一种高比能量密度锂离子电池

摘要

本发明公开了一种高比能量密度锂离子电池，所述的锂离子电池包括复合铝塑封装膜，交错堆叠的正极片和负极片，夹于正极片与负极片之间的隔膜，正、负极极片分别伸出有正极耳、负极耳；本发明中采用的生产工艺是“Z”字形叠片法，采用多层涂膜厚膜技术工艺制备正、负极极片，既保障粘结力，又提高电池性能。本发明中采用了镍钴铝三元复合材料作为正极活性物质，硅碳复合材料作为负极活性物质，制备得到重量比能量高达261.7Wh/kg的高比能量密度锂离子电池。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高比能量密度锂离子电池，尤其涉及一种高比能量密度锂离子电池。

背景技术

当下国内面临着环境污染和能源危机两大问题，而燃油汽车的普及则是造成以上两个问题的重要原因之一，发展电动汽车是有效解决上述问题的重要手段，而其技术瓶颈在于为其供能的锂离子电池。锂离子电池在上世纪八十年代初开始被研究和开发，最初主要用于便携设备，随着其市场持续扩大，在各类型电动汽车和储能系统中也发挥了重要性作用。与其他传统的二次电池相比，锂离子电池具有单体电压高、比能量大和自放电小等优点，但也存在安全性差、成本高以及长期循环后性能下降等问题。为了充分发挥锂离子电池在动力电池领域的优势，目前亟需发展出具有容量高、优异循环性能的商品化锂离子电池，由此也引起世界各汽车制造商和相关科技人员的重视。

国内新能源汽车科技界普遍认为目前具有现实推广意义的技术是混合动力，但这属于过渡技术，未来方向仍旧会走向纯电动。对于纯电动汽车，长时间行驶对电池的能量密度要求很高，而目前车用电池成组后能量密度一般在100-150Wh/kg，相当于汽油的百分之一，因此当下动力电池最大的技术短板在于能量密度太低。

目前锂离子电池的生产工艺主要采取绕卷法和“Z”字形叠片法，绕卷式生产工艺应用较为普遍，它的优点在于生产速度较快，产品一致性有保证。“Z”字形叠片法特点在于采用了Z字形连续折叠，正极和负极极板在Z字形隔膜之间。虽然这种生产工艺较绕卷式复杂，但能更加灵活的设计电池尺寸并降低电池内阻，提高功率性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服使用现有技术制造动力锂离子电池时比容量低的不足，提供一种高比能量密度锂离子电池。

本发明的目的是通过以下技术解决方案来实现的：一种高比能量密度锂离子电池，所述的锂离子电池包括复合铝塑封装膜，交错堆叠的正极片和负极片，夹于正极片与负极片之间的隔膜，其特征在于，每个正极片的一端通过一输出极耳箔固定一正极耳，另一端固定一连接极耳箔；每个负极片的一端通过一输出极耳箔固定一负极耳，另一端固定一连接极耳箔；所有正极耳和负极耳顶部对齐，所有正极片上固定的连接极耳箔连接在一起，所有负极片上固定的连接极耳箔连接在一起。

进一步地，所述正极片的集流体为铝箔，活性物质为镍钴铝三元材料；所述负极片的集 流体为铜箔，活性物质为硅碳复合材料。所述硅碳复合材料的硅含量为3-10wt％，所述镍钴铝三元材料的分子式可表示为LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂。

进一步地，所述隔膜采用陶瓷涂覆聚烯烃隔膜。

进一步地，所述复合铝塑封装膜是在铝箔上依次涂覆聚丙烯层、尼龙层和粘结剂层得到，铝箔的厚度为35-45微米，复合铝塑膜的厚度为100-150微米。

进一步地，所述连接极耳箔安装在正极片和负极片的底边上，连接极耳箔之间的连接为焊接或者热合连接。

进一步地，所述正极片通过以下方法制备得到：在铝箔表面涂一层导电粘结剂，涂覆厚度为1-5微米；真空干燥15-20小时后，继续涂覆正极活性物质浆料，涂覆厚度为50-300微米；然后用辊压机压实至厚度为30-200微米，真空干燥24-36小时后，得到正极片。所述负极片通过以下方法制备得到：在铜箔表面涂一层导电粘结剂，涂覆厚度为1-5微米；真空干燥15-20小时后，继续涂覆负极活性物质浆料，涂覆厚度为50-300微米；然后用辊压机压实至厚度为30-200微米，真空干燥24-36小时后，得到负极片。

进一步地，所述真空干燥温度为50-80℃，干燥的真空度为0.8-1.5bar。

进一步地，所述正极活性物质浆料通过以下方法制备得到：在球磨机内加入15.0-23.0重量份镍钴铝三元材料，0.2-2.5重量份Super P Li，1.0-2.5重量份聚偏氟乙烯，150-300r/min下球磨60-120分钟，随后将上述物料转移至真空搅拌缸中，加入72.0-83.8重量份N-甲基吡咯烷酮，30-50r/min下低速搅拌10-20分钟，搅拌完毕后刮料，150-200r/min下高速搅拌90-120分钟，即得正极活性物质浆料。

进一步地，所述负极活性物质浆料由16.0-20.0重量份硅碳复合材料、0.3-2.5重量份导电剂、1.0-8.0重量份粘结剂、1.0-1.5重量份增稠剂、70.0-80.0重量份分散介质组成。所述粘结剂是聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯嵌段型共聚物水基胶乳；所述导电剂是导电炭黑；所述增稠剂是羧甲基纤维素钠；所述分散介质是去离子水，，所述粘结剂为聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯胶乳。

进一步地，所述导电粘结剂为石墨烯和纳米聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯嵌段型共聚物粒子分散在水中形成的浆料，通过以下方法制备得到：将20.0-50.0重量份的石墨烯加入50.0-80.0重量份的聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯胶乳，300-500r/min下搅拌1-3小时，即得。

进一步地，所述聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯胶乳中，嵌段共聚物分子量为(15-50)K-(40-150)K-(15-50)K，粒径为80-150纳米，聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚丙乙烯与水的重量配比为20-50:80-50。

本发明的有益效果是，本发明采用Z字形叠片法生产以镍钴铝三元复合材料做正极、硅碳复合材料做负极，制备得到的高比能量密度锂离子电池，具有以下几个特点：

1、采用镍钴铝三元复合材料做正极、碳硅复合材料做负极，相对传统锂离子电池比能量、功率性能得以大幅提高，重量比能量可达到261.7Wh/kg。

2、电池正负极极片制备采用多层涂膜厚膜工艺，即先涂一层导电粘结剂，再涂一层活性物质，其中导电粘结剂由聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯嵌段型共聚物胶乳与石墨烯共混制得，将导电粘结剂先涂一层在集流体上可提高集流体表面的粗糙度，同时还保证较高的导电率，再次涂覆活性物质层后提高了导电效果和粘结力，提高了电池的电化学性能和寿命。

3、电池的制备过程工艺简单，过程环保。

附图说明

图1为本发明高比能量密度锂离子电池的结构示意图。

图中，复合铝塑封装膜1、正极片2、负极片3、隔膜4、正极耳5、负极耳6、输出极耳箔7、连接级耳箔8。

具体实施方式

本发明提供一种高比能量密度锂离子电池，所述的锂离子电池包括复合铝塑封装膜，交错堆叠的正极片和负极片，夹于正极片与负极片之间的隔膜，其特征在于，每个正极片的一端通过一输出极耳箔固定一正极耳，另一端固定一连接极耳箔；每个负极片的一端通过一输出极耳箔固定一负极耳，另一端固定一连接极耳箔；所有正极耳和负极耳顶部对齐，所有正极片上固定的连接极耳箔连接在一起，所有负极片上固定的连接极耳箔连接在一起。

所述正极片的集流体为铝箔，活性物质为镍钴铝三元材料；所述负极片的集流体为铜箔，活性物质为硅碳复合材料。所述硅碳复合材料的硅含量为3-10wt％，所述镍钴铝三元材料的分子式可表示为LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂。所述隔膜采用陶瓷涂覆聚烯烃隔膜。所述复合铝塑封装膜是在铝箔上依次涂覆聚丙烯层、尼龙层和粘结剂层得到，铝箔的厚度为35-45微米，复合铝塑膜的厚度为100-150微米。所述连接极耳箔安装在正极片和负极片的底边上，连接极耳箔之间的连接为焊接或者热合连接。所述正极片通过以下方法制备得到：在铝箔表面涂一层导电粘结剂，涂覆厚度为1-5微米；真空干燥15-20小时后，继续涂覆正极活性物质浆料，涂覆厚度为50-300微米；然后用辊压机压实至厚度为30-200微米，真空干燥24-36小时后，得到正极片。所述负极片通过以下方法制备得到：在铜箔表面涂一层导电粘结剂，涂覆厚度为1-5微米；真空干燥15-20小时后，继续涂覆负极活性物质浆料，涂覆厚度为50-300微米；然后用辊压机压实至厚度为30-200微米，真空干燥24-36小时后，得到负极片。所述真空干燥温度为50-80℃，干燥的真空度为0.8-1.5bar。所述正极活性物质浆料通过以下方法制备得到：在球磨机内加入15.0-23.0重量份镍钴铝三元材料，0.2-2.5重量份Super>

所述正极活性物质可以采用贝特瑞公司生产的三元系NCA正极材料产品，但不限于此。所述负极活性物质可以采用贝特瑞公司生产的S系列硅基复合材料，但不限于此。所述隔膜可以采用美国公司生产的PP2320隔膜，但不限于此。所述封装材料采用日本DNP公司生产的铝塑膜，但不限于此。

比能量测试由ST-BTJCY300型智能电池充放电检测仪进行测试。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示，用复合铝塑封装膜1将锂离子电池交错堆叠的正极片2和负极片3，夹于正极片2与负极片3之间的隔膜4进行封装，商业电解液按照常规方法注入。每个正极片2的一端通过一输出极耳箔7固定一正极耳5，另一端固定一连接极耳箔8；每个负极片3的一端通过一输出极耳箔7固定一负极耳6，另一端固定一连接极耳箔8；所有正极耳5和负极耳6顶部对齐，所有正极片2上固定的连接极耳箔8连接在一起，所有负极片3上固定的连接极耳箔8连接在一起。所述正极片2的集流体为铝箔，活性物质为镍钴铝三元材料；所述负极片3的集流体为铜箔，活性物质为硅碳复合材料。所述硅碳复合材料的硅含量为10％，所述镍钴铝三元材料其分子式可表示为LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂。所述隔膜4采用陶瓷涂覆聚烯烃隔膜。所述复合铝塑封装膜1是在铝箔上依次涂覆聚丙烯层、尼龙层和粘结剂层得到，铝箔的厚度为45微米，复合铝塑膜1的厚度为150微米。所述连接极耳箔8安装在正极片2和负极片3的底边上，连接极耳箔8间的固定连接为焊接。

该锂离子电池正极片2，通过以下加工工艺制备而得：采用多层涂膜厚膜技术工艺，在铝箔表面涂一层导电粘结剂，涂覆厚度为5微米；真空干燥20小时后，继续涂覆正极活性物质浆料，涂覆厚度为300微米；然后用辊压机压实至厚度为200微米，真空干燥36小时后， 得到正极片2。所述负极片3通过以下加工工艺制备而得：采用多层涂膜厚膜技术工艺，在铜箔表面涂一层导电粘结剂，涂覆厚度为5微米；真空干燥20小时后，继续涂覆负极活性物质浆料，涂覆厚度为300微米；然后用辊压机压实至厚度为200微米，真空干燥36小时后，得到负极片3。真空干燥温度为80℃，干燥的真空度为1.5bar。所述正极活性物质浆料通过以下方法制备得到：在球磨机内加入23.0重量份镍钴铝三元材料，2.5重量份Super P Li，2.5重量份聚偏氟乙烯，300r/min下球磨120分钟，随后将上述物料转移至真空搅拌缸中，加入72.0重量份N-甲基吡咯烷酮，50r/min下低速搅拌20分钟，搅拌完毕后刮料，200r/min下高速搅拌120分钟，即得正极活性物质浆料。所述负极活性物质浆料由20.0重量份硅碳复合材料、2.5重量份导电剂、6.0重量份粘结剂、1.5重量份增稠剂、70.0重量份分散介质组成。所述粘结剂是聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯嵌段型共聚物水基胶乳；所述导电剂是导电炭黑；所述增稠剂是羧甲基纤维素钠；所述分散介质是去离子水。所述导电粘结剂为石墨烯和纳米聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯嵌段型共聚物粒子分散在水中形成的浆料，通过以下方法制备得到：将50.0重量份的石墨烯加入50.0重量份的聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯胶乳，500r/min下搅拌3小时，即得。所述聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯胶乳中，嵌段共聚物分子量为50K-150K-50K，粒径为150纳米，聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚丙乙烯与水的重量配比为50:50。

该方法制备高比能量密度型锂离子电池，其放电容量为18455mAh，中值电压为3.71V，重量比能量为261.7Wh/kg。

实施例2：

如图1所示，用复合铝塑封装膜1将锂离子电池交错堆叠的正极片2和负极片3，夹于正极片2与负极片3之间的隔膜4进行封装，商业电解液按照常规方法注入。每个正极片2的一端通过一输出极耳箔7固定一正极耳5，另一端固定一连接极耳箔8；每个负极片3的一端通过一输出极耳箔7固定一负极耳6，另一端固定一连接极耳箔8；所有正极耳5和负极耳6顶部对齐，所有正极片2上固定的连接极耳箔8连接在一起，所有负极片3上固定的连接极耳箔8连接在一起。所述正极片2的集流体为铝箔，活性物质为镍钴铝三元材料；所述负极片3的集流体为铜箔，活性物质为碳硅复合材料。所述硅碳复合材料的硅含量为3％，所述的镍钴铝三元材料其分子式可表示为LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂。所述隔膜4是采用陶瓷涂覆聚烯烃隔膜。所述复合铝塑封装膜1是在铝箔上依次涂覆聚丙烯层、尼龙层和粘结剂层得到，铝箔的厚度为35微米，复合铝塑膜1的厚度为100微米。所述连接极耳箔7安装在在正极片2和负极片3的底边上，连接极耳箔7间的固定连接为焊接。

该锂离子电池正极片2，通过以下加工工艺制备而得：采用多层涂膜厚膜技术工艺，在铝箔表面涂一层导电粘结剂，涂覆厚度为1微米；真空干燥15小时后，继续涂覆正极活性物质浆料，涂覆厚度为50微米；然后用辊压机压实至厚度为30微米，真空干燥24小时后，得 到正极片2。所述负极片3通过以下加工工艺制备而得：采用多层涂膜厚膜技术工艺，在铜箔表面涂一层导电粘结剂，涂覆厚度为1微米；真空干燥15小时后，继续涂覆负极活性物质浆料，涂覆厚度为50微米；然后用辊压机压实至厚度为30微米，真空干燥24小时后，得到负极片3。真空干燥温度为50℃，干燥的真空度为0.8bar。所述正极活性物质浆料通过以下方法制备得到：在球磨机内加入15.0重量份镍钴铝三元材料，0.2重量份Super P Li，1.0重量份聚偏氟乙烯，150r/min下球磨60分钟，随后将上述物料转移至真空搅拌缸中，加入83.8重量份N-甲基吡咯烷酮，30r/min下低速搅拌10分钟，搅拌完毕后刮料，150r/min下高速搅拌90分钟，即得正极活性物质浆料。所述负极活性物质浆料由16.0重量份硅碳复合材料、0.3重量份导电剂、8.0重量份粘结剂、1.0重量份增稠剂、74.7重量份分散介质组成。所述粘结剂是聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯嵌段型共聚物水基胶乳；所述导电剂是导电炭黑；所述增稠剂是羧甲基纤维素钠；所述分散介质是去离子水。所述导电粘结剂为石墨烯和纳米聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯嵌段型共聚物粒子分散在水中形成的浆料，通过以下方法制备得到：将20.0重量份的石墨烯加入80.0重量份的聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯胶乳，300r/min下搅拌1小时，即得。所述聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯胶乳中，嵌段共聚物分子量为15-K-40K-15K，粒径为80纳米，聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚丙乙烯与水的重量配比为20:80。

该方法制备高比能量密度型锂离子电池，其放电容量为18268mAh，中值电压为3.71V，重量比能量为239.4Wh/kg。

实施例3：

如图1所示，用复合铝塑封装膜1将锂离子电池交错堆叠的正极片2和负极片3，夹于正极片2与负极片3之间的隔膜4进行封装，商业电解液按照常规方法注入。每个正极片2的一端通过一输出极耳箔7固定一正极耳5，另一端固定一连接极耳箔8；每个负极片3的一端通过一输出极耳箔7固定一负极耳6，另一端固定一连接极耳箔8；所有正极耳5和负极耳6顶部对齐，所有正极片2上固定的连接极耳箔8连接在一起，所有负极片3上固定的连接极耳箔8连接在一起。所述正极片2的集流体为铝箔，活性物质为镍钴铝三元材料；所述负极片3的集流体为铜箔，活性物质为硅碳复合材料。所述硅碳复合材料的硅含量为5％，所述镍钴铝三元材料其分子式可表示为LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂。所述隔膜4采用陶瓷涂覆聚烯烃隔膜。所述复合铝塑封装膜1是在铝箔上依次涂覆聚丙烯层、尼龙层和粘结剂层得到，铝箔的厚度为40微米，复合铝塑膜1的厚度为130微米。所述连接极耳箔8安装在在正极片2和负极片3的底边上，连接极耳箔8间的固定连接为热合连接。

该锂离子电池正极片2，通过以下加工工艺制备而得：采用多层涂膜厚膜技术工艺，在铝箔表面涂一层导电粘结剂，涂覆厚度为3微米；真空干燥18小时后，继续涂覆正极活性物质浆料，涂覆厚度为100微米；然后用辊压机压实至厚度为70微米，真空干燥30小时后， 得到正极片2。所述负极片3通过以下加工工艺制备而得：采用多层涂膜厚膜技术工艺，在铜箔表面涂一层导电粘结剂，涂覆厚度为3微米；真空干燥18小时后，继续涂覆负极活性物质浆料，涂覆厚度为100微米；然后用辊压机压实至厚度为70微米，真空干燥30小时后，得到负极片3。真空干燥温度为60℃，干燥的真空度为1.0bar。所述正极活性物质浆料通过以下方法制备得到：在球磨机内加入18.0重量份镍钴铝三元材料，1.5重量份Super P Li，2.0重量份聚偏氟乙烯，200r/min下球磨100分钟，随后将上述物料转移至真空搅拌缸中，加入78.5重量份N-甲基吡咯烷酮，40r/min下低速搅拌15分钟，搅拌完毕后刮料，180r/min下高速搅拌100分钟，即得正极活性物质浆料。所述负极活性物质浆料由16.2重量份硅碳复合材料、0.7重量份导电剂、2.0重量份粘结剂、1.1重量份增稠剂、80.0重量份分散介质组成。所述粘结剂是聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯嵌段型共聚物水基胶乳；所述导电剂是导电炭黑；所述增稠剂是羧甲基纤维素钠；所述分散介质是去离子水。所述导电粘结剂为石墨烯和纳米聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯嵌段型共聚物粒子分散在水中形成的浆料，通过以下方法制备得到：将40.0重量份的石墨烯加入60.0重量份的聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯胶乳，400r/min下搅拌2小时，即得。所述聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚苯乙烯胶乳中，嵌段共聚物分子量为20K-80K-20K，粒径为100纳米，聚苯乙烯-聚丙烯酸丁酯-聚丙乙烯与水的重量配比为30:70。

该方法制备高比能量密度型锂离子电池，其放电容量为18353mAh，中值电压为3.71V，重量比能量为249.0Wh/kg。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。