CN116365168A - 无隔膜钠离子电芯及其制备方法和电池 - Google Patents

无隔膜钠离子电芯及其制备方法和电池 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种无隔膜钠离子电芯及其制备方法和电池，无隔膜钠离子电芯包括正极片和负极片，正极片和/或负极片的表面形成有β‑Al2O3层。该无隔膜钠离子电芯，在正极片和/或负极片的表面形成β‑Al2O3层，β‑Al2O3层能够代替传统的隔膜，因而可以制作无隔膜钠离子电芯，大大减少了原料成本和制程成本，避免了传统隔膜因其机械强度差、易被刺穿、热稳定性差等引起的内短路、热失控等电池安全性低的问题；且由于β‑Al2O3层的导钠离子特性，可加持电解液的钠离子传输，从而改善电芯的动力学性能，电芯的倍率性能和安全性能均有提升。

Description

无隔膜钠离子电芯及其制备方法和电池
技术领域
本申请涉及钠离子电池技术领域，特别是涉及一种无隔膜钠离子电芯及其制备方法和电池。
背景技术
电池隔膜位于电池的正极和负极之间，其作用是隔离正负极并使电池内的电子不能自由穿过，而让电解液中的离子能在正负极之间自由通过，以保证电池的安全性。传统的电池隔膜一般采用聚乙烯或聚丙烯等树脂材料制成，其存在着机械强度差、容易被刺穿、热稳定性差、使电池起鼓或爆炸等问题。
发明内容
本发明提供了一种无隔膜钠离子电芯及其制备方法和电池，以解决现有技术中传统隔膜因其机械强度差、易被刺穿、热稳定性差等引起的电池安全性低的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
本发明的第一方面，提供了一种无隔膜钠离子电芯，包括正极片和负极片，所述正极片和/或所述负极片的表面形成有β-Al2O3层。
进一步地，所述β-Al2O3层的厚度为5μm～50μm。
进一步地，所述β-Al2O3层由β-Al2O3浆料涂覆于所述正极片和/或所述负极片上形成。
进一步地，所述β-Al2O3浆料包括β-Al2O3粉体、粘结剂和溶剂，所述β-Al2O3粉体与所述粘结剂的质量比为4～100∶1，所述β-Al2O3浆料的固含量为20％～80％。
进一步地，所述β-Al2O3粉体的粒径为5nm～10μm。
进一步地，所述粘结剂选自聚偏二氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚酰亚胺，聚四氟乙烯中的一种或多种。
进一步地，所述溶剂选自氮甲基吡咯烷酮、去离子水、乙醇、丙酮中的一种或多种。
本发明的第二方面，提供了上述无隔膜钠离子电芯的制备方法，包括以下步骤：将β-Al2O3浆料涂覆于所述正极片和/或所述负极片的表面形成β-Al2O3层，将涂覆后的所述正极片、涂覆后的所述负极片装配成电芯。
进一步地，将所述β-Al2O3浆料涂覆于所述正极片和/或所述负极片的表面后，经辊压工艺压实形成所述β-Al2O3层。
本发明的第三方面，提供了一种电池，包括上述的无隔膜钠离子电芯或者上述制备方法制备得到的无隔膜钠离子电芯。
本发明提供的无隔膜钠离子电芯，在正极片和/或负极片的表面形成β-Al2O3层，β-Al2O3层能够代替传统的隔膜，因而可以制作无隔膜钠离子电芯，大大减少了原料成本和制程成本，避免了传统隔膜因其机械强度差、易被刺穿、热稳定性差等引起的内短路、热失控等电池安全性低的问题；且由于β-Al2O3层的导钠离子特性，可加持电解液的钠离子传输，从而改善电芯的动力学性能，电芯的倍率性能和安全性能均有提升。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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为本申请实施例中正极片表面形成有β-Al2O3层的无隔膜钠离子电芯的结构示意图；
图2为本申请实施例中负极片表面形成有β-Al2O3层的无隔膜钠离子电芯的结构示意图；
图3为本申请实施例中正极片及负极片表面均形成有β-Al2O3层的无隔膜钠离子电芯的结构示意图。
附图标记：1、正极片；2、负极片；3、β-Al2O3层。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参照图1至图3，本申请实施例的第一方面，提供一种无隔膜钠离子电芯，包括正极片1和负极片2，正极片1和/或负极片2的表面形成有β-Al2O3层3。
本申请实施例中利用β-Al2O3层3的导钠离子且绝缘电子的特性，将β-Al2O3层3引入到电芯结构中，取代了传统电芯中的隔膜，制作成无隔膜钠离子电芯，降低了原料成本和制程成本；提高了正极片1、负极片2装配时的机械强度，避免普通隔膜在装配时产生穿刺现象；有效防止由于意外产生的短路现象或起火爆炸等现象；且由于β-Al2O3层3的导钠离子特性，可加持电解液的钠离子传输，从而改善电芯的动力学性能，电芯的倍率性能和安全性能均有提升。
一些实施例中，β-Al2O3层3的厚度为5μm～50μm。可以理解地，β-Al2O3层3的厚度太大会影响其导钠离子特性，厚度太小无法起到隔膜的作用。
β-Al2O3层3的形成可以应用现有的各种工艺。本申请实施例中，β-Al2O3层3由β-Al2O3浆料涂覆于正极片1和/或负极片2上形成。利用简单的涂覆工艺将β-Al2O3浆料转移至正极片1和/或负极片2的表面，操作方便，β-Al2O3层3厚度易于控制。
一些实施例中，β-Al2O3浆料包括β-Al2O3粉体、粘结剂和溶剂，β-Al2O3粉体与粘结剂的质量比为4～100∶1，β-Al2O3浆料的固含量为20％～80％。
本申请实施例中，β-Al2O3粉体是一种铝酸盐而非氧化铝的异构体，通常表示为M2O·xAl2O3，其中M为一价阳离子，如Na2O·Al2O3(其为氧化钠和氧化铝的复合氧化物)。β-Al2O3属六方晶系，具有密度大、机械强度高、气孔率低、耐热冲击性能好、离子导电率高、晶界阻力小等特点。β-Al2O3结构中有可供钠离子迁移的疏松钠氧层，使其成为钠离子的良好导体。具体地，β-Al2O3粉体的粒径为5nm～10μm。
粘结剂与β-Al2O3粉体、溶剂混合搅拌后制作成浆料，能够更好地涂覆于正极片1和/或负极片2的表面。具体地，粘结剂选自聚偏二氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚酰亚胺，聚四氟乙烯中的一种或多种。溶剂选自氮甲基吡咯烷酮、去离子水、乙醇、丙酮中的一种或多种。
本申请实施例的第二方面，提供了一种上述无隔膜钠离子电芯的制备方法，包括以下步骤：将β-Al2O3浆料涂覆于正极片1和/或负极片2的表面形成β-Al2O3层3，将涂覆后的正极片1、涂覆后的负极片2装配成电芯。具体地，将β-Al2O3浆料涂覆于正极片1和/或负极片2的表面，涂覆的厚度为50μm～100μm。然后极片经过分切、装配、注液、化成等工序制作成电池。
进一步地，将β-Al2O3浆料涂覆于正极片1和/或负极片2的表面后，经辊压工艺压实形成β-Al2O3层3。具体地，烘烤涂覆β-Al2O3浆料的极片后进行辊压，辊压后β-Al2O3层3的厚度为5μm～50μm。
本申请实施例的第三方面，提供了一种电池，电池包括上述无隔膜钠离子电芯或者由上述制备方法制备得到的无隔膜钠离子电芯。本申请实施例中，电池可以为钠离子电池、锂离子电池或者钾离子电池，优选钠离子电池。
以下实施例中各试剂均为市售。
实施例1
一种无隔膜钠离子电芯，包括正极片和负极片，正极片的表面形成有β-Al2O3层，β-Al2O3层的厚度为15μm。
上述无隔膜钠离子电芯的制备方法，包括以下步骤：
将质量比为1∶19的聚偏二氟乙烯和β-Al2O3粉体混合，加入氮甲基吡咯烷酮，搅拌后制作成油性浆料，β-Al2O3粉体的粒径为1μm，将上述油性浆料通过凹版涂覆在正极层状氧化物极片上，涂覆后β-Al2O3浆料的干膜厚度预计在100μm。将上述正极片烘烤后进行辊压，辊压后β-Al2O3层的厚度为15μm。将硬碳负极片与上述制备好的正极片叠片制成无隔膜钠离子电芯。
一种电池，将上述无隔膜钠离子电芯经装配、注液、化成等工序制作成钠离子电池。
实施例2
一种无隔膜钠离子电芯，包括正极片和负极片，负极片的表面形成有β-Al2O3层，β-Al2O3层的厚度为15μm。
上述无隔膜钠离子电芯的制备方法，包括以下步骤：
将质量比为2∶3∶95的羧甲基纤维素、丁苯胶乳液和β-Al2O3粉体混合，加入去离子水，搅拌后制作成水性浆料，β-Al2O3粉体的粒径为0.5μm，将上述水性浆料通过凹版涂覆在负极硬碳极片上，涂覆后β-Al2O3浆料的干膜厚度预计在70μm。将上述负极片烘烤后进行辊压，辊压后β-Al2O3层的厚度为15μm。将正极片与上述制备好的负极片叠片制成无隔膜钠离子电芯。
一种电池，将上述无隔膜钠离子电芯经装配、注液、化成等工序制作成钠离子电池。
实施例3
一种无隔膜钠离子电芯，包括正极片和负极片，正极片、负极片的表面均形成有β-Al2O3层，β-Al2O3层的厚度分别为10μm。
上述无隔膜钠离子电芯的制备方法，包括以下步骤：
将质量比为1∶49的聚丙烯酸和β-Al2O3粉体混合，加入丙酮，搅拌后制作成油性浆料，β-Al2O3粉体的粒径为0.5μm，将上述油性浆料通过凹版涂覆在正极层状氧化物极片上，涂覆后β-Al2O3浆料的干膜厚度预计在70μm。将上述正极片烘烤后进行辊压，辊压后β-Al2O3层的厚度为10μm。
将质量比为1∶49的聚丙烯酸和β-Al2O3粉体混合，加入去离子水，搅拌后制作成水性浆料，β-Al2O3粉体的粒径为2μm，将上述水性浆料通过凹版涂覆在负极硬碳极片上，涂覆后β-Al2O3浆料的干膜厚度预计在70μm。将上述负极片烘烤后进行辊压，辊压后β-Al2O3层的厚度为10μm。
将上述制备的正极片与制备好的负极片叠片制成无隔膜钠离子电芯。
一种电池，将上述无隔膜钠离子电芯经装配、注液、化成等工序制作成钠离子电池。
实施例4
一种无隔膜钠离子电芯，包括正极片和负极片，正极片、负极片的表面均形成有β-Al2O3层，正极片上β-Al2O3层的厚度为5μm，负极片上β-Al2O3层的厚度为50μm。
上述无隔膜钠离子电芯的制备方法，包括以下步骤：
将质量比为1∶99的聚酰亚胺和β-Al2O3粉体混合，加入丙酮，搅拌后制作成油性浆料，β-Al2O3粉体的粒径为0.05μm，将上述油性浆料通过凹版涂覆在正极层状氧化物极片上，涂覆后β-Al2O3浆料的干膜厚度预计在30μm。将上述正极片烘烤后进行辊压，辊压后β-Al2O3层的厚度为5μm。
将质量比为3∶47的聚丙烯腈和β-Al2O3粉体混合，加入去离子水，搅拌后制作成水性浆料，β-Al2O3粉体的粒径为0.03μm，将上述水性浆料通过挤压涂布机涂覆在负极硬碳极片上，涂覆后β-Al2O3浆料的干膜厚度预计在130μm。将上述负极片烘烤后进行辊压，辊压后β-Al2O3层的厚度为50μm。
将上述制备的正极片与制备好的负极片叠片制成无隔膜钠离子电芯。
一种电池，将上述无隔膜钠离子电芯经装配、注液、化成等工序制作成钠离子电池。
对比例1
制作传统的钠离子电池，正极为层状氧化物，隔膜使用12μm厚的PE基膜上涂覆3μm厚的三氧化二铝浆料，负极为硬碳材料。
对比例2
将质量比为1∶19的聚偏二氟乙烯和Al2O3陶瓷粉体混合搅拌后制作成油性浆料，通过凹版涂覆在正极层状氧化物极片上，陶瓷干膜厚度预计在100μm，将极片辊压后，陶瓷干膜厚度预计15μm。将硬碳负极极片与上述制备好的正极片叠片制成无隔膜结构的钠离子电池。
对实施例1～4和对比例1～2进行电池的倍率性能测试，测试结果参见表1。
表1实施例1～4和对比例1～2电池的倍率性能测试结果
组别 02C 05C 1C 2C 3C
对比例1 100.0％ 97.3％ 96.1％ 95.1％ 94.3％
对比例2 100.0％ 97.1％ 95.8％ 94.8％ 94.0％
实施例1 100.0％ 98.5％ 97.5％ 96.6％ 96.2％
实施例2 100.0％ 98.4％ 97.7％ 96.8％ 96.4％
实施例3 100.0％ 98.3％ 97.2％ 96.3％ 96.1％
实施例4 100.0％ 97.8％ 96.9％ 95.5％ 95.0％
从上述试验结果可知，实施例1～4的电池倍率性能优于对比例1～2的电池倍率性能，这是因为β-Al2O3本身的导钠离子作用使其倍率性能有明显提升。另外，无隔膜钠离子电芯经过大倍率充电后，将实施例2、实施例3、实施例4、对比例1四组电芯进行拆解并对比界面。对比例1的电芯拆解后负极硬碳表面出现明显析钠；实施例2、实施例3、实施例4的电芯拆解界面，未发现析钠现象，界面状态良好。对比上述五组电芯满充之后的针刺测试，发现六组电芯针刺后的温升分别为83℃、43℃、45℃、42℃、37℃、36℃，从温升上看，相对于对比例1的传统隔膜方案，实施例2至4使用β-Al2O3浆料涂覆后的极片制备得到的钠离子电池明显具有更好的安全性能，因为对比例1的电池针刺时高温会导致隔膜收缩熔融甚至更多的连锁反应，而实施例2至4的钠离子电池极片由于β-Al2O3层的耐高温性能，在短路时能够很好地保护短路点不发生更大的蔓延。
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这些实施例，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的范围。

Claims (10)

1.一种无隔膜钠离子电芯，其特征在于：包括正极片和负极片，所述正极片和/或所述负极片的表面形成有β-Al2O3层。
2.根据权利要求1所述的无隔膜钠离子电芯，其特征在于，所述β-Al2O3层的厚度为5μm～50μm。
3.根据权利要求1或2所述的无隔膜钠离子电芯，其特征在于，所述β-Al2O3层由β-Al2O3浆料涂覆于所述正极片和/或所述负极片上形成。
4.根据权利要求3所述的无隔膜钠离子电芯，其特征在于，所述β-Al2O3浆料包括β-Al2O3粉体、粘结剂和溶剂，所述β-Al2O3粉体与所述粘结剂的质量比为4～100∶1，所述β-Al2O3浆料的固含量为20％～80％。
5.根据权利要求4所述的无隔膜钠离子电芯，其特征在于，所述β-Al2O3粉体的粒径为5nm～10μm。
6.根据权利要求4所述的无隔膜钠离子电芯，其特征在于，所述粘结剂选自聚偏二氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯胶、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚酰亚胺，聚四氟乙烯中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的无隔膜钠离子电芯，其特征在于，所述溶剂选自氮甲基吡咯烷酮、去离子水、乙醇、丙酮中的一种或多种。
8.权利要求1至7任意一项所述的无隔膜钠离子电芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将β-Al2O3浆料涂覆于所述正极片和/或所述负极片的表面形成β-Al2O3层，将涂覆后的所述正极片、涂覆后的所述负极片装配成电芯。
9.根据权利要求8所述的无隔膜钠离子电芯的制备方法，其特征在于，将所述β-Al2O3浆料涂覆于所述正极片和/或所述负极片的表面后，经辊压工艺压实形成所述β-Al2O3层。
10.一种电池，其特征在于，包括权利要求1至7任意一项所述的无隔膜钠离子电芯或者权利要求8或9的制备方法制备得到的无隔膜钠离子电芯。
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