CN204760488U - 无隔膜的锂离子电池及其极片 - Google Patents

Abstract

一种无隔膜的锂离子电池及其极片。极片包括：集流体，在所述集流体的正面、和/或背面涂覆有极性活性物质层，在所述集流体的正面以及背面还分别涂覆有陶瓷层，所述极性活性物质层位于所述陶瓷层与所述集流体之间。应用该技术方案有利于提高电池的体积能量密度。

Description

无隔膜的锂离子电池及其极片

技术领域

本实用新型涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种无隔膜的锂离子电池及其极片。

背景技术

目前的锂离子电池的结构主要包括正极片、负极片，在任意相邻的正极片以及负极片之间通过隔膜间隔分离。隔膜作为目前锂离子电池的重要组成部分，隔膜是一种具有纳米级微孔结构的高分子功能材料，其主要作用是将电池正负极隔开、吸收电解液、只允许锂离子通过、不允许电子通过。

本发明人在进行本实用新型的研究过程中发现，现有技术的锂离子电池存在如下的缺陷：

由于制造工艺的限制，隔膜作为对电池容量贡献较小的部分，其占据锂离子电池较多的体积，导致锂离子电池的体积能量密度受限。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的之一在于提供一种无隔膜的锂离子电池及其极片。应用该技术方案有利于提高电池的体积能量密度。

本实用新型实施例提供的一种锂离子电池用极片，包括：

集流体，在所述集流体的正面、和/或背面涂覆有活性物质层，

在所述集流体的正面以及背面还分别涂覆有陶瓷层，

所述活性物质层位于所述陶瓷层与所述集流体之间。

可选地，在所述集流体上，沿所述集流体的长度方向的第一侧面、第二侧面还分别涂覆有所述陶瓷层。

可选地，在所述集流体上，沿所述集流体的宽度方向的第一端面、第二端面还分别涂覆有所述陶瓷层。

可选地，各所述陶瓷层的厚度小于或者等于10μm。

可选地，各所述陶瓷层的厚度为0.5μm-5μm。

可选地，在各所述陶瓷层的顶面还分别涂覆有：聚烯烃树脂层。

可选地，所述聚烯烃树脂层为：聚乙烯层、或者聚丙烯层。

可选地，各所述聚乙烯层、或者聚丙烯层的厚度小于或者等于10μm。

可选地，各所述聚乙烯层、或者聚丙烯层的厚度为0.5μm-2μm。

可选地，所述极片为正极片、或者负极片。

本实施例提供的一种无隔膜的锂离子电池，包括：

相互面对面正对相贴在一起的第一极片、以及第二极片，

所述第一极片为上述之任一所述极片；

在所述第二极片的集流体的正面、和/或背面涂覆有第二活性物质层，

所述第一极片为正极片或者负极片的任一，所述第二极片为正极片或者负极片的另一。

可选地，所述第一极片为：负极片，所述第二极片为正极片。

可选地，所述电池为叠片锂离子电池。

由上可见，应用本实施例技术方案，在锂离子电池中采用极片结构的电池，可以直接使电池的正极片与负极片之间直接相贴而无需再使用隔膜，有利于在空间内提高正极片以及负极片的空间，提高电池的体积能量密度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型具体实施方式中提供的一种锂离子电池用极片的结构示意图。

附图标记：

1：集流体；2：极性物质层；

3：陶瓷层；4：聚烯烃树脂层。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

参见图1所示，此处提供一种锂离子电池用极片作为示意，该极片包括集流体1，在集流体1的正面、背面的其中之一面或者在正面以及背面的两面分别涂覆有活性物质层2，在集流体1的正面以及背面还分别涂覆有陶瓷层3，活性物质层2被覆盖在陶瓷层3与集流体1之间。

譬如：当该极片采用单面涂覆结构式，在集流体1的一面，陶瓷层3涂覆在集流体1上，在集流体1的另一面，陶瓷层3涂覆在活性物质层2上，覆盖该活性物质层2；当极片采用双面涂覆结构时，在集流体1的正面以及背面，陶瓷层3均涂覆在活性物质层2上，覆盖在活性物质层2上。

作为本实施例的示意，在本上述极片的集流体1上沿集流体1的长度方向的两侧(记为第一侧面、第二侧面)还分别涂覆有陶瓷层3，在第一侧面、第二侧面上，该陶瓷层3粘结在集流体1上。从而使从极片的宽度端面的横截面上，陶瓷层3包裹在该横截面的四周。

作为本实施例的进一步示意，还可以在本实施例的极片的集流体1上位于集流体1的宽度端部的两相对端面(记为第一端面、第二端面)进一步分别涂覆有陶瓷层3，这样使整个极片的六个面上均涂覆有陶瓷层3。

作为本实施例的示意，还可以在集流体1的各陶瓷层3上涂覆聚烯烃树脂层4,该聚烯烃树脂膜层4可以但不限于为聚丙烯层、或者聚乙烯层、或者聚丙烯层与聚乙烯层相互层式结构构成的复合层。

作为本实施例的示意，在集流体1的正面以及背面的陶瓷层3顶面进一步涂覆聚乙烯层；或者，还可以但不限于进一步地，在第一侧面、第二侧面的陶瓷层3的顶面涂覆聚乙烯层；或者，还可以但不限于进一步地，在第一端面、第二端面的陶瓷层3的顶面涂覆聚乙烯层。

作为本实施例的示意，上述的极片可以为正极片或者负极片的任一。

当该极片为正极片时，该正极片的集流体1可以但不限于选用铝箔，其上的活性物质为含有锂离子活性物质的正极活性物质。

当该极片为负极片时，该负极片的集流体1可以但不限于选用铜箔，其上的活性物质为正极活性材料，譬如一般为碳素物质。

实施例采用上述结构之任一的极片作为正极片或者负极片之一，可制成无需隔膜片的锂离子电池。

由上可见，在锂离子电池中采用上述极片结构的电池，可以直接使电池的正极片与负极片直接相贴而无需再使用隔膜，有利于在空间内提高正极片以及负极片的空间，提高电池的体积能量密度，且简化了锂离子电池的叠片工艺，有利于提高工艺效率。

在现有技术中目前最薄的隔膜厚度为12um，而采用本实施例技术方案，陶瓷层3的涂覆厚度最薄可以为几微米，譬如为0.5um、0.8um、1um、2um、3um、4um、5um、7um等，聚乙烯的涂覆厚度可以做的更薄，譬如为0.5um、1um、2um、3um、4um、6um等。可见，相对于现有技术，采用本实施例技术方案突破了现有技术的隔膜片厚度极限，涂覆的陶瓷层3以及聚乙烯层的厚度总和可以达到小于十微米，有利于大大降低电芯的厚度，提高电芯的体积能量密度。

另外，本实施例采用涂覆在极片上的陶瓷层3以及聚烯烃树脂层4替换了隔膜片，起到与隔膜片相同的作用外，采用该结构还进一步具有以下的有益效果：

1、陶瓷层3具备更高的亲水性，对电解液具有更好的吸液能力，可改善锂电池在充、放电过程中电池内部电流的分布均匀性；

2、陶瓷层3强度高，其相对于容易被穿刺的隔膜而言，更能降低电芯的短路率，提高安全性能；

3、采用上述结构突破目前隔膜制备工艺的厚度极限，大大降低电芯的厚度，提高电芯的体积能量密度。

4、本实施例中在陶瓷层3的顶部进一步涂覆聚乙烯层，可以通过聚烯烃树脂层4的涂覆密度而进一步调整该极片表面的孔径，将其调整至符合当前电池的要求，保证电池低的电阻和高的例子电导率，确保锂离子有很好的透过性，且聚乙烯层与陶瓷层3结合使具有较好的强度性能以及柔韧性能以及拉伸性能，弥补陶瓷层3强度大但易产生裂纹的缺陷，提高电池的性能一致性。

5、在现有的锂离子电池中，要求隔膜具有以下的性能：当电池温度升高达到隔膜的截断电流温度附近，隔膜的孔洞坍塌，在电极之间形成一层无孔绝缘层，电池的内阻急剧增加，电池中的电流通道被隔断，从而阻止电池电化学反应的进一步发生，避免电池温度过高而发生爆炸。而本实施例在正极材料层负极材料层之间间隔的聚乙烯层具有更低的截断电流温度(约为130℃左右)，将其应用在本实施例的极片上，有利于在电池发生爆炸之前将电池电化学反应中断，以保证电池的安全性能。

6、实验证明，采用陶瓷层3与聚乙烯层的结合，既能确保电池的安全性，又能降低电池的短路率。

7、另外，本实施例在极片的两侧面和/或端面亦涂覆陶瓷层3以及聚烯烃树脂层4，能避免活性物质层2从侧面或者端面漏出而与另一极片接触而导致短路。采用该四周全面包裹的技术方案可以实现在不增加电池厚度基础上进一步降低电池的短路率，提高电池的安全性。

其中，本实施例中的陶瓷层3材料为Al₂O₃。

对照例：

本对照例提供了一种叠片锂离子电池，该电池的规格为ASP7042126-S2A-3700mAh。其中，AS表示纯钴水性负极，7042126表示该聚合物锂离子电池的厚、宽、长尺寸为7mm、42mm、126mm，S表示标称倍率为20C，2表示电池为高容量型，A表示正极为纯钴酸锂，3700表示电池的标称容量

本电池的正极片、负极片的集流体正面以及背面均涂覆有活性物质层，其中各极片的活性物质层外露在外。

本电池中的正极片以及负极片以及隔膜片相互层叠，采用正极片入袋工艺，即正极片装入以隔膜袋中，隔膜袋的两层在两长度边缘上通过间歇电焊而相互缝接连接，装有正极片的隔膜袋与负极相互层叠制成叠片锂离子电池，然后进行封装、电解液灌注、二次热封，化成、分容等常规电池制备工艺制成。

本对照例中的陶瓷隔膜片由陶瓷层以及聚乙烯层构成，该陶瓷隔膜片的宽度以及长度略微大于负极片以及正极片，隔膜将正极片以及负极片隔开，本实施例采用的陶瓷隔膜的厚度为目前几乎最薄的12μm。

实施例1：

本实施例的叠片锂离子电池的规格同对照例。

本实施例电池的正极片包括集流体，在集流体正面涂覆有活性物质层以及陶瓷层，在集流体的背面涂覆有陶瓷层。其中各层陶瓷层的厚度为2μm。

本实施例的负极片的集流体上涂覆有活性物质层，活性物质层露出在外而未涂覆有陶瓷层或者聚乙烯层。

采用本实施例的正极片以及负极片相互层叠，使任意两相邻的正极片、负极片面对面正对层叠相贴在一起，得到一叠片锂离子电池。

上述的正极片的集流体的长度以及宽度的尺寸略小于负极片的。在正极片的侧面涂覆了陶瓷层后，正极片略窄于负极片或者与负极片同宽，而并不会导致叠片电池的宽度由于陶瓷层的涂覆而宽度变宽，有利于电池的小型化设计，提高电池的体积能量密度。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别仅在于：

本实施例集流体正面以及背面的陶瓷层的表面还涂覆有聚乙烯层，聚乙烯层的厚度为1μm。

实施例3：

本实施例的电池与实施例2的区别仅在于：

本实施例集流体的第一侧面、以及第二侧面上还粘结有陶瓷层，该处的陶瓷层的厚度为2μm。

实施例4：

本实施例电池与实施例3的区别仅在于：

在本实施例集流体的第一侧面、以及第二侧面的陶瓷层顶面还粘结有聚乙烯层，该处的聚乙烯的厚度为1μm。

实施例5：

本实施例电池与实施例4的区别仅在于：

在本实施例集流体的第一端面、第二端面顶面还粘结有陶瓷层，该处的陶瓷层的厚度为2μm。

实施例6：

本实施例电池与实施例5的区别仅在于：

在本实施例集流体的第一端面、第二端面的陶瓷层顶面还粘结有聚乙烯层，该处的聚乙烯层的厚度为1μm。

实施例7：

本实施例电池与实施例6的区别仅仅在于：

本实施例正极片的集流体上的活性物质层露出在外，在正极片的外周未涂覆有陶瓷层或者聚乙烯层或者其他涂层；

本实施例负极片的集流体上的活性物质层，在负极片的正面、背面以及第一侧面、第二侧面以及第一宽度端面、第二宽度端面顺次涂覆有陶瓷层以及聚乙烯层，陶瓷层被聚乙烯层所覆盖，极性材料被陶瓷层所覆盖，各处的陶瓷层厚度为2μm，聚乙烯层的厚度为1μm。

实施例8：

本实施例电池与实施例6的区别仅在于：

本实施例正极片的正面、背面、第一侧面、第二侧面、第一端面、第二端面的陶瓷层外涂层为：聚丙烯层，而非聚乙烯层，该处的聚丙烯层的厚度为1μm。

实施例9：

本实施例电池与实施例6的区别仅在于：

在本实施例的正极片的正面、背面、第一侧面、第二侧面、第一端面、第二端面上涂层顺序不同，具体是，聚乙烯层位于内层，陶瓷层位于外层，该处的聚乙烯层的厚度为1μm，陶瓷层厚度为2μm。

实验分析：

分别制得上述对照例、实施例1-9结构的叠片锂离子电池的随机样品100只，对随机取样进行短路以及体积能量密度以及热冲击性能测试。

其中耐热冲击性能测试是，将电池满充的电池静置于热箱中，然后使固定在电池大表面中心位置的热电偶工作发热，以(5±2)℃/min的温升速率升至(130±2)℃，并保温60min，观察其是否起火爆炸，如果电池未损坏可正常工作，则认为通过耐热冲击测试(记为Pass)，否则不通过。

对各组测试结果分别计算平均值，得到表一所示的实验数据平均值对照表：

表一：实验数据平均值对照表

项目	短路率	体积能量密度	耐热冲击(130℃,60min)
				对照例	0.11％	457.2Wh/L	55％pass
实施例1	5.77％	525.6Wh/L	36％pass
				实施例2	3.12％	522.5Wh/L	92％pass
实施例3	1.70％	522.5Wh/L	93％pass
				实施例4	1.66％	522.5Wh/L	95％pass
实施例5	0.15％	522.5Wh/L	95％pass
				实施例6	0.03％	522.5Wh/L	100％pass
实施例7	0.03％	521.9Wh/L	100％pass
				对照例8	0.03％	522.5Wh/L	74％pass
对照例9	0.07％	522.5Wh/L	92％pass

根据表一可见，相对于现有技术的采用正极片制袋的技术方案，在极片上分别包裹陶瓷层以及聚烯烃树脂层(聚乙烯层或聚丙烯层)，既能提高电池的体积能量密度，又能大大降低电池的电路率以及提高电池的抗热冲击性能；相对于在极片的陶瓷层外层涂覆聚丙烯材料的技术方案，采用在陶瓷层的外层涂覆聚乙烯材料的技术方案，既能大大提高电池的抗热冲击性能，又能使电池在温度达到一定高温时自关断，避免电池过热爆炸，有利于提高电池的安全性。

另外，本发明人在进行本实用新型的研究过程中发现，相对于先涂覆聚烯烃树脂层再涂覆陶瓷层技术方案(即为方案一)，采用本实施例推荐的先涂覆聚烯烃树脂膜层再涂陶瓷层的技术方案(即为方案二)，有利于大大降低电池的短路率以及提高耐热冲击性能。

另外，极片都会带有一定的极粉，极粉有可能刺破隔膜，采用方案一，极粉刺破聚烯烃树脂膜层后会穿过陶瓷层的裂纹与负极接触，容易导致电芯短路，且在电池经受热冲击过程中陶瓷层的裂纹可能会变大，会使得电池的耐热冲击性能变差，而采用方案二时，外层的聚烯烃树脂会弥合陶瓷层的裂纹，相比于方案二，在陶瓷层的裂纹处的聚烯烃树脂层会相对较厚，从而弥补陶瓷层的裂纹，确保方案二结构的锂离子电池的短路率更低，耐热冲击性能更佳。

另外，本发明人在进行本实用新型的研究过程中发现，在极片上涂覆陶瓷层，纳米级别粒度的陶瓷材料具有优质的耐高温性能，即使在高温下其仍然保持良好的机械结构；另外该陶瓷层中的纳米级别粒度在极片中形成固溶体，具有良好的吸液能力和保液能力，有利于大大提高电池的倍率性和循环性；并且高陶瓷层还可以中和电解液中游离的氢氟酸(HF)，提高电池的耐酸性，从而提高电池的安全性。

另外，本发明人在进行本实用新型的研究过程中发现，相对于选用聚丙烯包裹在陶瓷外的极片结构，选用聚乙烯包裹在陶瓷层外的极片结构能进一步提高电池的耐热性能，使在电池温度达到预定的温度上限时，电池能实现自关断，停止电化学反应，避免电池高温爆炸避免事故的发生。

并且，在极片外周涂覆陶瓷层以及聚乙烯层(或者聚丙烯层或者两组的组合)可以防止水分进入极片，减少极片与电芯的烘烤时间，缩短电池的生产周期，并且该聚乙烯层(或者聚丙烯层或者两组的组合)的抗拉性能能在电池的使用过程中牢牢包裹极片，避免电机材料散落，特别适用于可弯折的柔性锂离子电池，应用在该柔性锂离子电池上时，用户可以在较大的范围内将电池进行弯曲、扭曲，为电子穿戴产品的到来带来了广阔的前景。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种锂离子电池用极片，其特征是，包括：

集流体，在所述集流体的正面、和/或背面涂覆有活性物质层，

在所述集流体的正面以及背面还分别涂覆有陶瓷层，

所述活性物质层位于所述陶瓷层与所述集流体之间。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池用正极片，其特征是，

在所述集流体上，沿所述集流体的长度方向的第一侧面、第二侧面还分别涂覆有所述陶瓷层。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池用正极片，其特征是，

在所述集流体上，沿所述集流体的宽度方向的第一端面、第二端面还分别涂覆有所述陶瓷层。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池用正极片，其特征是，

各所述陶瓷层的厚度小于或者等于10μm。

5.根据权利要求4所述的锂离子电池用正极片，其特征是，

各所述陶瓷层的厚度为0.5μm-5μm。

6.根据权利要求1至5之任一所述的锂离子电池用极片，其特征是，

在各所述陶瓷层的顶面还分别涂覆有：聚烯烃树脂层。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池用极片，其特征是，

所述聚烯烃树脂层为：聚乙烯层、或者聚丙烯层。

8.根据权利要求7所述的锂离子电池用极片，其特征是，

各所述聚乙烯层、或者聚丙烯层的厚度小于或者等于10μm。

9.根据权利要求8所述的锂离子电池用极片，其特征是，

各所述聚乙烯层、或者聚丙烯层的厚度为0.5μm-2μm。

10.根据权利要求1至5之任一所述的锂离子电池用极片，其特征是，

所述极片为正极片、或者负极片。

11.一种无隔膜的锂离子电池，其特征是，包括：

相互面对面正对相贴在一起的第一极片、以及第二极片，

所述第一极片为权利要求1至10之任一所述极片；

在所述第二极片的集流体的正面、和/或背面涂覆有第二活性物质层，

所述第一极片为正极片或者负极片的任一，所述第二极片为正极片或者负极片的另一。

12.根据权利要求11所述的无隔膜的锂离子电池，其特征是，

所述第一极片为：负极片，所述第二极片为正极片。

13.根据权利要求11或12所述的无隔膜的锂离子电池，其特征是，

所述电池为叠片锂离子电池。