溶剂为NMP，即N-甲基吡咯烷酮。
4.根据权利要求2所述超薄有机复合电源，其特征在于：所述正极基材为8～15um的镍箔或不锈钢箔材。
5.根据权利要求1所述超薄有机复合电源，其特征在于：所述负极是厚度为0.045mm的锂金属或锂铝合金。
6.根据权利要求1所述超薄有机复合电源，其特征在于：所述隔膜是由25um的PP聚丙烯+PE聚乙烯构成的两层复合材料。
7.根据权利要求1所述超薄有机复合电源，其特征在于：所述电解液的溶质为LiTFSI双三氟甲烷磺酰亚胺锂或LiFSI双氟磺酰亚胺锂，溶剂为PC碳酸丙烯酯、DME1,2-二甲氧基乙烷。
8.根据权利要求1所述超薄有机复合电源，其特征在于：所述铝塑膜是由88um的PA尼龙+Al铝+PP聚丙烯构成的三层复合材料。
9.一种权利要求1-8任一项所述超薄有机复合电源的制备方法,其特征在于具体步骤如下：
步骤一：涂布：将所述有机复合材料以单面涂布方式涂敷于所述正极基材上，涂敷厚度100～110um；
步骤二：制片：将步骤一制备的有机复合正极片进行辊压，辊压气压0.4～0.6MPa，辊压两次；
步骤三：裁切：将步骤二制备的有机复合正极片放置于刀模裁切，取所述有机复合正极片任一边角清粉，尺寸为3×3mm；
将所述负极放置于刀模裁切；
将所述隔膜裁切后使用140～180℃的电烙铁制作成口袋结构，即隔膜袋，尺寸为：宽度＝负极宽度+0.5mm，高度＝负极高度+0.5mm；
将所述铝塑膜裁切，尺寸为：宽度100mm，高度＝有机复合正极片高度+6mm。
步骤四：将所述极耳使用导电胶粘接于步骤三的有机复合正极清粉处和负极上。
步骤五：电芯制备：将所述隔膜袋、铝塑膜、粘接有极耳的负极和有机复合正极进行组装，组装方式：首先，将负极置于隔膜袋中，隔膜袋装夹于所述有机复合正极的V型折叠面内，形成三明治结构；然后，采用140～150℃的温度进行热压封装形成电芯；再采用所述铝塑膜将电芯包裹，同时注入电解液；最后，进行抽真空、封装、裁切，完成制备。
10.根据权利要求9所述超薄有机复合电源的制备方法,其特征在于：所述有机复合正极的V型底部折叠处所在直线垂直于极耳所在平面。
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