CN217214838U - 一种卷绕电芯、制备工艺以及高功率水系钠盐电池 - Google Patents

Abstract

一种采用自支撑柔性厚电极通过卷绕工艺制备水系钠盐电池的结构，其主要特征和优势包括：a)连续的自支撑柔性厚极片，厚极片能够卷绕成卷状，采用连续性卷绕方式生产，生产效率高；b)可根据卷绕电芯的设计规格自由调整电极和集流体的长度，便于控制，实现不同规格产品输出；c)且集流体经过防腐保护，卷绕电芯只需正负极各一次分切，整个电芯结构只存在正负极集流体两个切断断面，很大程度降低集流体腐蚀的风险；d)极耳和集流体为一体化结构，无需在极片内部再焊接极耳，可以有效降低电池内阻，便于成型。

Description

一种卷绕电芯、制备工艺以及高功率水系钠盐电池

技术领域

本实用新型涉及储能电池技术领域，具体地，涉及一种卷绕电芯、制备工艺以及高功率水系钠盐电池。

背景技术

在中国实现“碳达峰、碳中和”目标背景下，电力需求市场越来越大，而大容量储能技术是新能源的关键一环，近年来引起了广泛关注。目前业界主流的储能电池电芯按照制作工艺划分，可以分为卷绕工艺和叠片工艺，卷绕工艺由于制成容易，生产效率高，被广泛应用。但锂电池由于受限于安全性的要求，电芯尺寸和容量一般较小，例如现在最大的圆柱锂电池的尺寸为直径46mm，高度80mm(型号46800)。水系钠盐电池采用中性钠盐溶液作为电解液，在本征上具备安全、环保、长寿命等优点，该体系既避免了有机电解质的易燃问题，又克服了传统水系电池的高污染、寿命短(如铅酸电池)、和价格昂贵(锂离子电池)的缺点，是能够满足大型储能技术要求的理想体系之一。如能将卷绕工艺应用于水系钠盐电池的制备，则不必受限于电池尺寸和安全性的限制，理论上可以制备大尺寸，高容量，安全环保的水系钠盐电池，并且极大提高电池的组装效率。

中国发明专利申请公布号CN109755473A(申请号201811630834.5)涉及了一种锂电池电极的干法制备方法，所使用的干法制得的电极薄膜带厚度50-100微米，通过高温滚压将电极薄膜带复合到电极集流体上，得到成卷的锂电池电极。中国发明专利申请公布号CN112687833A(申请号202011553241.0)涉及了一种干法电极极片制备方法、采用其制备得到的电极极片及用途，原料粉末混合后经加热和纤维化后得到极片粉料，极片粉料依次经垂直辊压和水平辊压后得到膜片，膜片与箔材一同进入贴合辊，辊压成型得到电极极片。中国实用新型专利授权公告号CN213660479U涉及了一种多极耳卷绕电池，采用多极耳设计，增加两个极耳采用与集流体一体成型的方式，存在极耳焊接和极耳贴保护胶，无法做到全部极耳与集流体一体成型。

常规的制备方法存在以下问题：1)目前电极制备基本采用湿法成型工艺，即配制浆料、涂布、干燥、辊压的过程工序，其过程使用了大量的有机溶剂或去离子水，存在溶剂回收困难，干燥过程能耗高、极片易开裂、电极密度低等问题；2)现有卷绕工艺技术是将活性物质涂覆或热压复合于铝箔(铜箔)集流体上，虽产品效率高、一致性好，但卷绕工艺由于存在内外曲率差，很难运用在厚电极，主要应用于薄极片电池；叠片生产效率低，生产控制较为繁琐，每个电芯至少几十个极片，检测、运转、统计等都是难点，产品一致性难以把控；3)水系钠盐电池的集流体目前使用的最多的是不锈钢，采用铝箔需要做防腐蚀保护，如叠片电芯极片的切边较多，尤其是集流体切边断面容易被盐溶液腐蚀，为了消除集流体切边断面腐蚀的影响会增加更多的工艺和设备，制程更加复杂。

实用新型内容

本实用新型创造一种采用自支撑柔性厚电极通过卷绕工艺制备水系钠盐电池的结构，其主要特征和优势包括：a)连续的自支撑柔性厚极片，厚极片能够卷绕成卷状，采用连续性卷绕方式生产，生产效率高；b)可根据卷绕电芯的设计规格自由调整电极和集流体的长度，便于控制，实现不同规格产品输出；c)且集流体经过防腐保护，卷绕电芯只需正负极各一次分切，整个电芯结构只存在正负极集流体两个切断断面，很大程度降低集流体腐蚀的风险；d)极耳和集流体为一体化结构，无需在极片内部再焊接极耳，可以有效降低电池内阻，便于成型。

本实用新型所采用的技术方案是：一种卷绕电芯，包括正极极组、负极极组、隔膜和卷芯，所述正极极组由两层柔性正极大极片和一层复合集流体采用交替叠加结构排列、所述负极极组由两层柔性负极大极片和一层复合集流体采用交替叠加结构排列，所述正极极组、所述负极极组和两层隔膜交替叠加后经过卷芯卷绕而成，所述隔膜卷绕在所述正极极组和所述负极极组之间，所述正极极组卷绕在所述负极极组外，所述正极极组和所述负极极组中所述复合集流体是同一种物质，正负极组中复合集流体可把整个铝箔直接作为全极耳，也可将正负极组中复合集流体切割多个铝箔极耳，极耳间距根据卷绕电芯设计直径进行计算，使得复合集流体卷绕过程中极耳内层和外层重叠。一种制备工艺及水系钠盐电池，具体工艺是将原材料按负极极组、隔膜、正极极组、隔膜的顺序叠在一起，通过卷绕方式卷成圆柱形或椭圆柱形，再放入圆柱或方壳的塑料外壳中，注入水系电解液，制得水系钠盐电池。

本实用新型所述的柔性正极或负极大极片，是以正极或负极活性物质，碳黑作导电剂，聚四氟乙烯乳液(PTFE乳液)作为主黏结剂，通过高剪切工艺使混合物料中的 PTFE纤维化，并经过辊压工艺压制成自支撑电极片，电极片的厚度均一，可实现连续化制备。所述的电极片厚度0.1mm-5mm，优选1–2.5mm；活性物质负载量0.1-5g/cm²，优选0.15–2g/cm²；孔隙率30％-50％，优选35％-45％。

本实用新型所述的正极活性物质，选自但不限于MnO₂，NaMnO₂，KMnO₂，含有四面体或者八面体阴离子结构单元的化合物，普鲁士蓝类似物，和NaMFe(CN)₆(M＝ Ni、Co、Fe、Cu)。

本实用新型所述的负极活性物质，选自但不限于磷酸盐类化合物，NaTi₂(PO₄)₃、Na₃V₂(PO₄)₃，金属氧化物，MoO₃、Na₂V₆O₁₆，活性炭，和普鲁士蓝类似物。

本实用新型所述的卷芯为塑料圆管，塑料圆管可为聚乙烯圆管、聚丙烯圆管、聚氯乙烯圆管等，圆管外径10mm–60mm。

本实用新型所述的水系电解液为钠盐水溶液，钠盐可为硫酸钠、氯化钠、醋酸钠的一种或多种。

本实用新型所述的卷绕工艺具体为：将负极极组、隔膜、正极极组、隔膜按顺序叠在一起，通过卷绕卷芯的方式卷成圆柱形或椭圆柱形，再放入圆柱或方壳的塑料外壳中，注入水系电解液。

本实用新型具有如下优势：电极制作过程不使用溶剂，粘结剂是以纤维状态存在，活性炭颗粒之间以及与导电剂颗粒接触更为紧密，电极密度大、导电性好、电极韧性好，密度大，容量高，碳粉不易脱落，循环寿命长；2)正负极组采用同一种复合集流体，且在铝箔上直接采用模切或切割的方式得到多个铝箔极耳，或者把整个铝箔直接作为全极耳，无需在极片内部再焊接极耳，可以有效降低电池内阻，便于成型。3)叠片方式的裁切需要长期精准控制，每个复合集流体和柔性大极片都要四周切割，对产品的断面、掉料、毛刺等情况都需要控制，在极片一致性方面要求更高，而卷绕方式的裁切主要在电芯开始卷绕和终止卷绕的两个节点，这可大大降低了集流体被电解液腐蚀的风险。4) 活性物质和集流体没有经过涂布工序或压合成一体，柔性大极片和复合集流体单独为卷状，避免卷绕过程中因内外曲率差异造成隔膜和大极片的打皱变形，卷绕的长度可灵活裁切，使得卷绕的尺寸可根据容量需求灵活调整。

在一个实施例中，本实用新型的绿色高安全电极卷绕结构的水系钠盐电池的电芯尺寸、容量可根据需要灵活调整；直径7–500cm，高度14–200cm，高纵比2:1–20:1，容量1Ah-数万Ah，能量效率＞80％。大倍率及极端使用情况下无发热、燃烧、爆炸等隐患。

在一个实施例中，本实用新型的卷绕电芯采用高韧性，高密度，高电导率，高负载量、自支撑厚电极，电极片厚度0.1mm–5mm，活性物质负载量0.1-5g/cm²，孔隙率30％-50％。

在一个实施例中，本实用新型的卷绕电芯采用抗腐蚀性集流体：由金属集流体和外层的防腐导电层构成。金属集流体可为铝，铜，镍等；防腐导电层为导电有机物薄膜，如聚乙烯导电膜、聚丙烯导电膜、乙烯-醋酸乙烯脂导电膜、聚苯胺导电膜、聚吡咯导电膜、聚苯硫醚导电膜等。

在一个实施例中，本实用新型的正负极柔性大极片和复合集流体均能够单独卷绕成卷状，电芯卷绕过程各卷状体位置、形状变化根据根据卷绕曲率自行调整，避免了整个极片在长度方向上存在多处弯折和厚度变化区域，尤其是靠近卷芯中部的小角度弯折区域，由于卷绕曲率不均匀和形状变化，很容易造成隔膜和极片的打皱变形，正负极得不到有效的接触，造成反应死区。

在一个实施例中，本实用新型的柔性正极或负极大极片，是以正极或负极活性物质，碳黑作导电剂，PTFE作为主黏结剂，通过高剪切工艺使混合物料中的PTFE纤维化，并经过辊压工艺压制成自支撑电极片，电极片的厚度均一，可实现连续化制备。

在一个实施例中，本实用新型的极耳和集流体为一体化结构，无需在极片内部再焊接极耳，可以有效降低电池内阻，便于成型；且集流体经过防腐保护，卷绕电芯只需正负极各一次分切，整个电芯结构只存在正负极集流体两个切断断面，很大程度降低集流体腐蚀的风险。

在一个实施例中，本实用新型的负极极组、正极极组均为具有自支撑结构的厚电极，单独成卷状，不与复合集流体先复合一体。柔性厚极片和复合集流体单独为卷状，避免卷绕过程中因内外曲率差异造成隔膜和厚极片的打皱变形。

在一个实施例中，本实用新型的正负极极片尺寸大小一样，不存在相互包覆问题，可根据卷绕电芯的设计规格自由调整电极和集流体的长度，便于控制，实现不同规格产品输出。

附图说明

图1为卷绕示意图，其中：1-柔性正极厚极片；2-柔性负极厚极片；3-复合集流体；4-隔膜；5-卷芯。

图2为复合集流体结构一的示意图，其中：6-导电膜；7-铝箔(极耳端)。

图3为复合集流体结构二的示意图，其中：6-导电膜；7-铝箔(极耳端)。

图4为卷绕电芯剖面图。

图5A为采用复合集流体结构二组装电池的循环寿命曲线图。

图5B为采用复合集流体结构二组装电池的倍率放电性能图。

具体实施方式

通过参考下面的实施例可以更好地理解本实用新型。本领域技术人员能够理解所下面的例子仅仅是为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的范围。本实用新型的范围由后文的申请专利范围界定。

具体实施例

实施例1。一种水系钠盐电池的卷绕工艺，包括如下步骤：

1)根据卷绕电池尺寸的要求，分别定义正、负铝箔的切割位置、切割尺寸、切割形状，制得相应规格的铝箔(极耳端)7，极耳间距根据卷绕电池设计直径进行计算；

2)铝箔(极耳端)7通过导电胶与导电膜6进行贴合，如图2所示导电膜全部包裹住铝箔，铝极耳端露出，制得复合集流体3；

3)将正极活性物质，碳黑作导电剂，聚四氟乙烯乳液(PTFE乳液)作为主黏结剂混合均匀，通过高剪切、辊压工艺压制成自支撑柔性正极厚极片1，厚度2mm，活性物质负载量0.37g/cm²，孔隙率38％。将负极活性物质，碳黑作导电剂，聚四氟乙烯乳液 (PTFE乳液)作为主黏结剂混合均匀，通过高剪切、辊压工艺压制成自支撑柔性负极厚极片2，厚度1.9mm，活性物质负载量0.27g/cm²，孔隙率40％。

4)电芯由如图1所示的正极极组、负极极组和两层隔膜4交替叠加后经过外径50mm的卷芯5卷绕而成，正极极组包括柔性正极大极片1和复合集流体3，负极极组包括柔性负极大极片2和复合集流体3；卷绕过程极耳内层和极耳外层重叠，正、负极耳错开。电芯直径为16cm，高度为30cm。

5)采用氯化钠水溶液作为电解液，制得水系钠盐电池，容量为90Ah。

实施例2。一种高功率水系钠盐电池的卷绕工艺，包括如下步骤：

1)铝箔(极耳端)7通过导电胶与导电膜6进行贴合，如图3所示导电膜全部包裹住铝箔，整个铝箔直接作为极耳端露出，制得复合集流体3；

2)将正极活性物质，碳黑作导电剂，聚四氟乙烯乳液(PTFE乳液)作为主黏结剂混合均匀，通过高剪切、辊压工艺压制成自支撑柔性正极厚极片1，厚度1.2mm，活性物质负载量0.23g/cm²，孔隙率40.6％。将负极活性物质，碳黑作导电剂，聚四氟乙烯乳液(PTFE乳液)作为主黏结剂混合均匀，通过高剪切、辊压工艺压制成自支撑柔性负极厚极片2，厚度1.2mm，活性物质负载量0.16g/cm²，孔隙率39.8％。

3)电芯由如图1所示的正极极组、负极极组和两层隔膜4交替叠加后经过卷芯5卷绕而成，正极极组包括柔性正极大极片1和复合集流体3，负极极组包括柔性负极大极片2和复合集流体3；图4所示卷绕过程正、负极耳异向错开。电芯直径为11cm，高度为25cm。

4)采用硫酸钠水溶液作为电解液，制得水系钠盐电池，容量为70Ah，按照额定容量0.2C(14Ah)对电池进行标准充放电和不同倍率放电测试，标准充电是电池在25℃条件下，以充电电流0.2C(14A)，恒流充电至截止电压1.85V，静置10分钟；标准放电是电池在25℃条件下，以放电电流0.2C(14A)，恒流放电至截止电压1.1V，静置10 分钟。测试数据见图5A和5B所示。

由于采用了全极耳结构，无需极耳焊接，电池内阻0.12mΩ，电池0.2C(14Ah)充放电循环3915次容量保持率88.24％，倍率放电性能良好，数据见如下表1。

表1：倍率放电性能

注：电池在25℃标准充电条件下，以充电电流0.2C(14A)，恒流充电至截止电压1.85V；然后电池按不同条件放电至截止电压1.1V的容量比例如上表所示。以25℃，0.2C(14A) 条件下的放电容量为100％容量。

本专利申请中引用的文献或已发表的文章共同作为本申请的参考数据，以便更详实地描述同本实用新型相关领域的最新状态。同时过渡性术语“包含”、“含括”或“特征”是同义词，是包容性的或开放式的，并且不排除额外的、未列举的元素或方法步骤。

Claims (5)

1.一种卷绕电芯，其特征在于，包括正极极组、负极极组、隔膜和卷芯，所述正极极组由两层柔性正极厚极片和一层复合集流体采用交替叠加结构排列、所述负极极组由两层柔性负极厚极片和一层复合集流体采用交替叠加结构排列，所述正极极组、所述负极极组和两层隔膜交替叠加后经过卷芯卷绕而成，所述隔膜卷绕在所述正极极组和所述负极极组之间，所述正极极组卷绕在所述负极极组外，所述正极极组和所述负极极组中所述复合集流体是同一种物质，正负极组中复合集流体可把整个铝箔直接作为全极耳，也可将正负极组中复合集流体切割多个铝箔极耳，极耳间距根据卷绕电芯设计直径进行计算，使得复合集流体卷绕过程中极耳内层和外层重叠。

2.如权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述的厚极片厚度0.1mm–5mm，活性物质负载量0.1-5g/cm²，孔隙率30％-50％。

3.如权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述的卷绕电芯为塑料圆管，所述塑料圆管为聚乙烯圆管、聚丙烯圆管、聚氯乙烯圆管的一种，圆管外径10mm–60mm。

4.如权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述的正负极柔性厚极片和复合集流体均能够单独卷绕成卷状，电芯卷绕过程各卷状体位置、形状变化根据卷绕曲率自行调整，避免了整个极片在长度方向上存在多处弯折和厚度变化区域。

5.如权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述电芯采用抗腐蚀性集流体：由金属集流体和外层的防腐导电层构成，金属集流体可为铝，铜，或镍；防腐导电层为聚乙烯导电膜、聚丙烯导电膜、乙烯-醋酸乙烯脂导电膜、聚苯胺导电膜、聚吡咯导电膜、或聚苯硫醚导电膜。

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