CN1622382A - 高安全性聚合物锂离子动力电池的设计及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明使用自刚性成型技术、超薄型电极片技术和专用添加剂技术制备高安全性聚合物锂离子动力电池。自刚性成型技术是通过在特定温度条件下，电解液混合体发生高分子热聚合反应，形成一维链状和二维网状聚合物，使“正极片/隔膜/负极片”叠片式电池芯牢固地形成一个刚性整体。超薄型电极片技术，使电解质与正负极片相接触的比表面积增大，锂离子从电解质中移动到达正负极片的速度较快，内阻较小。专用添加剂技术是保证聚合的电介质有较高的电导率和耐过充和防过热引发的自燃等安全问题。所生产出来的单体电池容量高达250Ah，放电电流为3～10C，功率密度最大可达1000W/kg，可用于电动自行车/摩托车/助力车/汽车等。

Description

高安全性聚合物锂离子动力电池的设计及其生产工艺

本发明专利涉及一种高安全性聚合物锂离子动力电池的设计及生产工艺。使用该技术生产的聚合物锂离子动力电池可以用于各种高功率大容量移动设备，例如电动自行车、电动摩托车、电动汽车、卫星通讯机、无人驾驶飞机、火箭发射器和潜艇用通讯电源等等。

电动汽车已成为当代世界各国优先发展的行业。研制和发展电动汽车是在日益严重的环境污染和日益衰竭的石油资源的条件下提出来的。全球因工业废气和汽车尾气已经造成严重的环境危害，世界上许多发达国家已经将使用电力作为各种交通工具的动力视为解决环境污染和石油危机的最佳选择。动力电池是电动汽车的核心部件。本专利将提供一种全新高效的聚合物锂离子动力电池的设计方法及其生产工艺。聚合物锂离子动力电池是一种最先进的电池，其性能优越，工作电压高，比能量高，寿命长，无污染，无记忆效应等，正受到越来越多国家的重视，它将成为未来电动车的主要电源。

锂离子动力电池正在引起越来越多的重视，其技术性能比铅酸和镍氢电池优越许多。在技术性能上，聚合物锂离子动力电池和锂离子动力电池相似，各自有其突出的性能。但是，众所周知，锂离子动力电池的电解质是液态的，外壳多数使用金属材料制成。由于锂离子电池内存在容易燃烧的有机液体电解质，外包装是坚硬脆性的金属外壳。在电池充放电时，电池内部的缺陷或者外部的不当使用，会使电池过热，放出大量热量，产生极高的内压而导致电池失火甚至爆炸。而聚合物锂离子动力电池由于采用了聚合物成型技术，其电解质是胶体状或固态的，它不需要金属外壳来固定外型，而采用非常薄的铝塑复合膜或塑料膜作为外壳。即使电池有内压产生，软铝塑复合膜会随内压变化而变形膨胀，不会造成内压积累而导致的爆炸。所以聚合物锂离子电池的安全性能远远高于锂离子电池。总之，聚合物锂离子电池的优越安全性能主要来源于二个方面，其一是低化学反应活性的凝胶态电解质，其二是软外壳包装材料，使用聚合物锂离子动力电池将会大大降低电动车因在使用液态锂电过程中发生爆炸的机率，减少所造成的经济损失。

现有聚合物锂离子电池技术只用于制备小型电池的生产中，例如蓝牙耳机电池、手机电池、便携式DVD等。由于电动车用动力电池需要大功率输出，电池必须在3～10C倍率下工作，现有聚合物锂离子电池技术无法满足高功率动力电池的技术和安全性能要求，在大电流条件下无法释放出电池储存的能量，而且容易因电池发热而导致事故隐患。

本发明专利的技术特点是采用特殊电池结构设计，电解质添加剂和新的成分配方来克服上述的技术缺点，制备出的聚合物锂离子电池可以用作动力电池，在3～10C倍率下长时间安全放电工作。

工艺方法的特点是，工艺流程和生产设备简单、每道工序作业时间短、操作成本低、生产率高、过程容易控制、成品率高。生产出来的电池中电解质是以一种凝胶态聚合物形式存在，在电池中没有流动电解液。正负电极片和隔膜被经过现场高分子聚合过程而形成的聚合物电解质牢牢地粘在一起，叠片式电池芯自身形成一个刚性整体，具有抵抗外来压力而不变形的能力。我们称之为叠片式自刚性成型技术，是本发明的核心技术。采用本发明工艺方法生产出的聚合物锂离子动力电池与现有技术生产的聚合物锂离子动力电池和液体锂离子动力电池相比，具有超高能量密度、更好的安全性能和更低的生产成本。

本发明所提供的电池设计主要涉及三个关键技术：一、叠片式自刚性成型技术；二、超薄型电极片设计；三、专用添加剂技术。

首先是叠片式自刚性成型技术，通过在电解液中加入一定比例的多种单体和引发剂，然后将该电解液混合体注入到“正极片/隔膜/负极片”叠片式电池芯中，在特定温度条件下，电解液混合体会发生高分子热聚合反应，形成一维链状和二维网状聚合物。该聚合物电解质的结构与正负极片薄膜中的高分子粘结剂相似，因此两者间形成网状交联偶合聚合物，从而使“正极片/隔膜/负极片”叠片式电池芯牢固地形成一个刚性整体。也就是说正极片与隔膜与负极片被电解质聚合物粘结在一起，从而实现了自刚性。由于电池芯自身具有了刚性和强度，它所采用的软性外包装塑料膜在电池内压增加时，可以随着内压而变形，不会因内压积累而导致电池爆炸。此外，在电池内采用具有闭孔阻燃效应的隔膜，当电池在滥用和事故条件下，温度上升到150℃左右时，隔膜会自动关闭微孔通道，阻止锂离子通过，切断内电流和阻止燃烧发生，保证了电池的安全性。

其次是超薄型电极片设计，为了满足高功率大电流的要求，正负极片的面密度必须分别小于15mg/cm²和7mg/cm²，双面膜厚度分别小于250μm和120μm，孔隙率应该大于30％。在这种超薄型电极片中，电解质与正负极片相接触的比表面积较高，锂离子从电解质中移动到达正负极片的时间较短、速度较快，内阻较小，从而实现了动力电池大电流放电的要求。

第三是专用添加剂技术。为了提高电解质的电导率和防止软外包装气胀，本发明采用了在电解质中加入多种添加剂的技术。由于电池的内阻与聚合物电解质的导电性能直接相关，而在大型电动车中，单体电池必须经过十几级或几十级串联成电池组才能够达到电压要求，因此聚合物电解质必须有很高的导电率，才能大大降低单体电池的内阻和电池组的内阻，从而在高充放电速率条件下释放大功率。在电解液中添加卤素化合物可以进一步提高现有聚合物电解质的导电性。

电动车用聚合物锂离子动力电池的体积和功率比普通聚合物锂离子电池大许多倍，在高充放电速率条件下，电池会发热，有可能发生化学副反应(例如电解质分解气化)，使电池软外包装气胀起来。如果处理不当，热量可能损坏电池，使其技术性能迅速变差；严重的情况下会导致电池起火燃烧。电极片和电解质中加入无机物消气剂或苯系列、硅烷系列、砜系列等添加剂可以有效地减少和消除气胀、过热、过充等造成的安全隐患。而且这些高分子阻燃剂在电池温度升高时，会发生聚合反应，在隔膜表面和正负极表面形成致密的聚合物薄膜，从而阻挡锂离子通过，达到切断内电流和阻止燃烧发生的目的，从而保证电池的安全性。这与隔膜的闭孔阻燃效应相独立而又相辅助，起到双重阻燃效应。

本发明所提供的聚合物锂离子动力电池生产工艺技术包括：

负电极的制备：

(1.1)制浆：负电极浆料的组成(wt％)为：专用溶剂15-75、粘接剂(1，1-二氟乙烯等)1-10、负极活性物质(石墨类、焦碳类、焦沥青、碳纤维类，等)15-55。将专用溶剂和粘接剂分别与粉末状的负极活性物质混合，经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的负极浆料。

(1.2)涂膜：将制成的浆料按照电池产品设计的要求，均匀地涂覆在铜金属箔的正反二个表面，烘干，制成负极极片。

(1.3)分切：将负极极片裁切成电池产品设计的尺寸，制成负极带(片)，并将负极引线焊接好。

正电极的制备：

(2.1)制浆：正电极浆料的组成(wt％)为：专用溶剂10-60、粘接剂(1，1-二氟乙烯等)2-15、导电材料(碳黑、石墨等)作添加剂1-10、粉末状的正极活性物质(锂钴氧化物LiCoO₂、锂镍氧化物LiNiO₂、锂钴镍氧化物LiCoNiO₂、锂锰氧化物LiMn₂O₄，或它们的固溶体Li_αNi_βCo_γMn_δO₂，LiFePO₄等)30-50。将专用溶剂、粘接剂和导电添加剂分别与粉末状的正极活性物质混合，经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的正极浆料。

(2.2)涂膜：将制成的浆料按照电池产品设计的要求，均匀地涂覆在铝金属箔的正反二个表面，烘干，制成正极极片。

(2.3)分切：将正极极片裁切成电池产品设计的尺寸，制成正极带(片)，并将负极引线焊接好。

隔膜：将复合聚乙-丙烯隔膜纸裁切成电池产品设计的尺寸，制成隔膜带(片)。

叠片式电池芯：将上述片状元件按正极/隔膜/负极/隔膜/正极自上而下的顺序放好，经叠片制成电池极芯。

装配：在事先模压成型的软包装壳中放置电池芯，在正负极引线上配好防漏膜。用热封接机把软包装壳的三边缘密封。

粘微粒沉积：有二种粘微粒沉积方式，其一是把事先配制的聚合物液体按电池产品设计的量引入电池芯中，在微粒沉积机中操作几分钟，聚合物粘微粒会沉积于正、负电极片和复合聚乙-丙烯隔膜带表面上。其二是事先把聚合物与电解液的混合液按电池产品设计的量配制好，并引入电池芯中。电解液是在碳酸乙烯和乙基甲基碳酸(体积比1∶3)混合溶剂中每升溶解1.5克分子六氟磷酸锂而制成。

电解质胶化和外包装封口：在100℃下加热胶化数分钟，然后，用热封接机把软包装壳的第四边缘密封。

热辊压聚合：在120℃加热和加压条件下，注入到电池芯内的电解液会发生再次聚合和凝胶化，转变成正常的胶态聚合物电解质，把正、负电极与隔膜紧密地粘接在一起，使电池芯形成一个具有自身整体强度和刚性的整体。

化成和放置：用专用的电池充放电设备对成品电池进行慢速充电化成，在负电极表面形成保护膜。然后放置数周后，再作放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池，待出厂。

按照本发明所提供的电池设计与工艺技术条件进行的生产操作，可以解决的问题和达到的目标分述如下：

A、提高聚合物锂离子动力电池的安全性能

在现有的小型聚合物锂离子电池生产工艺设计中，都是用固态聚合物电解质作为隔膜。也就是说，聚合物电解质有双重作用：既是隔膜(电子绝缘体)又是电解液的载体(锂离子导体)。然而，聚合物电解质的机械强度不好，温度系数很大。在室温下，固态聚合物电解质尚可起到电子绝缘体的作用，将电芯中的正、负极分隔开来。但是，当温度升高时或是电池受到一定的外压时，此类聚合物电解质就会迅速软化，其机械性能变差，以至无法保持原有隔膜的形状和厚度、即无法继续将电芯中的正、负电极分隔开来。因此，电芯中某些部位的正、负电极会相互接触形成短路，造成电芯局部过热。局部电芯过热，会导致更大面积的聚合物电解质软化变形、融解收缩，致使更大面积的正、负电极短路，电池温度会更快地上升。最后，此类连锁滚动反应将导致电池喷液失火燃烧。

本发明所提供的结构设计将会有效地克服上述问题。在本发明的聚合物锂离子动力电池中，胶态聚合物电解质与复合聚乙-丙烯隔膜共存，胶态聚合物电解质是以连续状态存在于复合聚乙-丙烯隔膜的表面和微孔之中，并与正、负电极表面相接触。在本发明所提供的工艺技术条件下，胶态聚合物电解质作为电解质而言只有一种功能：锂离子导体。隔膜(电子绝缘体)的功能是由复合聚乙-丙烯膜带来完成的。由于复合聚乙-丙烯膜带具有良好的高温机械特性，上述的局部短路现象发生的概率大大减小。更重要的是，复合聚乙-丙烯膜带的熔融温度在120-150℃之间，在此温度下隔膜带中的微孔结构会因熔融而被封密起来，导致包含在微孔中的胶态电解质被封密和隔离开来，即锂离子导体失效。也就是行业技术术语常说的隔膜热阻效应(热熔保护效应、热开关效应)。

B、加强电池芯自身的整体机械强度、避免电池发生膨胀和变形

在液态锂离子电池中，电池芯(无论是卷绕式或是叠片式)是松散和柔软，不具有自身的机械强度和刚性。为了保证电池正常稳定的充放电循环工作状态和电池性能的一致性，正、负电极间的距离必须保持最小而且恒定不变。因此，必须借助于刚性金属(铝或钢)壳来维持电池芯需要的强度。

在现有的小型聚合物锂离子电池工艺技术中，固态聚合物电解质隔膜是多孔性和呈豆腐状的，其自身的机械强度很小，而且，正、负电极片与固态聚合物电解质隔膜之间的粘结性很差。因此，此类聚合物电解质组成的电池芯，其机械强度自然不会好。再加上软塑料外包装，没有刚性金属壳支撑，在外力作用下或电极材料充放电过程中的晶体结构缩胀时，电池芯会逐渐变形而失效。在室温快充条件下，此类聚合物锂离子电池产品的充涨率很高.在高温静置条件下，此类聚合物锂离子电池的体积鼓胀率会大大超过用户所允许的范围。

本发明认真考虑了聚合物锂离子动力电池芯的自身结构强度设计，而不依赖刚性外壳的强度支撑，这与专利02108832.2所公开的那样。在工艺上采用了复合材料作为电池芯的结构骨架。这种复合材料的组成是：(a)具有织网状纤维结构的复合聚乙-丙烯膜带；(b)沉积于复合聚乙-丙烯膜带表面的聚合物粘微粒，作为强力粘接剂；(c)存在于复合聚乙-丙烯膜带表面和微孔中的聚合物电解质，也有粘合效应。本发明的聚合物锂离子电池芯中纤维骨架(复合聚乙-丙烯膜带)加粘接剂(聚合物微粒和胶态电解质)所形成的复合材料与玻璃钢(玻璃纤维加环氧树脂)复合材料相类似，都具有聚合物复合材料的特点，即轻质、高强、韧性和刚性兼而有之。电池芯的基本单元结构为：复合隔膜/正极/复合隔膜/负极。此基本单元多次重复叠加后构筑成整体电池芯。由于电池芯的自身结构强度高、刚性好，本发明的聚合物锂离子电池的高温膨胀率低，变形性小，循环特性稳定。

C、简化工艺流程、缩短工序时间、降低生产成本

为了使聚合物电解质有较高的导电率，多数现有的小型聚合物锂离子电池工艺技术使用了造孔剂(或称为增塑剂、增润剂)。也就是说，在制备聚合物隔膜时，使用二相分离技术：母相是聚二氟乙烯之类的聚合物为隔膜主体，子相为邻苯二甲酸二丁酯。子相以液体微珠形态分散在母相之中。在50-85℃温度下烘干数十分钟后，子相从母相中脱出蒸发，而在母相中留下许多微孔。当把隔膜浸泡在电解液中时，液态电解液被吸附和包溶在聚合物隔膜的微孔中，整体形成二相电解质，其锂离子导电率较高，可达10^-3S/cm。然而，隔膜成型、造孔剂的萃出、叠片热压和电解液的吸入需要数十分钟至1小时的时间来完成。操作流程复杂、工序时间太长，造成生产率降低，成本上升。

本发明所提供的工艺技术完全抛开了现有技术中的聚合物成膜、造孔剂萃出和电解液吸入这样三个费时、繁琐的工艺过程，而另辟蹊径。仅工序时间就从原有的数小时缩短到几分钟。采用本发明所提供的工艺技术来生产聚合物锂离子电池，不仅工艺流程简化、所需设备减少、工序时间缩短、生产效率提高、产品成本降低，而且，在产品质量控制、性能一致性和成品率提高等方面都有益处。

通过参照附图和详细描述本发明聚合物锂离子电池的构造和各个元件，可以更清楚地描述本发明的特点和优点。其中：

图1是本发明聚合物锂离子动力电池芯局部剖面示意图，其中有胶态电解质4，聚合物粘性微粒5和聚乙烯-聚丙烯隔膜2，负极片1和正极片3。胶态电解质被吸附在聚合物粘性微粒之间和包含在聚乙烯-聚丙烯隔膜微孔中。聚合物粘性微粒和胶态电解质共同作用于正、负电极片和聚乙烯-聚丙烯隔膜片地表面，将三者牢固地粘结在一起，形成一个刚性体。

图2是本发明聚合物锂离子动力电池的外形示意图。1是电池芯，由若干负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片叠摞而成，2是片状地负极引出线，3是片状地正极引出线。这种引出方式可以使电池外包装铝塑膜和引出线之间实现良好地封接，又可以保证动力电池实现3C～5C的放电要求。

图3是本发明聚合物锂离子动力电池另一种外形图。1是电池芯，由若干负极片/隔膜/正极片/隔膜/负极片叠摞而成，叠摞层数由电池容量设计而定。2是片状地负极引出线，3是片状地正极引出线。这种引出方式可以使电池外包装铝塑膜和引出线之间实现良好地封接，同时可以保证动力电池实现5C～10C的放电要求。

图4是本发明聚合物锂离子动力电池放电特性图。该聚合物锂离子动力电池标称容量为150Ah，在6C放电条件下，功率密度曲线和电压曲线都有一个很好的平台，平均功率密度为540W/kg，中点能量密度为145Wh/kg，可以满足电动车对电池的高倍率放电要求。

详细描述以下优选实施例，将会更好地了解本发明的优越性。

实例1

负电极片的制造方法：

将156克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于N-甲替-2-呲咯烷二酮，然后加50克乙炔黑，最后加入2200克石墨粉。经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的负极浆料。将负极浆料涂布在14微米厚的铜箔两个表面上。在120℃下干燥除去溶剂N-甲替-2-呲咯烷二酮，电极带的厚度控制在200±10微米。电极带经辊压后的厚度控制在110±5微米。将负电极带切裁成68×165mm²尺寸电极片。然后在未涂膜的起始铜箔面上点焊一条镍引线。

正电极片的制造方法：

将365克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于N-甲替-2-呲咯烷二酮，然后加253克乙炔黑，最后加入5000克锂钴氧。经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的正极浆料。将正极浆料涂布在20微米厚的铝箔两个表面上。在120℃下干燥除去溶剂N-甲替-2-呲咯烷二酮，电极带的厚度控制在250±10微米。电极带经辊压后的厚度控制在145±5微米。将正电极带切裁成65×160mm²尺寸电极片。然后在未涂膜的起始铝箔面上超声波焊上一条铝引线。

电池芯的制造方法：

将正、负电极片和聚乙-丙烯隔膜片按负电极片/隔膜片/正电极片/隔膜片负电极片顺序叠好，叠成5.0×70×170mm³的电池芯。电池芯共有正极片16层、负电极片17层。正、负电极引线长出电池芯15mm，平行间隔10mm。

电池芯的刚化和电解质胶化方法：

电池芯在90℃下真空干燥数小时后，放入事先做好塑料/铝箔复合膜外包装袋中，热压封接三边，只留一边开口用于注液。然后将已混合好聚合物液体的电解液注入电池芯，注液量为45克，停留4～7小时，让电解液均匀分散和渗透，同时使液体中的聚合物在正、负电极片和聚乙-丙烯隔膜片表面上形成聚合物粘微粒；再在100℃下加热胶化10分钟后，再热压密封注液口。把密封好的电池芯在120℃下热辊压四次，每次热辊压时间约45秒。在120℃下热辊压过程中，聚合物粘微粒与电解液继续发生胶化反应。同时，聚合物粘微粒在热辊压过程中和在电解液的作用下将正、负电极片与聚乙-丙烯隔膜片牢牢地粘结在一起，形成一个刚性整体。

电池的化成和排气再封口方法：

使用专用的电池充放电设备对电池进行4.2V/0.2C(CC+CV)慢速充电化成，在负电极表面形成保护膜。然后排放在化成过程中产生的少量气体，最后封口完成全部制备工艺操作，完成电池制作。

所制成的电池容量6Ah以上，重量能量密度可以达到140Wh/kg；功率密度可以达到600W/kg；30A放电容量在80％以上。1C循环200周后，充电容量仍能保持初期的90％以上。

实例2

按实例1制备正、负极片，将正、负电极片和聚乙-丙烯隔膜片按负电极片/隔膜片/负电极片/隔膜片顺序叠好，叠成10.0×70×170mm³的电池芯。电池芯共有正极片30层、负电极片31层。正、负电极引线长出电池芯15mm，平行间隔10mm。再按实例1的方法制成电池并化成。

所制成的电池容量12Ah以上，重量能量密度可以达到150Wh/kg；功率密度可以达到600W/kg；60A放电容量在80％以上。1C循环200周后，充电容量仍能保持初期的90％以上。

实例3

按实例1制备正、负极片，正极片裁成194×160mm²，负极片裁成197×165mm²，将正、负电极片和聚乙-丙烯隔膜片按负电极片/隔膜片/正电极片/隔膜片/负极片顺序叠好，叠成18.0×200×170mm³的电池芯。电池芯共有正极片50层、负电极片51层。正、负电极引线长出电池芯25mm，平行间隔20mm。再按实例1的方法制成电池并化成。

所制成的电池容量55Ah以上，重量能量密度可以达到150Wh/kg；功率密度可以达到800W/kg；160A放电容量在80％以上。0.2C循环200周后，充电容量仍能保持初期的92％以上。

实例4

负电极片的制造方法：

将256克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于N-甲替-2-呲咯烷二酮，然后加102克乙炔黑，最后加入2200克石墨粉。经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的负极浆料。将负极浆料涂布在14微米厚的铜箔两个表面上。在120℃下干燥除去溶剂N-甲替-2-呲咯烷二酮，电极带的厚度控制在160±10微米。电极带经辊压后的厚度控制在90±5微米。将负电极带切裁成197×167mm²尺寸的电极片。然后在未涂膜的起始铜箔面上点焊一条镍引线。

正电极片的制造方法：

将610克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于N-甲替-2-呲咯烷二酮，然后加488克乙炔黑，最后加入5000克锂锰氧。经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的正极浆料。将正极浆料涂布在20微米厚的铝箔两个表面上。在120℃下干燥除去溶剂N-甲替-2-呲咯烷二酮，电极带的厚度控制在250±10微米。电极带经辊压后的厚度控制在150±5微米。将正电极带切裁成194×164mm²尺寸。然后在未涂膜的起始铝箔面上超声波焊上一条铝引线。

电池芯的制造方法：

将正、负电极片和聚乙-丙烯隔膜片按负电极片/隔膜片/正电极片/隔膜片顺序叠好，叠成10.0×200×170mm³的电池芯。电池芯共有正极片27层、负电极片28层。正、负电极引线长出电池芯25mm，平行间隔20mm。

按实例1对电池芯进行刚化、电解质胶化、密封、化成制成电池。

所制成的电池容量20Ah以上，重量能量密度可以达到130Wh/kg；功率密度可以达到1000W/kg；100A放电容量在80％以上。1C循环200周后，充电容量仍能保持初期的80％以上。

实例5

按实例4的方法制备正极片、负极片。将正极带裁成294×164mm2尺寸的正极片，然后在未涂膜的起始铝箔面上超声波焊上一条铝引线。将负电极带切裁成297×167mm²尺寸的负极片。然后在未涂膜的起始铜箔面上点焊一条镍引线。将正、负电极片和聚乙-丙烯隔膜片按负电极片/隔膜片/正电极片/隔膜片/负极片顺序叠好，叠成40.0×300×170mm³的电池芯。电池芯共有正极片110层、负电极片111层。正、负电极引线长出电池芯25mm，平行间隔20mm。

按实例1的方法对电池芯进行刚化、电解质胶化、密封、化成制成电池。

所制成的电池容量120Ah以上，重量能量密度可以达到130Wh/kg；功率密度可以达到1000W/kg；100A放电容量在80％以上。0.1C循环200周后，充电容量仍能保持初期的80％以上。

实例6

负电极片的制造方法：

将256克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于N-甲替-2-呲咯烷二酮，然后加102克乙炔黑，最后加入2200克石墨粉。经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的负极浆料。将负极浆料涂布在14微米厚的铜箔两个表面上。在120℃下干燥除去溶剂N-甲替-2-呲咯烷二酮，电极带的厚度控制在210±10微米。电极带经辊压后的厚度控制在150±5微米。将负电极带切裁成296×167mm²尺寸的电极片。然后在未涂膜的起始铜箔面上点焊一条镍引线。

正电极片的制造方法：

将610克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于N-甲替-2-呲咯烷二酮，然后加488克乙炔黑，最后加入5000克锂钴氧。经高速搅拌均匀、真空或静置除气后制成浆状的正极浆料。将正极浆料涂布在20微米厚的铝箔两个表面上。在120℃下干燥除去溶剂N-甲替-2-呲咯烷二酮，电极带的厚度控制在300±10微米。电极带经辊压后的厚度控制在200±5微米。将正电极带切裁成292×163mm²尺寸。然后在未涂膜的起始铝箔面上超声波焊上一条铝引线。

电池芯的制造方法：

将正、负电极片和聚乙-丙烯隔膜片按负电极片/隔膜片/正电极片/隔膜片顺序叠好，叠成320.0×300×170mm³的电池芯。电池芯共有正极片70层、负电极片71层。正、负电极引线长出电池芯25mm，平行间隔20mm。

按实例1对电池芯进行刚化、电解质胶化、密封、化成制成电池。

所制成的电池容量150Ah以上，重量能量密度可以达到150Wh/kg；功率密度可以达到550W/kg；450A放电容量在90％以上。0.1C循环200周后，充电容量仍能保持初期的90％以上。

Claims (13)

1、一种高安全性的聚合物锂离子动力电池的结构设计与制作，它包括：

1.1、负电极复合元件是由活性物质+导电剂+粘结剂组成的混合体涂布在金属铜箔表面上。

1.2、负电极复合元件的设计参数是膜密度、空隙率、厚度；

1.3、正电极复合元件是由活性物质+导电剂+粘结剂组成的混合体涂布在金属铝箔表面上。

1.4、正电极复合元件的设计参数是膜密度、空隙率、厚度；

1.5、隔膜复合元件是由聚合物粘性微粒+胶态电解质组成的混合体沉积在聚乙烯-聚丙烯隔膜带的两个表面上；

1.6、提高电池性能而在电极片或电解质中添加的化学物质；

1.7、由多层聚乙烯膜-聚丙烯膜贴在金属箔的表面上组成的外包装复合元件；

2、根据权利要求1.1，负电极复合元件的活性物质是一种或几种碳质材料的组合，例如天然或合成石墨、沥青焦、活性碳等。导电剂是各种导电碳黑，如乙炔黑、丙酮黑、Supper P/S等，粘结剂可以是聚合物或者合成树脂。

3、根据权利要求1.2，负电极复合元件膜密度5～10毫克/平方厘米，空隙率30％～50％，厚度0.08～0.15毫米；

4、根据权利要求1.3，正电极复合元件的活性物质是一种或几种锂插层氧化物的组合，例如锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂钴镍氧化物、锂锰氧化物，或他们的混合体。导电剂是各种导电碳黑，如乙炔黑、丙酮黑、Supper P/S等，粘结剂可以是聚合物如聚偏1，1-二氟乙烯。

5、根据权利要求1.4，负电极复合元件膜密度10～18毫克/平方厘米，空隙率30％～50％，厚度0.1～0.2毫米；

6、根据权利要求1.5，隔膜复合元件中的聚合物粘性微粒可以在多种化学聚合物中选择，如聚乙烯脂、聚氯乙烯、聚丙烯酸脂、聚丙稀酸甲脂、聚乙烯腈、聚偏1，1-二氟乙烯、聚乙酸乙烯脂、聚环氧乙烷等。聚合物粘性微粒的尺寸在5纳米至20微米之间。胶态电解质是由电解液与聚合物粘性微粒在特定工艺条件下发生一定物理化学反应的产物。隔膜复合元件中的隔膜带可以是复层聚乙烯-聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚丙稀膜。膜厚在20～50微米之间，膜的微孔尺寸在0.1至0.2微米之间，膜的空隙率在35％至65％之间。

7、根据权利要求1.6在电极片和电解质中添加的化学物质。如无机物二氧化硫或有机物苯系列、联苯系列、对苯系列、硅烷系列、砜系列等添加剂。

8、外包装复合元件中的塑料/金属箔复合膜可以是聚乙烯、聚丙烯、聚酯与金属箔如铝等材料的复合多层膜。塑料和金属之间的粘结剂可以是环氧树脂、聚亚胺脂、聚酰胺等。

9、一种胶态聚合物锂离子动力电池的制造方法，其叠片式电池芯是将权利要求1的三种复合元件1.1、1.3、1.5经层叠而成的多层电池芯体。

10、电池芯的聚合物粘性微粒是经过液相沉积工艺在所有三种复合元件1.1、1.3、1.5的表面或者在任何一种复合元件的表面形成。聚合物液体是权利要求6中举例的聚合物的溶液、乳液、凝胶液或悬浮液。有多种方法可以用来将聚合物液体与所有三种复合元件1.1、1.3、1.5或其中任何一种复合元件进行接触，包括注液、喷液、刷液。

11、电池芯的聚合物电解质的胶化反应是在聚合物微粒与电解液之间同时发生的物理化学反应。胶化反映的工艺条件是：温度70～120℃。压力2～20公斤/平方厘米，时间1～15分钟。

12、经权利要求11制备的电池芯是三种复合元件1.1、1.3、1.5粘结在一起，自身具有一定机械强度和很小的内阻，可以满足动力电池的高倍率放电和长的循环寿命。

13、本发明制造的电池引线是扁宽的金属引线。正极引线金属是铝、铝镁合金、铝镍复合带，厚度0.1～0.3毫米，宽度11～230毫米；负极引线金属是镍、镍合金、镍铝复合带，厚度0.1～0.3毫米，宽度11～230毫米。

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