CN107565168A - 一种高能量密度高功率密度的锂离子电池 - Google Patents

一种高能量密度高功率密度的锂离子电池 Download PDF

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张小海
张明慧
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Abstract

本发明涉及一种高能量密度和高功率密度的锂离子电池，正极采用锂的金属化合物钴酸锂、镍钴猛酸锂或镍钴铝酸锂，负极使用层状或非层状物的石墨、硅碳或硅纳米线。使用高粘度正极浆料和高粘度负极浆料喷射涂覆在金属多孔排列有序规则的基体上。通过使用规则多孔的基体，在孔区域，正负极材料填充该区域，增加活性物料填充量。正负极反向规则分布的多孔基材，除了对活性物料的填充外，极片在碾压时延展得到缩小，填料区或因为没有金属基体，反应的离子可以通过此区域进行反应，在电化学反应中增加了锂子通道的多样性。该发明得到的锂离子电池在体积比能量及重量比能量和放电功率密度方面都有极大的提升。

Description

一种高能量密度高功率密度的锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种高能量密度和高功率密度的锂离子电池。
背景技术
锂离子以其高能量密度、高工作电压、长循环寿命环保安全等优点，一直以来在便携式电子产品中得到大量普遍使用。随着电子工业不断发展，便携式消费类电子产品功能越来越完善强大，尤其是智能手机、平板电脑的出现，其功能强大，元器件繁多，对电量需求较大，充放次数频繁，对随机匹配到的电池能量密度，循环寿命，安全性能要求越来越高。
目前市场上对于高体积比能量和高功率密度的锂离子电池需求日益增多，对低能量密度的电池会渐渐减少。传统的电池使用公知的材料和电压平台，对电池的能量密度提升比较缓慢。
本发明在目前市场技术的情况下，提升了锂离子电池的体积比能量、重量比能量和放电时的高功率密度，在电池技术提升上优势明显，在生产和市场上具有广泛的应用意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高能量密度和高功率密度的锂离子电池，采用该发明的电池设计和制备方法得到的电池能量密度和功率密度都明显提升。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：
一种高能量密度高功率密度的锂离子电池，包括使用膜或壳体包装的锂离子电池，其中正极材为锂的金属层状化物，负极材为层状物或非层状物；其中正极、负极均使用高粘度浆料或固液形态状的活性物质；
正极金属基材为多孔规则有序的排列结构，孔的直径为0.2～2mm，孔密度为 18～300pcs/cm2，孔为对称或非对称排列；孔排列的方向与金属基材长边垂直线的夹角为25～90 度；正极金属基材宽度10～300mm、长度20～3000mm；
负极金属基材为多孔规则有序的排列结构，孔的直径为0.2～2mm，孔密度为 18～300pcs/cm2，孔为对称或非对称排列；孔排列的方向与金属基材长边垂直线的夹角为25～90 度；负极金属基材宽度10～300mm、长度20～3000mm；
所述正极和负极两种极性基材上排布的孔为排列方向相交叉的相反方向。
所述锂离子电池的电解液为有机溶剂与锂盐的混合物，所述锂离子电池的隔离膜为高分子有机PE膜或陶瓷涂覆膜。
正负极反向规则分布的多孔基材，除了对活性物料的填充外，极片在碾压时延展得到缩小，填料区因没有金属基体，反应的离子可以通过此区域进行反应，在电化学反应中增加了锂子通道的多样性，制备得到的锂离子电池在体积比能量及重量比能量和放电功率密度方面都有极大的提升。
进一步的，所述锂离子电池为铝塑膜、金属壳或塑料壳体包装。
进一步的，所述正极材为钴酸锂、镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂。
进一步的，所述负极材为石墨、硅碳材料或硅纳米线。
进一步的，正极使用的高粘度浆料粘度5000～100000CP。
进一步的，负极使用的高粘度浆料粘度2000～100000CP。
进一步的，所述正极金属基材为铝箔。
进一步的，所述负极金属基材为铜箔。
有益效果：
1.本发明中正极使用锂的金属化合物、负极使用石墨、硅碳或硅纳米线材料，电解液使用有机溶剂与锂盐的混合物，其中大部份材料已成熟化，具有极强的市场应用性。
2.本发明中正、负极使用高粘度浆料或固液形态状的活性物质，在目前涂覆技术上不存在应用困难的情况。
3.本发明中正负极使用特殊设计要求的规则分布多孔金属基体，其中多孔位置在空间上得到充分的利用，主要是其重量减少的同时电极活性物质得以填充。填充活性物发挥出效果对电池的体积比和重量比能量都有明显的提升，因为使用多孔有序正负反向对应的结构，在电化学反应时锂离子会通过多孔电极材料传输到对面，给锂离子提供了大量的通道增加了反应活性，提升了体积比能量和重量比能量及放电功率密度。
4.本发明得到的锂离子电池的体积比能量和重量比能量都较高，对目前市场上对于高能量的电池的需求可以得到一定的提升和满足。
附图说明
图1：正极(或负极)金属基材结构示意图。
图2：负极(或正极)金属基材结构示意图。
图3：下垫装置的侧视剖视图。
图4：对比例及实施例0.2C体积比能量图。
图5：对比例及实施例0.2C重量比能量图。
图6：对比例及实施例0.2C放电容量图。
图7：对比例及实施例2C放电容量图。
图8：对比例及实施例2C放电容量比例图。
图中：1-正极(或负极)金属基材长度；2-正极(或负极)金属基材宽度；3-正极(或负极)孔排列方向与金属基材长边垂直线夹角；4-正极(或负极)孔直径；5-负极(或正极)金属基材长度；6-负极(或正极)金属基材宽度；7-负极(或正极)孔排列方向与金属基材长边垂直线夹角；8-负极(或正极)孔直径；9-活性物质；10-金属基材；11-隔离膜。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种高能量密度和高功率密度的锂离子电池，包括使用铝塑膜、金属壳或塑料壳体包装的锂离子电池，正极材为锂的金属层状化合物，采用钴酸锂、镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂材质；负极材为层状物和非层状物，采用石墨、硅碳材料或硅纳米线材质。正极浆料粘度5000～100000CP，或者为固液体，负极浆料粘度2000～100000CP，或者为固液体；所述正极金属基材为多孔排列结构，孔的直径为0.2～2mm,孔密度为18～300pcs/cm2,孔为对称或非对称有序排列，孔排列方向与金属基材长边垂直线夹角为25～90度。正极金属基材为宽度10～300mm，长度为20～3000mm。所述负极金属基材为多孔排列结构，孔的直径为0.2～2mm,孔密度为 18～300pcs/cm2,孔为对称或非对称排列，孔排列方向与金属基材长边垂直线夹角为25～90度。负极金属基材为宽度10～300mm长度为20～3000mm。
锂离子电池电解液为有机溶剂与锂盐的混合物，锂离子电池隔离膜为高分子有机PE膜或陶瓷涂覆膜。
所述正极基体和负极基体为规则排列有序的多孔基材，主要为金属基材，正极可以是铝箔、负极可以是铜箔。正极和负极两种极性基材多孔排列方向为交叉的不同方向，反向配对使用(如图1和图2中两种极性基材为反向)。
具有多孔规则有序分布的金属基体体积会减少，其体积会被活物质所填充，填充的活性物发挥出效果对电池的体积比和重量比能量都有明显的提升，因为使用多孔有序正负反向对应的结构，在电化学反应时锂离子会通过多孔电极材料传输到对面穿透过隔离膜，给锂离子提供了大量的反应通道增加了反应活性，提升了体积比能量和重量比能量及放电功率密度。
实施例1
将正极活性物质LiCo2、正极粘结剂PVDF、导电剂碳黑、溶剂NMP以比例97.5：1.3.1.2： 25～30的配料方式配料混合制得浆料，浆料粘度调至为6000CP，将浆料采用涂射涂布方式均匀涂覆在多孔金属铝箔集流体上双面上，面积约720cm2,厚度为10um。多孔金属基材为规则开孔其孔直径为0.3mm，孔数为110pcs/cm2,涂覆量均值为40.8mg/cm2.并干燥、碾压、分切后制备得正极极片。负极活性物质石墨、负极分散剂CMC、负极粘结剂SBR、导电剂导电碳黑及水溶剂以比例98：1：1 70～90的方式配料混合制得浆料,浆料粘度2500CP。将浆料采用涂射涂布方式均匀涂覆在多孔金属铜箔集流体上双面上,面积为742.4cm2，厚度为10um。多孔金属基材为规则开孔其孔直径为0.3mm，孔数为110pcs/cm2,涂覆量均值为21.4mg/cm2,并干燥、碾压、分切后制备得负极极片。
将上述制得的正、负极片与隔膜(PP/PE/PP)一起按一定的方式卷绕成一个方型锂离子电芯、入壳(铝塑包装膜形成)、注液后制得得有电解液的锂离子电池。充电排气封口、切边、常温静置3天后、分选容量(充电：0.5充电至4.40V，恒压充电至电流小于0.02C，放电以 0.2C放电至3.0V)以0.5C充电至4.40V后，恒压充电至电流小于0.02C，再以2C放电，后以0.5C充电至3.86V-恒压充电截止电流0.02C。制得成品电池，称取电池重量、测量电池尺寸计算得到附表的容量(0.2C/2C)、体积比能量、重能比能量。数据如表1所示。
实施例2
本实施例与实施例1所采用的原材料，生产步骤、检测方法基本相同，唯一不同之处，本实施例中正极浆料粘度6000CP，负极粘度3500CP。正极和负极多孔金属铝、铜箔孔直径为 0.45mm，孔数为96pcs/cm2.数据如表1所示。
实施例3
本实施例与实施例1所采用的原材料，生产步骤、检测方法基本相同，唯一不同之处，本实施例中正极浆料粘度7000CP，负极粘度3500CP正极和负极多孔金属铝箔、铜孔直径为0.55 mm，孔数为82pcs/cm2.数据如表1所示。
实施例4
本实施例与实施例1所采用的原材料，生产步骤、检测方法基本相同，唯一不同之处，本实施例中正极浆料粘度7500CP，负极粘度3500CP正极和负极多孔金属铝箔、铜孔直径为0.65 mm，孔数为73pcs/cm2.数据如表1所示。
实施例5
本实施例与实施例1所采用的原材料，生产步骤、检测方法基本相同，唯一不同之处，本实施例中正极浆料粘度8000CP，负极粘度5100CP正极和负极多孔金属铝、铜箔孔直径为0.8 mm，孔数为65pcs/cm2.数据如表1所示。
实施例6
本实施例与实施例1所采用的原材料，生产步骤、检测方法基本相同，唯一不同之处，本实施例中正极浆料粘度9000CP，负极粘度6500CP正极和负极多孔金属铝、铜箔孔直径为
1.0mm，孔数为50pcs/cm2.数据如表1所示。
实施例7
本实施例与实施例1所采用的原材料，生产步骤、检测方法基本相同，唯一不同之处，本实施例中正极浆料粘度25000CP，负极粘度30000CP正极和负极多孔金属铝、铜箔孔直径为 1.5mm，孔数为29pcs/cm2.数据如表1所示。
实施例8
本实施例与实施例1所采用的原材料，生产步骤、检测方法基本相同，唯一不同之处，本实施例中正极浆料粘度50000CP，负极粘度50000CP正极和负极多孔金属铝、铜箔孔直径为 2.0mm，孔数为18pcs/cm2.数据如表1所示。
实施例9
本实施例与实施例1所采用的原材料，生产步骤、检测方法基本相同，唯一不同之处，本实施例中正极浆料粘度70000CP，负极粘度80000CP正极和负极多孔金属铝、铜箔孔直径为 0.6mm，孔数为250pcs/cm2.数据如表1所示。
对比例
本对比例与实施例1所采用的原材料，生产步骤、检测方法基本相同，唯一不同之处，本对比例中正负极使用没有多孔的金属基体。数据如表1所示。
表1
表1实施例1～9及对比例所得电池(0.2C/2.0C)容量、重量、体积比能量、重能比能量。
由表1和图4～图8可知，采用本发明制备的锂离子成品电池与对比例中的锂离子电池相比有较高的容量和更好的大倍率放电(2C)，采用本发明制备的锂离子电池有更高的体积比能量和更高的重量比能量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高能量密度高功率密度的锂离子电池，其特征在于：包括使用膜或壳体包装的锂离子电池，其中正极材为锂的金属层状化物，负极材为层状物或非层状物；其中正极、负极均使用高粘度浆料或固液形态状的活性物质；
正极金属基材为多孔规则有序的排列结构，孔的直径为0.2～2mm，孔密度为18～300pcs/cm2，孔为对称或非对称排列；孔排列的方向与金属基材长边垂直线的夹角为25～90度；正极金属基材宽度10～300mm、长度20～3000mm；
负极金属基材为多孔规则有序的排列结构，孔的直径为0.2～2mm，孔密度为18～300pcs/cm2，孔为对称或非对称排列；孔排列的方向与金属基材长边垂直线的夹角为25～90度；负极金属基材宽度10～300mm、长度20～3000mm；
所述正极和负极两种极性基材上排布的孔为排列方向相交叉的相反方向；
所述锂离子电池的电解液为有机溶剂与锂盐的混合物，所述锂离子电池的隔离膜为高分子有机PE膜或陶瓷涂覆膜。
2.根据权利要求1所述的高能量密度高功率密度的锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池为铝塑膜、金属壳或塑料壳体包装。
3.根据权利要求1所述的高能量密度高功率密度的锂离子电池，其特征在于：所述正极材为钴酸锂、镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂。
4.根据权利要求1所述的高能量密度高功率密度的锂离子电池，其特征在于：所述负极材为石墨、硅碳材料或硅纳米线。
5.根据权利要求1所述的高能量密度高功率密度的锂离子电池，其特征在于：正极使用的高粘度浆料粘度5000～100000CP。
6.根据权利要求1所述的高能量密度高功率密度的锂离子电池，其特征在于：负极使用的高粘度浆料粘度2000～100000CP。
7.根据权利要求1所述的高能量密度高功率密度的锂离子电池，其特征在于：所述正极金属基材为铝箔。
8.根据权利要求1所述的高能量密度高功率密度的锂离子电池，其特征在于：所述负极金属基材为铜箔。
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