CN1707831A - 一种利用发泡镍材料作为集流体的锂电池及其制备方法 - Google Patents

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本发明是一种利用发泡镍材料作为集流体的锂电池及其制备方法。这种锂电池通过超身波、涂覆、轧压或负压吸附方法将活性物质、铜粉、聚四氟乙烯乳液、蒸馏水和乙醇填充入发泡镍电极中获得。本发明锂电池的制备方法主要包括配料、填充、干燥和加压成型等步骤。本发明可显著降低锂电池的电化学极化和改善电极的电子传导途径，改良了电池的大负载工作能力、低温性能及滞后特性等电性能，同时也通过改进电池内部传热模式、提高了电池安全性能。

Description

一种利用发泡镍材料作为集流体的锂电池及其制备方法
技术领域
本发明是一种利用发泡镍材料作为集流体的锂电池及其制备方法。
背景技术
锂电池是目前实用化比能量最高的电化学体系电池，其电压高、工作温度范围广、使用寿命长等的优点，成为仪器仪表等设备不可替代的电源。尽管锂电池具有上述优势，但由于它存在安全性、电压滞后、提前失效等问题，因而限制了其应用范围的进一步拓展。其中以滥用状态下电池的安全性能最为突出，目前常用的解决设计方案有利用电池薄弱环节、PTC热敏电阻限流、二极管逆向阻流和增加限流输出设计等解决方案，但均未能很好地解决锂电池安全性等缺陷。因此，如何完善锂电池的性能成为近年来业界关注的热点。锂电池的安全性是指在较大功率放电时电池发生泄漏甚或发生爆炸。较大功率放电时，会短时间内在锂电池界面上形成高电流密度区而大量放热，并在电池内局部聚集使电池温度迅速上升，内压急剧升高。为此，改善锂电池安全性的途径是：一是降低的电池内阻，以降低热量的产生；二是增加电池的导热速率，以便及时导出电池内部热量。
发泡镍电极是20世纪80年代发展起来的新型电极，以其独特三维空间高比表面特性，在化学电源领域中得到越来越广泛的应用。进入九十年代后，泡沫镍的产量也大大增加。镍泡沫电极用途十分广泛，在镉镍电池中应用最多，其次是MH/Ni电池。发泡镍在锂电池上的应用，至今末见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用发泡镍材料作为集流体的锂电池及其制备方法，以克服现有锂电池自身存在的上述缺陷，从而满足用电器件不断发展的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明是一种利用发泡镍材料作为集流体的锂电池。
本发明锂电池的制备方法是：利用超身波、涂覆、轧压或负压吸附方法将活性物质、铜粉、聚四氟乙烯乳液、蒸馏水和乙醇填充入发泡镍电极中，获得利用发泡镍材料作为锂电池集流体的锂电池。
上述制备方法主要包括配料、填充、干燥和成型等步骤。其中配料步骤如下：
配料：按质量百分比称取活性物质乙炔黑87.5～97.6、电解铜粉0.1～3.0、聚四氟乙烯乳液2.3～9.5，先均匀和粉，再向100克前述活性物质混合物中添加蒸馏水及乙醇，用搅拌器搅拌均匀，制成稀泥状的正极活性物质混合物。
本发明由于将发泡镍应用于锂电池，故具有以下主要有益效果：
其一.可显著降低电化学极化和改善锂电极的电子传导途径，改善了锂电池的大负载工作能力。
其二.改进了锂电池内部传热模式：发泡电极可增加金属镍与活性物质的接触面积，从而可以分散热量的产生和及时导出因放电产生的热量，由此提高了电池的安全性能。
其三.因采用金属镍材料，致使锂电池中化学稳定性得到提高，也便于加工所需尺寸。
其四.采用发泡镍在解决锂电池安全性问题的同时，也会改善锂电池电压滞后现象和低温放电性能。因为使用发泡镍电极，可有效降低锂电池的内阻，提高锂电池的承载能力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明是一种利用发泡镍材料作为集流体的锂电池。
本发明锂电池的制备方法为：利用超身波、涂覆、轧压或负压吸附等方法将活性物质、铜粉、聚四氟乙烯乳液、蒸馏水和乙醇等填充入发泡镍电极中，获得利用发泡镍材料作为锂电池集流体的锂电池。下面举出本发明制备方法的几种实施例。
实施例一.超身波方法
1.该方法的步骤包括：
配料：按质量百分比称取活性物质乙炔黑87.5～97.6、电解铜粉0.1～3.0、聚四氟乙烯2.3～9.5，先均匀和粉，再向100克前述活性物质混合物中添加150～550ml蒸馏水及500～950ml乙醇，用搅拌器搅拌均匀，制成稀泥状的活性物质混合物。
填充：将稀泥状的活性物质混合物倒入超身波清洗机器中，利用超身波振动使活性物质进入发泡镍材料孔隙中，通过超身波振动0.5～3小时，制成每平方厘米含活性物质0.1～0.8克的电池电极。
干燥：将带有活性物质粉料的电池电极进入烘箱烘道内干燥，使之受热均匀，制成干燥后的电池电极。干燥时，烘干温度为110±5℃，干燥时间至少4小时。
加压成型：取干燥后的电池电极经对辊轧机轧压成所需厚度的电池电极。所需厚度可根据不同型号电池尺寸来定，一般为0.6～1.8mm。例如：ER14505M电池1.2mm，ER17505M电池1.2mm，ER26500M电池1.0mm，ER34615M电池1.5mm等。
2.实验数据：
活性物质质量百分比配比为乙炔黑91.2、电解铜粉0.8、聚四氟乙烯8，100克前述活性物质混合物中添加200ml蒸馏水及650ml乙醇；超身波振动2小时，电极每平方厘米含活性物质0.6克活性物质，最后的电池电极厚度为1.2mm。
  电池型号   发泡镍材料电池(放电制度1)   冲孔镍材料电池(放电制度1)   发泡镍材料电池(放电制度2)  冲孔镍材料电池(放电制度2)
  ER14505M   1.25mAh   1.02mAh   2.31mAh  2.01mAh
放电制度1：23±2℃时，400mA恒流放电至2V。
放电制度2：23±2℃时，10mA恒流放电至2V。
实施例二.涂覆方法
1.该方法的步骤包括：
配料：按质量百分比称取活性物质乙炔黑87.5～97.6、电解铜粉0.1～3.0、聚四氟乙烯2.3～9.5，先干和粉均匀，再向100克前述活性物质混合物中添加75～330ml蒸馏水及360～750ml乙醇，用搅拌器搅拌均匀，制成稀泥状的活性物质混合物。
填充：将稀泥状的活性物质混合物均匀地涂覆在发泡镍材料的孔隙中及表面，所添加的活性物质量为每平方厘米含活性物质0.1～0.8克。
干燥：将带有活性物质粉料的发泡镍电极进入烘箱烘道内干燥，使之受热均匀，制成干燥后的极片。干燥时，烘干温度为110±5℃，干燥时间至少4小时。
加压成型：将干燥后的极片，经对辊轧机轧压成所需厚度为0.6～1.8mm的电池电极。
2.实验数据：
活性物质质量百分比配比为乙炔黑91.2、电解铜粉0.8、聚四氟乙烯8，100克前述活性物质混合物中添加125ml蒸馏水及480ml乙醇；涂覆后电极每平方厘米含活性物质0.6克活性物质，最后的电池电极厚度为1.2mm。
  电池型号   发泡镍材料电池(放电制度1)   冲孔镍材料电池(放电制度1)   发泡镍材料电池(放电制度2)  冲孔镍材料电池(放电制度2)
  ER14505M   1.14mAh   1.02mAh   2.17mAh  2.01mAh
放电制度1：23±2℃时，400mA恒流放电至2V。
放电制度2：23±2℃时，10mA恒流放电至2V。
实施例三.轧压方法
1.该方法的步骤包括：
配料：按质量百分比称取活性物质乙炔黑87.5～97.6、电解铜粉0.1～3.0、聚四氟乙烯2.3～9.5，先均匀和粉，再向100克前述活性物质混合物中添加60～180ml蒸馏水及230～650ml乙醇，用搅拌器搅拌均匀，制成膏状的活性物质混合物。
活性物质混合物干燥：将装有混合均匀的活性物质混合物的不锈钢方盘放入烘箱内干燥，使之受热均匀，制成干燥后的活性物质混合物。干燥时，烘干温度为110±5℃，干燥时间至少4小时。
浸泡：向干燥好的活性物质混合物中加入50±10℃的异丙醇，浸泡10分钟后倒出多余异丙醇。
轧膜：将浸泡透彻后的活性物质混合物放入对辊轧机，轧压成所需厚度为1～5mm的膜片，轧压过程中需多次把压出的正极膜叠成两层，形状呈方形，与原来所轧方向成90°再轧一次，制成正极膜片。
正极膜干燥：将正极膜片在110±5℃温度下烘干2～5小时后取出，备用。
后处理：为加压成型，或粘贴，由此制成电池电极。具体如下：
加压成型：取两片正极膜包裹在发泡镍材料两面，经对辊轧机轧压成厚度为0.6～1.8mm的电池电极，
粘贴：在发泡镍材料表面涂覆一薄层粘结剂，取正极膜片粘贴在发泡镍材料表面，同样方法加工另一面，粘贴后将整个发泡镍电极送入对辊轧机轧压成所需厚度为0.6～1.8mm的电池电极。
2.实验数据：
活性物质质量百分比配比为乙炔黑91.2、电解铜粉0.8、聚四氟乙烯8，100克前述活性物质混合物中添加100ml蒸馏水及300ml乙醇；涂覆后电极每平方厘米含活性物质0.75克活性物质，最后的电池电极厚度为1.2mm。
  电池型号   发泡镍材料电池(放电制度1)   冲孔镍材料电池(放电制度1)   发泡镍材料电池(放电制度2)  冲孔镍材料电池(放电制度2)
  ER14505M   1.35mAh   1.02mAh   2.33mAh  2.01mAh
放电制度1：23±2℃时，400mA恒流放电至2V。
放电制度2：23±2℃时，10mA恒流放电至2V。
实施例四.负压吸附方法
1.该方法的具体步骤包括：
配料：按质量百分比称取活性物质乙炔黑87.5～97.6、电解铜粉0.1～3.0、聚四氟乙烯2.3～9.5，先均匀和粉，再向100克前述活性物质混合物中添加150～550ml蒸馏水及500～950ml乙醇，用搅拌器搅拌均匀，制成稀泥状的活性物质混合物。
填充：将稀泥状的活性物质混合物进入密闭容器内，利用负压吸附方法使活性物质进入发泡镍材料孔隙中；控制负压低于-0.1MPa、吸附时间1-4小时，使发泡镍材料含活性物质量为每平方厘米含活性物质0.1～0.8克，制成带有活性物质粉料的发泡镍电极。
干燥：将带有活性物质粉料的发泡镍电极进入烘箱烘道内干燥，使之受热均匀，制成干燥后的电池厚极片。烘道内温度控制为110±5℃，发泡镍电极通过烘道的时间至少4小时。
加压成型：取干燥好的电池厚极片经对辊轧机轧压成厚度为0.6～1.8mm的电池电极。
2.实验数据：
活性物质质量百分比配比为乙炔黑91.2、电解铜粉0.8、聚四氟乙烯8，100克前述活性物质混合物中添加450ml蒸馏水及850ml乙醇；经负压吸附后电极每平方厘米含活性物质0.57克活性物质，最后的电池电极厚度为1.2mm。
  电池型号   发泡镍材料电池(放电制度1)   冲孔镍材料电池(放电制度1)   发泡镍材料电池(放电制度2)  冲孔镍材料电池(放电制度2)
  ER14505M   1.18mAh   1.02mAh   2.25mAh  2.01mAh
放电制度1：23±2℃时，400mA恒流放电至2V。
放电制度2：23±2℃时，10mA恒流放电至2V。

Claims (9)

1.一种锂电池，其特征是一种利用发泡镍材料作为集流体的锂电池。
2.一种锂电池的电极制备方法，其特征是一种利用超身波方法将活性物质、铜粉、聚四氟乙烯乳液、蒸馏水和乙醇填充入发泡镍材料中，获得利用发泡镍材料作为锂电池集流体的锂电池，该方法的步骤包括：
配料：按质量百分比称取活性物质乙炔黑87.5～97.6、电解铜粉0.1～3.0、聚四氟乙烯2.3～9.5，先均匀和粉，再向100克前述活性物质混合物中添加150～550ml蒸馏水及500～950ml乙醇，用搅拌器搅拌均匀，制成稀泥状的活性物质混合物，
填充：将稀泥状的活性物质混合物倒入超身波清洗机器中，利用超身波振动使活性物质进入发泡镍材料孔隙中，通过超身波振动0.5～3小时，制成每平方厘米含活性物质0.1～0.8克的电池电极，
干燥：将带有活性物质粉料的电池电极进入烘箱烘道内干燥，使之受热均匀，制成干燥后的电池电极，
加压成型：取干燥后的电池电极经对辊轧机轧压成所需厚度为0.6～1.8mm的电池电极。
3.根据权利要求1所述的锂电池的制备方法，其特征在于：干燥时，烘干温度为110±5℃，干燥时间至少4小时。
4.一种锂电池的电极制备方法，其特征是一种利用涂覆方法将活性物质、铜粉、聚四氟乙烯乳液、蒸馏水和乙醇填充入发泡镍材料中，获得利用发泡镍材料作为锂电池集流体的锂电池，该方法的步骤包括：
配料：按质量百分比称取活性物质乙炔黑87.5～97.6、电解铜粉0.1～3.0、聚四氟乙烯2.3～9.5，先干和粉均匀，再向100克前述活性物质混合物中添加75～330ml蒸馏水及360～750ml乙醇，用搅拌器搅拌均匀，制成稀泥状的活性物质混合物，
填充：将稀泥状的活性物质混合物均匀地涂覆在发泡镍材料的孔隙中及表面，所添加的活性物质量为每平方厘米含活性物质0.1～0.8克，
干燥：将带有活性物质粉料的发泡镍电极进入烘箱烘道内干燥，使之受热均匀，制成干燥后的极片，
加压成型：将干燥后的极片，经对辊轧机轧压成所需厚度为0.6～1.8mm的电池电极。
5.根据权利要求4所述的锂电池的电极制备方法，其特征在于：干燥时，烘干温度为110±5℃，干燥时间至少4小时。
6.一种锂电池的电极制备方法，其特征是一种利用轧压方法将活性物质、铜粉、聚四氟乙烯乳液、蒸馏水和乙醇填充入发泡镍材料中，获得利用发泡镍材料作为锂电池集流体的锂电池，该方法的具体步骤包括：
配料：按质量百分比称取活性物质乙炔黑87.5～97.6、电解铜粉0.1～3.0、聚四氟乙烯2.3～9.5，先均匀和粉，再向100克前述活性物质混合物中添加60～180ml蒸馏水及230～650ml乙醇，用搅拌器搅拌均匀，制成膏状的活性物质混合物，
活性物质混合物干燥：将装有混合均匀的活性物质混合物的不锈钢方盘放入烘箱内干燥，使之受热均匀，制成干燥后的活性物质混合物，
浸泡：向干燥好的活性物质混合物中加入50±10℃的异丙醇，浸泡10分钟后倒出多余异丙醇，
轧膜：将浸泡透彻后的活性物质混合物放入对辊轧机，轧压成所需厚度为1～5mm的膜片，轧压过程中需多次把压出的正极膜叠成两层，形状呈方形，与原来所轧方向成90°再轧一次，制成正极膜片，
正极膜干燥：将正极膜在110±5℃温度下烘干2～5小时后取出，备用，
后处理：为加压成型，或粘贴，由此制成电池电极，具体如下，
加压成型：取两片正极膜包裹在发泡镍材料两面，经对辊轧机轧压成厚度为0.6～1.8mm的电池电极，
粘贴：在发泡镍材料表面涂覆一薄层粘结剂，取正极膜片粘贴在发泡镍材料表面，同样方法加工另一面，粘贴后将整个发泡镍电极送入对辊轧机轧压成所需厚度为0.6～1.8mm的电池电极。
7.根据权利要求6所述的锂电池的电极制备方法，其特征在于：活性物质混合物干燥时，烘干温度为110±5℃，干燥时间至少4小时。
8.一种锂电池的电极制备方法，其特征是一种利用负压吸附方法将活性物质、铜粉、聚四氟乙烯乳液、蒸馏水和乙醇填充入发泡镍材料中，获得利用发泡镍材料作为锂电池集流体的锂电池，该方法的步骤包括：
配料：按质量百分比称取活性物质乙炔黑87.5～97.6、电解铜粉0.1～3.0、聚四氟乙烯2.3～9.5，先均匀和粉，再向100克前述活性物质混合物中添加150～550ml蒸馏水及500～950ml乙醇，用搅拌器搅拌均匀，制成稀泥状的活性物质混合物，
填充：将稀泥状的活性物质混合物进入密闭容器内，利用负压吸附方法使活性物质进入发泡镍材料孔隙中；控制负压低于-0.1MPa、吸附时间1-4小时，使发泡镍材料含活性物质量为每平方厘米含活性物质0.1～0.8克，制成带有活性物质粉料的发泡镍电极，
干燥：将带有活性物质粉料的发泡镍电极进入烘箱烘道内干燥，使之受热均匀，制成干燥后的电池厚极片，
加压成型：取干燥好的电池厚极片经对辊轧机轧压成厚度为0.6～1.8mm的电池电极。
9.根据权利要求8所述的锂电池的电极制备方法，其特征在于：烘道内温度控制为110±5℃，发泡镍电极通过烘道的时间至少4小时。
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