CN115863532B - 一种双极性电极的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于双极性电池的双极性电极片的快速制备工艺,包括正极材料浆料的制备和负极材料的浆料的制备,正极材料浆料和负极材料浆料分别加入高速离心设备,并在离心加速的过程中维持离心机内的正压,最后通过喷枪将正极材料浆料和负极材料浆料分别喷涂在双极性电极的集流体两侧,并通过烘干干燥完成集流体的两侧镀膜。本发明提供连续离心喷涂制备导电聚合物双极性电极的方法,离心混合能够将小分子导电剂与粘结剂聚合物一同喷出并固化,使得导电剂在成膜过程中不会发生偏析聚集、均匀分散在粘结剂中。
Description
技术领域
本发明属于储能器件技术领域,具体涉及一种双极性电极的制造工艺。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高的优点,因此在现代生活中得到广泛的应用,但是目前锂离子的电池仍然满足不了用户追求更长待机时间的需求,因此,开发能量密度更高的储能器件产品,成为工业界的急迫需求。
目前电池包基本上都采用从单体-模组-电池包的成组方式,通过多层级的成组方式保障电池安全,但会牺牲电池包的空间利用率和能量密度,已有电池内部通过集流体将多个储能单元串联形成电池储能系统,即双极性ETP(Electrode to pack)电池,可以降低电池的封装重量和体积,从而提高其比能量和比功率,并具有更加稳定的电池性能和更低的内阻,使电池的安全性也得到很大的提高,但是目前商用的双极性ETP电池没有主动短路电流能力控制的设计,只有被动的去加固电池系统外壳等结构设计。
已有双极性ETP电池采用聚合物集流体来作为双极性电极的基体,聚合物具有较好的柔性以及导离子性能,可以作为电极的基体,促进电极的性能,改善电池的短路电流控制能力,改善内阻,但是传统的离心喷涂法制备聚合物集流体是将材料混合搅拌成浆料,再加热挥发溶剂形成聚合物薄膜。然而这种方式不利于多相材料的均匀混合,这将导致电极在电化学性能难以显著提高的同时还会带来机械性能的下降。
发明内容
为解决以上问题,本发明提出了一种双极性电极的制造工艺。
为实现以上目的的技术解决方案如下:
一种双极性电极的制造工艺,其特征在于:所述双极性电极设置于储能器件的电芯中,所述电芯内还设置隔膜和电解质,所述双极性电极包括集流体,集流体的两侧面分别涂覆正极活性材料与负极活性材料,相邻两片双极性电极片相对的面涂覆的活性材料极性相反,相邻两片双极性电极片之间设置隔膜,所述集流体金属化后连接外部电源管理系统和化成系统,所述双极性电极的制造工艺包括如下步骤;
S1:选用金属箔材作为双极性集流体;
S2:将正极活性材料、第一分散剂、第一粘结剂和第一导电剂混合制备正极材料浆料;
S3:将所述正极材料浆料加入高速离心设备,所述高速离心设备设置充气模块、加料口、高速离心机、喷枪和滑轮,所述正极材料浆料通过所述加料口进入所述高速离心机,所述高速离心机开始离心操作,所述充气模块对所述高速离心设备充气,使其具有正压,所述正极材料浆料通过所述高速离心机加速后经所述喷枪喷涂于所述金属箔材的一面上,所述滑轮控制所述喷枪的喷涂位置,使所述正极浆料均匀喷涂于所述金属箔材的一面上;
S4:将负极活性材料、第二分散剂、第二粘结剂和第二导电剂混合制备负极材料浆料;
S5:将所述负极材料浆料加入高速离心设备,所述负极材料浆料通过所述加料口进入所述高速离心机,所述高速离心机开始离心操作,所述充气模块对所述高速离心设备充气,使其具有正压,所述负极材料浆料通过所述高速离心机加速后经所述喷枪喷涂于所述金属箔材的另一面上,所述滑轮控制所述喷枪的喷涂位置,使所述负极浆料均匀喷涂于所述金属箔材的另一面上;
S6:将两面都喷涂完成的金属箔材烘干,然后切片完成双极性电极片的制备。
进一步改进,优选步骤S3和S5中的所述充气模块对所述高速离心机充气,使所述高速离心机内的压力维持在2kg/cm2~4kg/cm2。
进一步改进,优选步骤S3和S5中的所述充气模块对所述高速离心机充气,使用的气体是氮气,以使气体不与所述第一分散剂和第二分散剂发生反应。
进一步改进,优选所述步骤S4和S6中的所述高速离心机的转速维持在2000r/min~4000r/min。
进一步改进,优选所述步骤S4和S6中的所述高速离心机的转速维持在3000r/min。
进一步改进,优选所述金属箔材为不锈钢。
进一步改进,优选所述步骤S2中正极材料浆料的粘度为2000-13000mPa·s。
进一步改进,优选所述步骤S2中正极材料浆料的粘度为8000mPa·s。
进一步改进,优选所述步骤S4中负极材料浆料的粘度为2000-13000mPa·s。
进一步改进,优选所述步骤S4中负极材料浆料的粘度为6000mPa·s。
本发明基于柔性聚合物双极性电极的离心喷涂技术,获得低内阻,高可控安全性,低成本,高能量密度和功率密度的储能系统,在正常温度下,聚双极性电极保持良好的电子电导率,当电池体系出现内短路或者针刺受损情况时,电子集聚在短路受损部分从而产生过大电流出现热量失控,受高温影响,双极性电极内阻激增,则聚双极性电极内部电流受到控制,反向降低短路电流产生的热量,具有这种特性的双极性电极可从本身出发在热失控初始阶段主动抑制热聚集风险进一步严重。
本发明提供连续离心喷涂制备导电聚合物双极性电极的方法。离心混合能够将小分子导电剂与粘结剂聚合物一同喷出并固化,使得导电剂在成膜过程中不会发生偏析聚集、均匀分散在粘结剂中。实验证明,相比于熔融压延法,通过连续离心喷涂制备的导电聚合物,其成膜效果较好,保持了粘结剂聚合物基本的机械性能,并且电化学性能也得到了显著的提升。另外,该方法可以一次制备得到成品导电聚合物膜,能够有效减小制备工艺,具有可观的应用前景。
附图说明
图1为现有单体电池结构示意图。
图2为本发明双极性电池结构示意图。
图3为一种导电聚合物作为双极性电极的电池示意图。
图4为双极性电极金属帽状结构示意图。
图5为高速离心设备示意图。
图6为本发明制备工艺简易步骤。
图7为不同的用于制备双极性电极的方法所得的电极在25℃100%soc自放电168h电压的比对曲线图。
图8为不同方法制备的双极性电极的倍率性能测试结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
结合图1,现有的单体电池10包括正极集流体11、负极集流体13和隔膜12,正极集流体11优选为铝箔,其上涂覆正极活性材料15,负极集流体13优选为铜箔,其上涂覆负极活性材料14;目前主流单体电池结构即如图1所示,其中锂离子电池具有比能量高、电压高、自放电小、循环性能好、寿命长等优点,被大量应用在动力电池及储能系统中,而目前动力储能系统中单体大多采用圆柱形、方形铝壳或软包设计,每个单体电池外部都具有独立的电池壳体。基于这种特性,电池单体组成电池模组之后进行整合形成电池包,过程中通过串并联单体及模组组装满足动力或者储能系统需求。这种连接方式的极耳、连接件、电池壳等部件会增大电池的重量和连接阻抗,降低电池的功率密度和能量密度,同时也增加了电池的安全隐患。
如图2所示,双极性电池结构包括多片电极片,以电极片、隔膜和电解质交替的叠片组装方式组装成电芯20,电芯外部包覆外壳,最外侧两片电极片分别单面涂覆正极活性材料22与负极活性材料23,外层负极件26、外层正极件21和电芯串联组,电芯串联组的两端分别具有正极端和负极端,外层负极件26与负极端连接,外层正极件21与正极端连接,电芯串联组包括多个重叠设置的双极性电极片,每相邻两个双极性电极片之间设置有用于阻隔电子通过的隔膜25,且每相邻两个内部双极性电极片24相互构成一个供电单元,多个供电单元串联在一起。
双极性电极片与隔膜之间紧密贴合,从而缩小多个双极性电极片24的占用空间,进而使得整个电池的体积减小。每个双极性电极片包括内部集流体、正极活性材料层和负极活性材料层,正极活性材料层和负极活性材料层分别涂覆设置在内部集流体的两侧表面,每个正极活性材料层与相邻的负极活性材料层之间设置有隔膜25,且正极活性材料层和负极活性材料层分别与对应的内部隔膜25相贴合,进一步缩减整体电芯的体积。双极性电池是在电池内部通过双极性电极将若干个电池单元叠加串联构成电池模块,可以降低电池的封装重量和体积,从而提高其比能量和比功率,并具有更加稳定的电池性能和更低的内阻。
相比之下,双极性电池具有以下特点(1)不存在目前电池组内的极耳、连接件、结构件及电池壳等部件,增加了活性物质在电池系统中的占比,提高了电池系统的比功率和比能量;(2)电流方向与电极垂直,电流通过很薄的双极性电极,在减少电流传输路径的同时增大了电流截面面积,使电池中电流分布更加均匀,电子迁移通道缩短,降低了电池内阻;(3)若双极性电池内部某个电池单元发生短路,不会导致电池内部所有电池单元的瞬间大电流放电,单体电池内部只有少量的热产生,电池还可以继续使用,只是电池的输出电压会有所降低;(4)双极性动力电池并联成组使用,可以简化电池组管理系统的设计,降低动力电池集成系统的成本。另外,并联电池组可以实现快速充/放电,而无需对电极材料或极片涂布厚度提出特殊要求。
如图3所示,本实施例中以一种导电聚合物作为双极性电极,其具有良好的柔性、较高的导电率,同时以聚合物作为双极性电极片24的表面薄膜,能够进一步降低系统质量,提高能量密度。且如图4所示,基于聚合物的双极性电极片采用气相沉积工艺进行金属化,金属化后的双极性电极片24可焊接导线连接电池管理系统,实现对电池系统内部电极片级的电化学监控;为了便于每个电极与电源管理系统引出导线相连,封装好后,每个聚合物集流体在器件一端都会裸漏出一部分,在这部分上进行金属化。目前在双极性电极片24上涂覆聚合物薄膜一般采用熔融流延法,将各组分材料混合搅拌形成浆料,然而由于物理性质差别较大,其中的导电剂难以均匀的分散在粘结剂中,因此会导致导电剂在聚合物中偏析聚集,导致导电聚合物的机械性能劣化,电池的性能变差,且该方法生产速度慢、设备昂贵、生产过程复杂、热量及容量消耗大,要考虑溶剂回收及安全问题,制备的聚合物膜成本高且强度低。
本发明提供连续离心喷涂制备导电聚合物集流体的方法。离心混合能够将小分子导电剂与粘结剂聚合物一同喷出并固化,使得导电剂在成膜过程中不会发生偏析聚集,而是均匀分散在粘结剂中。实验证明,相比于熔融压延法,通过连续离心喷涂制备的导电聚合物,其成膜效果较好,保持了粘结剂聚合物基本的机械性能,并且电化学性能也得到了显著的提升。另外,该方法可以一次制备得到成品导电聚合物膜,能够有效减小制备工艺,具有可观的应用前景。
如图5所示,本发明需要使用高速离心设备30包括加料口21、喷枪32、充气模块33、高速离心机34和滑轮35,充气模块33使高速离心机内34内保持正压,参见图6,双极性电极片24的集流体表面聚合物膜的制备工艺具体步骤具体如下:
S1:选用金属箔材作为双极性电极片24的集流体,金属箔可以为铝箔、铜箔或不锈钢箔,本实施例中选用不锈钢箔,因为不锈钢箔表面容易形成钝化膜,可以保护其表面不被腐蚀,可同时用做正、负极集流体,此外还有成本低、工艺简单及大规模生产等优点;
S2:将正极活性材料、第一分散剂、第一粘结剂和第一导电剂混合制备正极材料浆料,本实施例中正极活性材料选用磷酸铁锂颗粒,第一分散剂选用苯乙烯-丙烯酸酯共聚物,第一粘结剂选用聚丙烯酸盐,第一导电剂选用石墨烯,将上述材料混合混匀后制备得到正极材料浆料,本实施例中正极浆料的粘度控制在2000-13000mPa·s,进一步优选正极浆料的粘度为8000mPa·s;
S3:将制备好的正极材料浆料加入高速离心设备30,高速离心设备30设置充气模块33、加料口31、高速离心机34、喷枪32和滑轮35,正极材料浆料通过加料口31进入高速离心机34,高速离心机34开始离心操作,本实施例中高速离心机34的转速维持在2000r/min~4000r/min,进一步优选高速离心机34的转速维持在3000r/min,充气模块33对高速离心设备30充气,使其具有正压,本实施例中高速离心机34内的压力维持在2kg/cm2-4kg/cm2,正极材料浆料通过高速离心机34加速后经喷枪32喷涂于金属箔材的一面上,滑轮35控制喷枪32的喷涂位置,使所述正极浆料均匀喷涂于所述金属箔材的一面上;
S4:将负极活性材料、第二分散剂、第二粘结剂和第二导电剂混合制备负极材料浆料,本实施例中负极材料选用石墨,第二分散剂选用水,第二粘结剂选用丁苯橡胶(SBR),第二导电剂选用炭黑,将上述材料混合混匀后制备得到负极材料浆料,本实施例中负极浆料的粘度控制在2000-13000mPa·s,进一步优选负极浆料的粘度为6000mPa·s;
S5:将上述负极材料浆料加入高速离心设备30,所述负极材料浆料通过所述加料口31进入高速离心机34,高速离心机34开始离心操作,实施例中高速离心机34的转速维持在2000r/min~4000r/min,进一步优选速离心机34的转速维持在3000r/min,充气模块33对高速离心设备30充气,使其具有正压,本实施例中高速离心机34内的压力维持在2kg/cm2-4kg/cm2,负极材料浆料通过高速离心机34加速后经喷枪32喷涂于金属箔材的另一面上,滑轮35控制喷枪32的喷涂位置,使所述负极浆料均匀喷涂于所述金属箔材的另一面上;
S6:将两面都喷涂完成的金属箔材烘干,然后切片完成双极性电极片24的制备。本发明将正极材料浆料/负极材料浆料离心处理的同时,通过充气加压使得正极材料浆料和负极材料浆料中的分散质及部分第一分散剂/第二分散剂被气体带出,并进一步通过喷枪32的喷嘴喷出,由于离心的作用会使得正极材料浆料/负极材料浆料中的固体成分聚集在液体底部,因此在用气体将其喷出时,喷出的组分包括固体组分和液体组分,其中固体组分主要包括不溶于第一分散剂的第一导电剂,或是不溶于第二分散剂的第二导电剂,液体组分包括第一分散剂以及溶解于第一分散剂中的第一粘结剂,或是溶解于第二分散剂中的第二粘结剂。由于离心以及载气的作用,此时会形成许多包裹固体颗粒的小液珠,在小液珠中固体组分呈小颗粒状被液体组分包裹,这样的小液珠喷涂在双极性电极片24的集流体基体上后,液体组分中的第一分散剂/第二分散剂被去除,留下聚合物包裹固体组分小颗粒并被固化成膜,通过该离心喷涂过程能够有效克服熔融流延涂布过程中导致导电剂偏聚的问题,导电剂均匀分布在粘结剂聚合物中,因而上述方法能够制备表面平整且均匀的导电聚合物膜,所制备的导电聚合物具有较好的机械性能,同时还由于导电剂均匀分散且被聚合物基体包裹,电池的电化学性能也有效的提高。
制备过程中离心的速度不适合过快或过慢,过快时会使固体成分无法与液体成分充分的混合,导致粘结剂无法充分包裹导电剂;转速过慢时再离心过程中导致液体组分无法与固体组分发生明显的分离,控制离心的速度控制在2000r/min-4000r/min,充气模块33对高速离心机34内充气,但高速离心机34内的压力不宜过高或过低,过高的压力会产生巨大的冲击力,导致在喷涂分散液的过程中,固液成分分开,难以形成连续的、完整的导电聚合物薄膜;过低的压力难以形成许多分散的小液珠,最终在喷涂时导电剂仍然会发生部分偏析,通常,通入载气的压力为2kg/cm2-4kg/cm2,可选择的充入气体为不与分散液组分发生化学反应的气体,如,氮气、氧气、空气。
浆料的流量会影响聚合物薄膜的厚度,对于粘度为5000mPa·s(25℃)的正极材料浆料和负极材料浆料,研究了浆料流量对涂层厚度的影响,如表1所示,可以看出,其他工况不变的情况下,涂层厚度随着流量的增大而增加。
表1 流量与涂层厚度的关系
流量 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 |
涂层厚度/μm | 15-30 | 40-65 | 65-90 | 95-115 | 120-135 | 135-150 |
本发明研究了3种不同的粘度的浆料对涂层质量的影响,结果见表2,由表2看出,浆料的粘度越小,雾化效果越好,但并不能说明雾化效果越好,粘度小,涂层有可能产生流淌现象,其合适的浆料粘度为2000-13000mPa·s,本发明中正极材料浆料粘度设置为8000mPa·s,负极材料浆料的粘度设置为6000mPa·s。
表2 浆料的粘度与涂层质量的关系
粘度/mPa·s(25℃) | 雾化效果 | 涂层质量 |
3000 | 好 | 涂层均匀 |
8000 | 好 | 涂层均匀 |
12000 | 好 | 涂层均匀 |
15000 | 雾化较好 | 螺纹状减少 |
18000 | 雾化不均匀 | 呈螺纹状 |
20000 | 不能雾化 | / |
本发明通过喷涂技术制备了一种超轻且安全的导电聚合物集流体,克服了直接混合的缺点,改善了聚合物的力学性能。离心混合能够将小分子导电剂与粘结剂聚合物一同喷出并固化,使得导电剂在成膜过程中不会发生偏析聚集,而是均匀分散在粘结剂中。实验证明,相比于熔融压延法,通过连续离心喷涂制备的导电聚合物,其成膜效果较好,保持了粘结剂聚合物基本的机械性能,并且电化学性能也得到了显著的提升。另外,该方法可以一次制备得到成品导电聚合物膜,能够有效减小制备工艺,具有可观的应用前景。
聚合物具有较好的柔性以及导离子性能,可以作为电极的基体,促进电极的性能。传统的离心喷涂是将材料混合搅拌成浆料,再加热挥发溶剂形成复合薄膜,然而这种方式不利于多相材料的均匀混合,这将导致电极在电化学性能难以显著提高的同时还会带来机械性能的下降。本发明提供的离心喷涂方式是利用超高速离心机带动搅拌筒高速旋转、高度雾化的涂料微粒借助于巨大的离心力经由喷头射向附件表面,形成高质量的导电集流体涂层。与无气喷涂相比本发明的连续离心喷涂的优点是:浆料高度雾化,雾化微粒均匀,线速度高,涂层均匀、光滑、无气泡和针孔,涂层附着力好,一次喷涂即可达到所要求的厚度,施工速度快、效率高。采用自动离心喷涂方式对活性材料表面进行浆料覆盖,即在搅拌筒旋转时将自动喷料枪上下移动来进行均匀喷涂作业,避免了手工喷涂方式中导电集流体厚度不均、排气缓慢、控制厚度困难等缺陷。另外,在离心喷涂过程中,喷枪有滴落、堵塞等情况时,可立即刮除,中间不用停止作业,待浆料全部喷涂后,检查导电聚合物集流体表面是否有堆积、起皮、鼓包等现象。并且在喷涂过程中,浆料中的溶剂会随着喷涂过程一同散去,可大量缩短导电集流体干燥的时间。综合该发明的离心喷涂方式所获得的导电集流体具有厚度均匀、溶剂散发快、表面光洁度好和操作简便等特点。因此由该方法制备的柔性导电集流体的优势有:①导电集流体厚度均匀性好;②相较手工喷涂更加自动化;③大量缩短导电集流体干燥时间,节约大量能耗。
不同的制备导电集流体的方法对膜极片的影响参数,结果见表3,据表3可以知道,相比于传统离心喷涂和熔融流延法,以连续离心喷涂法制备的导电聚合物其电阻率和阻抗均明显降低,同时这也说明采用连续离心喷涂的方式能够使得导电剂在粘结剂中更为分散的均匀。进一步地,得益于导电性能的提高,活性物质能够进行更为充分的反应,电池的电化学性能大为改善。
表3 不同制备方法的膜极片参数
本发明的连续离心喷涂法与传统离心喷涂所制备的导电集流体的电极在25℃ 1C循环50圈后容量保持率比较,结果见表4,不同导电集流体制备的电极经25℃ 1C循环50圈后,由3种制备方法所得的电极容量保持率分别是97.78%、86.52%、74.58%。其中,由连续离心喷涂法制备的电极其容量保持率相比于其他两种明显更大。
表4 容量保持率比较
不同的用于制备双极性电极的方法所得的电极在25℃ 100%soc自放电168h电压的比对曲线图,结果见图7,由图7可以得出,连续离心喷涂法制备的双极性电极其自放电最小,在自放电168h后,电压仅衰减0.23%,远小于传统离心喷涂导电集流体的双极性电极(1.77%)。倍率性能测试结果比对结果见图8,从图8可以看出,在1C倍率下3款样品的放电性能差别不大,随着放电倍率增大,3种样品的放电性能呈现明显差异。其中,使用本发明连续离心喷涂制备的导电集流体相比于传统离心喷涂其在大倍率下有明显的的优势。综上表明,本发明连续离心喷涂制备的导电聚合物集流体可以有效提高大倍率放电性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双极性电极的制造工艺,其特征在于:所述双极性电极设置于储能器件的电芯中,所述电芯内还设置隔膜和电解质,所述双极性电极包括集流体,集流体的两侧面分别涂覆正极活性材料与负极活性材料,相邻两片双极性电极片相对的面涂覆的活性材料极性相反,相邻两片双极性电极片之间设置隔膜,所述集流体金属化后连接外部电源管理系统和化成系统,所述双极性电极的制造工艺包括如下步骤;
S1:选用金属箔材作为双极性集流体;
S2:将正极活性材料、第一分散剂、第一粘结剂和第一导电剂混合制备正极材料浆料;
S3:将所述正极材料浆料加入高速离心设备,所述高速离心设备设置充气模块、加料口、高速离心机、喷枪和滑轮,所述正极材料浆料通过所述加料口进入所述高速离心机,所述高速离心机开始离心操作,所述充气模块对所述高速离心设备充气,使其具有正压,所述正极材料浆料通过所述高速离心机加速后经所述喷枪喷涂于所述金属箔材的一面上,所述滑轮控制所述喷枪的喷涂位置,使所述正极浆料均匀喷涂于所述金属箔材的一面上;
S4:将负极活性材料、第二分散剂、第二粘结剂和第二导电剂混合制备负极材料浆料;
S5:将所述负极材料浆料加入高速离心设备,所述负极材料浆料通过所述加料口进入所述高速离心机,所述高速离心机开始离心操作,所述充气模块对所述高速离心设备充气,使其具有正压,所述负极材料浆料通过所述高速离心机加速后经所述喷枪喷涂于所述金属箔材的另一面上,所述滑轮控制所述喷枪的喷涂位置,使所述负极浆料均匀喷涂于所述金属箔材的另一面上;
S6:将两面都喷涂完成的金属箔材烘干,然后切片完成双极性电极片的制备。
2.根据权利要求1所述的双极性电极的制造工艺,其特征在于,所述步骤S3和S5中的所述充气模块对所述高速离心机充气,使所述高速离心机内的压力维持在2kg/cm2-4kg/cm2。
3.根据权利要求2所述的双极性电极的制造工艺,其特征在于,所述步骤S3和S5中的所述充气模块对所述高速离心机充气,使用的气体是氮气,以使气体不与所述第一分散剂和第二分散剂发生反应。
4.根据权利要求1所述的双极性电极的制造工艺,其特征在于,所述步骤S4和S6中的所述高速离心机的转速维持在2000r/min-4000r/min。
5.根据权利要求4所述的双极性电极的制造工艺,其特征在于,所述步骤S4和S6中的所述高速离心机的转速维持在3000r/min。
6.根据权利要求1所述的双极性电极的制造工艺,其特征在于,所述金属箔材为不锈钢。
7.根据权利要求1所述的双极性电极的制造工艺,其特征在于,所述步骤S2中正极材料浆料的粘度为2000-13000mPa·s。
8.根据权利要求7所述的双极性电极的制造工艺,其特征在于,所述步骤S2中正极材料浆料的粘度为8000mPa·s。
9.根据权利要求1所述的双极性电极的制造工艺,其特征在于,所述步骤S4中负极材料浆料的粘度为2000-13000mPa·s。
10.根据权利要求9所述的双极性电极的制造工艺,其特征在于,所述步骤S4中负极材料浆料的粘度为6000mPa·s。
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Citations (6)
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---|---|---|---|---|
CN102576893A (zh) * | 2009-04-06 | 2012-07-11 | 24M技术公司 | 采用氧化还原液流电池的燃料系统 |
CN105406083A (zh) * | 2015-12-17 | 2016-03-16 | 湖南高远电池有限公司 | 一种可快速充放电的锂离子电池及其制造方法 |
CN109494377A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-03-19 | 中南大学 | 一种一体化双极性电极及其制备方法、应用 |
CN110797536A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-02-14 | 桑顿新能源科技(长沙)有限公司 | 一种锂离子电池正极浆料及其制备方法与锂离子电池 |
WO2021037266A1 (zh) * | 2019-08-29 | 2021-03-04 | 孚能科技(赣州)股份有限公司 | 负极片及其制备方法和锂离子电池及其制备方法和应用 |
WO2022179303A1 (zh) * | 2021-02-26 | 2022-09-01 | 烯晶碳能电子科技无锡有限公司 | 一种基于电导率可控聚合物集流体的储能系统及其制备工艺 |
-
2022
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102576893A (zh) * | 2009-04-06 | 2012-07-11 | 24M技术公司 | 采用氧化还原液流电池的燃料系统 |
CN105406083A (zh) * | 2015-12-17 | 2016-03-16 | 湖南高远电池有限公司 | 一种可快速充放电的锂离子电池及其制造方法 |
CN109494377A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-03-19 | 中南大学 | 一种一体化双极性电极及其制备方法、应用 |
WO2021037266A1 (zh) * | 2019-08-29 | 2021-03-04 | 孚能科技(赣州)股份有限公司 | 负极片及其制备方法和锂离子电池及其制备方法和应用 |
CN110797536A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-02-14 | 桑顿新能源科技(长沙)有限公司 | 一种锂离子电池正极浆料及其制备方法与锂离子电池 |
WO2022179303A1 (zh) * | 2021-02-26 | 2022-09-01 | 烯晶碳能电子科技无锡有限公司 | 一种基于电导率可控聚合物集流体的储能系统及其制备工艺 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
锂离子电池负极匀浆工艺研究;刘范芬;伍山松;黄斯;苑丁丁;吕正中;;广东化工;20200115(第01期);全文 * |
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