CN204834730U - 一种锂离子电池负极及其制得的锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种锂离子电池负极及由其制得的锂离子电池。所述锂离子电池负极包括自下而上的负极基材层、负极活性物质层、可替代传统锂离子电池PP、PE隔离膜的氧化铝微孔涂层。所得锂离子电池负极表面的氧化铝微孔涂层不仅具有较高的机械强度，同时具有良好的保液能力以及不存在高温闭孔的现象，进而保障电池在温度适用范围上具有更好的高温适用性，适用于大倍率锂离子动力电池。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种锂离子电池用负极及其制得的锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
锂离子电池由于其电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好等优点在现代社会得到了广泛的应用。锂离子电池逐步在移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等部分方面代替了传统电池。其中高倍率锂离子电池已在电动汽车中试用，将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一。
隔膜的性能决定了锂离子电池的界面结构、内阻等，直接影响锂离子电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。目前最常用的隔膜材料为高强度、薄膜化的聚烯烃系多孔膜，如聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微孔隔膜。然而，聚丙烯(PP)单层隔膜存在成本高、膜的机械强度较低，且闭孔温度较高，约在160℃左右的缺陷，而聚乙烯(PE)单层隔膜的熔断温度偏低，导致高温收缩率较大，膜的强度低、安全性能差等缺点。现阶段已有研究表明在隔膜表面涂覆纳米氧化铝薄膜，可提高锂离子电池的安全性，其主要理论基础是氧化铝薄膜相比PP或PE具有更好的机械强度，受热不收缩。
然而，目前选用的氧化铝为纳米氧化铝颗粒，由于涂覆过厚会导致电池内阻显著上升，所以通常涂覆厚度不超过5um，但涂覆较薄又降低氧化铝涂层的阻断效果，同时对电池的安全性提升也是大打折扣。此外，由于氧化铝涂层仍需依赖传统PP或PE隔膜，PP、PE隔膜的诸多弊端也没有得到实质性解决。因此，提出一种薄膜厚度适度，又不需要依赖传统隔膜的锂离子电池负极显得尤为重要。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种锂离子电池用负极制备方法以及采用此负极制备的锂离子电池。其突出特征在于采用在负极活性物质表面涂覆一层微孔氧化铝涂层来取代传统锂离子电池用PP、PE隔膜，进而改善电池的安全特性以及提升电池的高倍率循环特性。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种锂离子电池用负极，包括自下而上的负极基材层、负极活性物质层、氧化铝微孔涂层。
本实用新型所述的锂离子电池负极中，所述氧化铝微孔涂层的厚度介于10-30μm之间。
本实用新型所述的锂离子电池负极中，所述氧化铝微孔涂层的微孔孔径介于0.03-0.12μm之间。
本实用新型所述的锂离子电池负极中，所述氧化铝微孔涂层的孔隙率介于40-50％之间。
本实用新型所述的锂离子电池负极中，所述氧化铝微孔涂层是由α晶型多孔氧化铝陶瓷颗粒材料通过制备浆料，进而在已经过碾压的负极活性物质层表面涂覆厚度为10～30μm的涂膜而制得的；
其中，所述α晶型多孔氧化铝陶瓷颗粒材料具有如下特性：(1)粒径分布均匀，颗粒内部孔径适中，通过选用不同粒径分布、不同孔径分布的氧化铝陶瓷颗粒材料可以控制制备的氧化铝微孔涂层的孔径分布，进而可以获得锂离子的良好通路。(2)纯度高，不引入杂质，不会影响电池内部环境。在本实用新型中，优选所述α晶型多孔氧化铝陶瓷颗粒的孔径分布为0.03-0.12μm之间，粒度分布为1～5μm。
其中，所述浆料是由α晶型多孔氧化铝陶瓷颗粒与粘结剂以质量比(93-99)：(1-7)混配的；所述粘结剂的分子量为50万～200万。通过调控制浆料配比及粘结剂分子量来控制涂层的孔隙率。所述粘结剂具体选择分子量90万的PVDF、分子量100万的PVDF、分子量110万的PVDF。
其中，所述负极基材层材质可选自本领域常用的作为锂离子电池负极材料的金属，如铜、铁等。
其中，所述负极活性物质层材质选自碳类材料(如石墨)、硅类材料或二者的复合材料。
本实用新型在负极活性物质层表面增设氧化铝微孔涂层，取代了传统锂离子动力电池所用的PP、PE材质隔膜，不仅具有较高的机械强度，同时具有不存在高温闭孔的问题，可显著提高锂离子动力电池的耐高温性能和安全性。
本实用新型通过采用涂覆技术手段，将氧化铝粉涂覆于负极活性物质层表面，并通过调整所选择的α晶型多孔氧化铝陶瓷颗粒的孔径分布、粒度分布来控制所制的氧化铝涂层的孔径分布；通过调节制备浆料的配比及选用粘结剂分子量不同来调剂制备涂层的孔隙率，通过调节涂覆过程中的涂膜厚度来调节涂层的厚度，通过以上控制点控制氧化铝薄膜的厚度、孔隙率、微孔孔径，从而实现了将氧化铝直接覆于负极活性物质表面的目的，最终获得的氧化铝微孔薄膜既能够完全替代传统隔膜的功能，又可进一步提高锂离子电池的安全性和高温循环性能。
本实用新型还提供一种锂离子电池，包括正极，负极、电解液以及将三者密封于电池内部的结构件，其中，所述负极为上述含有氧化铝微孔涂层的锂离子电池负极。
其中，所述正极片与负极片相互叠放而密封于电池内部；所述电池负极各周边超出正极片边缘，正极片与负极活性物质间通过负极表面的氧化铝微孔涂层阻断。
其中，所述正极中的活性物质为磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂或钴酸锂。
采用本实用新型所述的锂离子负极制得的锂离子电池，具有以下有益效果：
(1)具有耐高温性的特性，在180℃以上还能保持完整状态，而常规带有隔膜的锂离子动力电池在使用的过程中易产生大量的热量，很容易失效。
(2)具有高强度的特性。传统带有隔膜的锂离子动力电池正负极切边处容易产生分切毛刺以及极片表面存在尖锐凸起，刺穿隔膜形成短路。而本实用新型所述的电池负极由于覆涂氧化铝微孔涂层，具有较强的抗针刺强度，可有效防止电池的内部短路。
(3)具有对电解液吸液良好的特性。因为孔径介于0.03～0.12um之间，有较强的毛细作用力，具有良好的保液能力。
(4)具有高倍率的特性。氧化铝在锂离子电池中可形成固溶体，提高倍率特性和循环性能。
附图说明
图1为本实用新型所述的锂离子电池负极的结构示意图。
图中：1、负极基材层；2、负极活性物质层；3、氧化铝微孔涂层；4、正极活性物质层；5、正极基材层。
具体实施方式
以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
实施例1一种锂离子电池负极
本实施例提供一种锂离子电池负极，如图1所示，其自下而上依次为负极基材层、负极活性物质层、氧化铝微孔涂层。
其中，所述制得的氧化铝微孔涂层的厚度为20±1μm。
其中，所述制得的氧化铝微孔涂层的微孔孔径介于0.03-0.12μm之间。
其中，所述制得的氧化铝微孔涂层的孔隙率在45％左右。
其中，所述氧化铝材料是将α晶型多孔氧化铝陶瓷颗粒材料与分子量为100万的粘结剂以质量比95：5比例混配制成浆料，进而在已经过碾压的负极活性物质层表面涂覆厚度为20μm的涂膜而制得的。所述α晶型多孔氧化铝陶瓷颗粒选择孔径分布为0.03-0.12μm，粒度分布为1～5μm的氧化铝陶瓷颗粒。
其中，所述负极基材层材质为铜。
其中，所述负极活性物质层材质为石墨。
实施例2一种锂离子电池负极
本实施例提供一种与实施例1结构相似的锂离子电池负极，区别仅在于：所述氧化铝微孔涂层的厚度为11±1μm。
实施例3一种锂离子电池负极
本实施例提供一种与实施例1结构相似的锂离子电池负极，区别仅在于：所述氧化铝微孔涂层的厚度为29±1μm。
实施例4一种锂离子电池
本实施例提供一种锂离子电池，包括正极、负极、电解液以及将三者密封于电池内部的结构件，该电池的负极采用实施例1所述的锂离子电池负极，制备过程包括将正极片与负极片相互叠放而密封于电池内部；电池负极各周边超出正极片边缘1mm，正极片与负极活性物质间通过负极表面的氧化铝微孔涂层阻断，将电解液注入以上电池内部。以此制备成厚度16mm、宽度65mm、长度132mm的铝壳体、容量为10Ah的锂离子电池。
所得锂离子电池记为A1。
实施例5一种锂离子电池
本实施例提供一种采用实施例4结构相似的锂离子电池，区别仅在于：锂离子电池负极采用实施例2制备的锂离子电池负极。
所得锂离子电池记为A2。
实施例6一种锂离子电池
本实施例提供一种采用实施例4结构相似的锂离子电池，区别仅在于：锂离子电池负极采用实施例3制备的锂离子电池负极。
所得锂离子电池记为A3。
对比例1一种锂离子电池负极及采用此负极制备的锂离子电池
本对比例提供一种与实施例1结构相似的锂离子电池负极及电池，区别仅在于：所述氧化铝微孔涂层的孔隙率在35％左右。
所得锂离子电池记为A4。
对比例2一种锂离子电池负极及采用此负极制备的锂离子电池
本对比例提供一种与实施例1结构相似的锂离子电池负极及电池，区别仅在于：所述氧化铝微孔涂层的孔隙率在55％左右。
所得锂离子电池记为A5。
对比例3一种锂离子电池负极及采用此负极制备的锂离子电池
本对比例提供一种与实施例1结构相似的锂离子电池负极及电池，区别仅在于：所述氧化铝微孔涂层的微孔孔径小于0.03μm。
所得锂离子电池记为A6。
对比例4一种锂离子电池负极及采用此负极制备的锂离子电池
本对比例提供一种与实施例1结构相似的锂离子电池负极及电池，区别仅在于：所述氧化铝微孔涂层的微孔孔径在0.12-0.20μmμm。
所得锂离子电池记为A7。
对比例5一种带有隔膜的锂离子电池
一种带有隔膜的锂离子电池，包括正极，负极、隔膜、电解液以及将四者密封于电池内部的结构件，制备过程包括将正极片与负极片以及阻断正极与负极直接接触的隔膜相互叠放而密封于电池内部；电池负极各周边超出正极片边缘1mm，隔膜周边超出负极片1mm。将电解液注入以上电池内部。以此制备成厚度16mm、宽度65mm、长度132mm的铝壳体、容量为10Ah的锂离子电池。
所得锂离子电池记为A8。
性能测试
针对上述实施例以及对比例所得的锂离子电池，进行性能测试，测试方法如下：
1、外短路测试：将锂离子电池采用1C恒流恒压充饱电，用总阻值小于100mΩ的导线将锂离子电池正负极直接连接短路，锂离子电池不起火、不爆炸为合格。安排测试10pcs，记录合格通过比例；
2、热箱测试：将电池放置热箱中以(5℃±2℃)/min的速率升至150℃±2℃并保温30分钟，锂离子电池不起火、不爆炸为合格。安排测试10pcs，记录合格通过比例；
3、挤压测试：将锂离子电池采用1C恒流恒压充饱电，用大约13KN的力将锂离子电池在两平面挤压，将锂离子电池厚度方向挤压至原尺寸的50％为止，锂离子电池不起火、不爆炸为合格。安排测试10pcs，记录合格通过比例；
4、锂离子电池循环寿命评估方法：将上述的锂离子化成后电池以1C的倍率进行充放电循环，某一循环的1C放电容量与最大放电容量之比称作锂离子电池的某一循环后的容量保持率，锂离子电池容量保持率为80％时的循环周数作为衡量循环性能的指标。
5、锂离子电池倍率放电性能评估：将上述的锂离子化成后电池以1C恒流恒压充电满，将锂离子电池搁置5min，采用不同倍率(xC)恒流放电至2.0V的容量记为Dx，锂离子电池以1C恒流恒压充电满，将锂离子电池搁置5min，采用1C恒流放电至2.0V的容量记为D0，Dx/D0的比值记为不同倍率的放电效率。
测试结果如下：
表1：安全性能通过率对比表
表2：电性能对比表
由上述表1、表2可知，A1-4循环性能较好，说明其保液能力强；A1-4、A6热箱测试100％，说明其耐高温，而短路、挤压测试100％，说明其强度高；A1-3、A8的倍率放电效率较高，说明其具有高倍率性能。由此可知，采用本实用新型所述锂离子负极制得的电池在安全性能及典型能方面均优于传统采用隔膜锂离子电池。通过对氧化铝微孔涂层的厚度、孔径、孔隙率的调整对锂离子电池的影响是非常显著的，通过对其优化可进一步提升锂离子电池的安全性和电性能。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种锂离子电池负极，其特征在于，包括自下而上的负极基材层、负极活性物质层、氧化铝微孔涂层。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述氧化铝微孔涂层的厚度介于10-30μm之间。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述氧化铝微孔涂层的微孔孔径介于0.03-0.12μm之间。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述氧化铝微孔涂层的孔隙率介于40-50％之间。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述氧化铝微孔涂层是将α晶型多孔氧化铝陶瓷颗粒材料制成。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池负极，其特征在于，所述α晶型多孔氧化铝陶瓷颗粒的孔径分布为0.03-0.12μm之间，粒度分布为1～5μm。
7.一种锂离子电池，包括正极，负极、电解液以及将三者密封于电池内部的结构件，其特征在于，所述负极为权利要求1-6任一所述含有氧化铝微孔涂层的锂离子电池负极。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极片与负极片相互叠放而密封于电池内部；所述电池负极各周边超出正极片边缘，正极片与负极活性物质间通过负极表面的氧化铝微孔涂层阻断。
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2015
- 2015-07-21 CN CN201520531988.4U patent/CN204834730U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109004153A (zh) * | 2018-06-28 | 2018-12-14 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种超薄电极支撑型无机隔膜及其制备方法 |
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