CN111933997A - 一种锂硫电池错位电芯结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体是一种锂硫电池错位电芯结构，包括负极片、正极片及隔膜，隔膜缠绕在负极片侧面外壁上，正极片缠绕在隔膜侧面外壁上，负极片顶部外壁两侧与底部外壁两侧均开设有负极留边区，正极片顶部外壁两侧与底部外壁两侧均开设有正极留边区。本发明的有益效果本发明所设计的锂硫电池错位电芯结构，工艺简单，在现有工艺基础上调整设计参数，可提高锂硫电芯的性能和一致性，能够适用于工业化大生产，且本发明所设计的正极片与负极片，在使用该电池时正极片可以减少硫的流失，负极片表面的修饰材料可以防止负极表面发生不均匀化学腐蚀，避免锂负极钝化，从而提高电池的使用寿命。

Description

一种锂硫电池错位电芯结构
技术领域
本发明涉及锂硫电池技术领域，具体是一种锂硫电池错位电芯结构。
背景技术
锂硫电池具有远超锂离子电池的高理论比容量3862mAh/g，并且兼具硫资源丰富、制作成本低以及环境友好等优点，能够满足社会进步和科技发展对储能***的更高要求。
中国专利号CN104716382B提供一种导电多孔功能层可有效阻止充放电过程中由正极扩散迁移而至的多硫化物，抑制其与锂负极间的反应，有利于大幅提高电池循环稳定性的锂-硫电池结构；本发明所设计的一种锂-硫电池结构，包括依次叠合的锂负极、多孔隔膜、硫正极，锂负极与多孔隔膜间设置有导电多孔功能层，所述导电多孔功能层为导电多孔碳材料层或导电多孔碳材料与其它功能组分复合层，导电多孔碳材料与其它功能组分质量之比为10:1-1:10。
上述锂硫电池工艺结构较为复杂，不易于生产，同时上述锂硫电池在使用时锂硫电池循环能力差，因此亟需设计一种锂硫电池错位电芯结构来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂硫电池错位电芯结构，以解决上述背景技术中提出的工艺结构较为复杂与锂硫电池循环能力差的问题。
本发明的技术方案是：一种锂硫电池错位电芯结构，包括负极片、正极片及隔膜，所述隔膜缠绕在负极片侧面外壁上，所述正极片缠绕在隔膜侧面外壁上，所述负极片顶部外壁两侧与底部外壁两侧均开设有负极留边区，所述正极片顶部外壁两侧与底部外壁两侧均开设有正极留边区。
一种锂硫电池错位电芯结构设计，包括以下步骤：
S1.硫正极制备：首先工作人员按照一定比例称量材料，而后再将混合后的浆料用球磨机研磨，使得浆料分散均匀，而后工作人员在将浆料涂覆在铝箔集流体上，并用鼓风机烘干，烘干结束后在用对辊机压实，之后在将压实的铝箔集流体放置在真空烘箱中烘干，烘干后得到硫正极复合电极，而后根据加工要求对硫正极复合电极设置空白区域，并去掉传统的正极片点焊极耳位置外的头部敷料部分，而后留边；
S2.锂负极制备：工作人员选取材料，而后根据加工要求在负极片上设置空白区域，并裁减负极片上对应正极片空白敷料部分，而后留边；
S3.导电隔膜制备：工作人员首先选取合适的隔膜，而后使用复合导电材料配制浆料，之后再将浆料涂覆在隔膜上面，从而制备具有导电涂层的隔膜材料；
S4.电池组装与检测：工作人员将上述步骤制备的正极片、负极片及隔膜于电解液一起组装成软包电池，而后在用充放电测试仪进行测试。
进一步地，所述S1中材料为活性复合硫材料、导电材料和复合粘结剂材料，且活性复合硫材料、导电材料和复合粘结剂材料的重量比为60％～80％、15％～30％、5％～10％。
进一步地，所述S1中活性复合硫材料包括含硫聚合物、硫碳复合材料等复合硫材料，所述S1中导电材料括石墨烯、多孔碳、乙炔黑、碳纳米管、碳纤维等一种或者多种。
进一步地，所述S1中球磨机研磨时间为6h，所述S1中真空烘箱温度为60℃，且烘干时间为24h，所述S1中鼓风机温度为60℃，且烘干时间为3h。
进一步地，所述S2中负极片选取材料为铜锂复合材料，且铜锂复合材料的表面修饰材料为铜、锡、钴等金属的氧化物和硫化物。
进一步地，所述S3中复合导电材料为石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、碳化钨、碳化钼、氮化钛和氮化钒之一种或多种以上的混合物，且隔膜上涂覆1％的混合物，所述隔膜为聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、等材料之一种构成的单层隔膜或一种以上材料构成的多层薄膜。
进一步地，所述S4中电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，且组装的软包电池型号为PL327193。
进一步地，所述S4中电解液材料为浓度为1mol.L-1双三氟甲基磺酸酰亚胺锂和LiNiO3重量百分率为2％的1,3-二氧五环、乙二醇二甲醚与LiNiO3的混合溶液，且1,3-二氧五环、乙二醇二甲醚与LiNiO3的混合溶液中1,3-二氧五环、乙二醇二甲醚体积比为1:1。
进一步地，所述S4中充放电测试时充放电电压范围为1.8V～2.6V，且充放电测试时电池循环100次。
本发明通过改进在此提供一种锂硫电池错位电芯结构，与现有技术相比，具有如下改进及优点：
(1)本发明所设计的锂硫电池错位电芯结构，工艺简单，在现有工艺基础上调整设计参数，可提高锂硫电芯的性能和一致性，能够适用于工业化大生产。
(2)本发明所设计的正极片，在使用该电池时正极片可以减少硫的流失，避免电池中电解液中含硫物质增多，从而降低电解液对正极片与负极片的腐蚀，从而提高电池的使用寿命。
(3)本发明所设计的负极片，在使用该电池时，负极片表面的修饰材料可以防止负极表面发生不均匀化学腐蚀，避免锂负极钝化，金属锂负极表面形成绝缘的钝化层，避免锂负极发生化学反应使得活性物质损失，使得电池容量衰减。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释:
图1是本发明的制备流程图；
图2是本发明的实施例一结构示意图；
图3是本发明的实施例一正极片结构示意图；
图4是本发明的实施例一负极片结构示意图；
图5是本发明的实施例二结构示意图；
图6是本发明的实施例二正极片结构示意图；
图7是本发明的实施例二负极片结构示意图。
附图标记说明：
1负极片、2正极片、3隔膜、4负极留边区、5正极留边区。
具体实施方式
下面将结合附图1至图7对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明通过改进在此提供一种锂硫电池错位电芯结构，如图2-图7所示，包括负极片1、正极片2及隔膜3，所述隔膜3缠绕在负极片1侧面外壁上，所述正极片2缠绕在隔膜3侧面外壁上，所述负极片1顶部外壁两侧与底部外壁两侧均开设有负极留边区4，所述正极片2顶部外壁两侧与底部外壁两侧均开设有正极留边区5。
本发明通过改进在此提供一种锂硫电池错位电芯结构设计，如图1所示，包括以下步骤：
S1.硫正极制备：首先工作人员按照一定比例称量材料，而后再将混合后的浆料用球磨机研磨，使得浆料分散均匀，而后工作人员在将浆料涂覆在铝箔集流体上，并用鼓风机烘干，烘干结束后在用对辊机压实，之后在将压实的铝箔集流体放置在真空烘箱中烘干，烘干后得到硫正极复合电极，而后根据加工要求对硫正极复合电极设置空白区域，并去掉传统的正极片点焊极耳位置外的头部敷料部分，而后留边；
S2.锂负极制备：工作人员选取材料，而后根据加工要求在负极片上设置空白区域，并裁减负极片上对应正极片空白敷料部分，而后留边；
S3.导电隔膜制备：工作人员首先选取合适的隔膜，而后使用复合导电材料配制浆料，之后再将浆料涂覆在隔膜上面，从而制备具有导电涂层的隔膜材料；
S4.电池组装与检测：工作人员将上述步骤制备的正极片、负极片及隔膜于电解液一起组装成软包电池，而后在用充放电测试仪进行测试。
进一步地，所述S1中材料为活性复合硫材料、导电材料和复合粘结剂材料，且活性复合硫材料、导电材料和复合粘结剂材料的重量比为70％、20％、10％。
进一步地，所述S1中活性复合硫材料包括含硫聚合物、硫碳复合材料等复合硫材料，所述S1中导电材料括石墨烯、多孔碳、乙炔黑、碳纳米管、碳纤维等一种或者多种。
进一步地，所述S1中球磨机研磨时间为6h，所述S1中真空烘箱温度为60℃，且烘干时间为24h，所述S1中鼓风机温度为60℃，且烘干时间为3h。
进一步地，所述S2中负极片选取材料为铜锂复合材料，且铜锂复合材料的表面修饰材料为铜、锡、钴等金属的氧化物和硫化物。
进一步地，所述S3中复合导电材料为石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、碳化钨、碳化钼、氮化钛和氮化钒之一种或多种以上的混合物，且隔膜上涂覆1％的混合物，所述隔膜为聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、等材料之一种构成的单层隔膜或一种以上材料构成的多层薄膜。
进一步地，所述S4中电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，且组装的软包电池型号为PL327193。
进一步地，所述S4中电解液材料为浓度为1mol.L-1双三氟甲基磺酸酰亚胺锂和LiNiO3重量百分率为2％的1,3-二氧五环、乙二醇二甲醚与LiNiO3的混合溶液，且1,3-二氧五环、乙二醇二甲醚与LiNiO3的混合溶液中1,3-二氧五环、乙二醇二甲醚体积比为1:1。
进一步地，所述S4中充放电测试时充放电电压范围为1.8V-2.6V，且充放电测试时电池循环100次。
实施例一
工作人员按7:2:1的比例称量含硫聚合物(以硫计)、superP、PVDF，先将PVDF溶解在N-甲基吡咯烷酮中，随后往溶液中加入superP、含硫聚合物。将调好的浆料用球磨机低速球磨6h，使其分散均匀。把浆料刮图在铝箔集流体上，涂布好的极片随后60℃鼓风烘干3h。将极片通过对辊机压实，将其放置在60℃的真空烘箱中24h，得到硫正极复合电极。以铜锂复合材料作为负极，锂片厚度为16mm，按照正负极同尺寸裁剪。隔膜为聚乙烯支撑膜涂覆1％石墨烯。电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，组装的软包电池型号为PL327193。所采用的电解液是浓度为1mol.L-1的双三氟甲基磺酸酰亚胺锂(LiTFSI)和2wt％的LiNiO3溶解在体积比为1:1的1,3-二氧五环(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)的混合物溶剂中。将组装的电池用新威充放电测试仪进行恒流充放电，充放电电压范围为1.8V-2.6V，先用0.05C小电流化成2圈，随后用0.2C测试电池的循环稳定性。电池循环100次，容量保持率为75％，显循环稳定性有待提高。
实施例二
工作人员按7:2:1的比例称量含硫聚合物(以硫计)、superP、PVDF，先将PVDF溶解在N-甲基吡咯烷酮中，随后往溶液中加入superP、含硫聚合物。将调好的浆料用球磨机低速球磨6h，使其分散均匀。把浆料刮图在铝箔集流体上，涂布好的极片随后60℃鼓风烘干3h。将极片通过对辊机压实，将其放置在60℃的真空烘箱中24h，得到硫正极复合电极。按照图1所示设计正极结构。以铜锂复合材料作为负极，锂片厚度为16mm，按照图2所示负极结构。隔膜为聚乙烯支撑膜涂覆1％石墨烯。电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，组装的软包电池型号为PL327193。所采用的电解液是浓度为1mol.L-1的双三氟甲基磺酸酰亚胺锂(LiTFSI)和2wt％的LiNiO3溶解在体积比为1:1的1,3-二氧五环(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)的混合物溶剂中。将组装的电池用新威充放电测试仪进行恒流充放电，充放电电压范围为1.8V-2.6V，先用0.05C小电流化成2圈，随后用0.2C测试电池的循环稳定性。电池循环100次，容量保持率为94％，显示出良好的循环稳定性。
实施例三
工作人员按7:2:1的比例称量含硫聚合物(以硫计)、superP、PVDF，先将PVDF溶解在N-甲基吡咯烷酮中，随后往溶液中加入superP、含硫聚合物。将调好的浆料用球磨机低速球磨6h，使其分散均匀。把浆料刮图在铝箔集流体上，涂布好的极片随后60℃鼓风烘干3h。将极片通过对辊机压实，将其放置在60℃的真空烘箱中24h，得到硫正极复合电极。按照图3所示设计正极结构。以铜锂复合材料作为负极，锂片厚度为16mm，按照图4所示负极结构。隔膜为聚乙烯支撑膜涂覆1％石墨烯。电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，组装的软包电池型号为PL327193。所采用的电解液是浓度为1mol.L-1的双三氟甲基磺酸酰亚胺锂(LiTFSI)和2wt％的LiNiO3溶解在体积比为1:1的1,3-二氧五环(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)的混合物溶剂中。将组装的电池用新威充放电测试仪进行恒流充放电，充放电电压范围为1.8V-2.6V，先用0.05C小电流化成2圈，随后用0.2C测试电池的循环稳定性。电池循环100次，容量保持率为96％，显示出良好的循环稳定性。
经由充放电测试仪测试可得：
表1锂硫软包电池电化学性能数据表
Figure BDA0002626269330000111
从表1中实施1-3的对比可以看出，锂硫电池采用实施例三设计结构，电池电芯的循环稳定性最高，故而实施例三为最佳实施例。
本发明的工作原理为：S1.硫正极制备：首先工作人员按照一定比例称量材料，而后再将混合后的浆料用球磨机研磨，使得浆料分散均匀，而后工作人员在将浆料涂覆在铝箔集流体上，并用鼓风机60℃进行烘干6h，烘干结束后在用对辊机压实，之后在将压实的铝箔集流体放置在真空烘箱60℃中烘干24h，烘干后得到硫正极复合电极，而后根据加工要求对硫正极复合电极设置空白区域，并去掉传统的正极片点焊极耳位置外的头部敷料部分，而后留边；S2.锂负极制备：工作人员选取材料，而后根据加工要求在负极片上设置空白区域，并裁减负极片上对应正极片空白敷料部分，而后留边；S3.导电隔膜制备：工作人员首先选取合适的隔膜，而后使用复合导电材料配制浆料，之后再将浆料涂覆在隔膜上面，从而制备具有导电涂层的隔膜材料；S4.电池组装与检测：工作人员将上述步骤制备的正极片、负极片及隔膜于电解液一起组装成软包电池，而后在用充放电测试仪进行测试，此时工作人员先用0.05C小电流化成2圈，随后用0.2C测试电池的循环稳定性，而后电池循环100次，工作人员记录电池容量保持率并进行比对。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种锂硫电池错位电芯结构，其特征在于：包括负极片(1)、正极片(2)及隔膜(3)，所述隔膜(3)缠绕在负极片(1)侧面外壁上，所述正极片(2)缠绕在隔膜(3)侧面外壁上，所述负极片(1)顶部外壁两侧与底部外壁两侧均开设有负极留边区(4)，所述正极片(2)顶部外壁两侧与底部外壁两侧均开设有正极留边区(5)。
2.根据权利要求1所述的一种锂硫电池错位电芯结构设计，其特征在于：包括以下步骤：
S1.硫正极制备：首先工作人员按照一定比例称量材料，而后再将混合后的浆料用球磨机研磨，使得浆料分散均匀，而后工作人员在将浆料涂覆在铝箔集流体上，并用鼓风机烘干，烘干结束后在用对辊机压实，之后在将压实的铝箔集流体放置在真空烘箱中烘干，烘干后得到硫正极复合电极，而后根据加工要求对硫正极复合电极设置空白区域，并去掉传统的正极片点焊极耳位置外的头部敷料部分，而后留边；
S2.锂负极制备：工作人员选取材料，而后根据加工要求在负极片上设置空白区域，并裁减负极片上对应正极片空白敷料部分，而后留边；
S3.导电隔膜制备：工作人员首先选取合适的隔膜，而后使用复合导电材料配制浆料，之后再将浆料涂覆在隔膜上面，从而制备具有导电涂层的隔膜材料；
S4.电池组装与检测：工作人员将上述步骤制备的正极片、负极片及隔膜于电解液一起组装成软包电池，而后在用充放电测试仪进行测试。
3.根据权利要求2所述的一种锂硫电池错位电芯结构设计，其特征在于：所述S1中材料为活性复合硫材料、导电材料和复合粘结剂材料，且活性复合硫材料、导电材料和复合粘结剂材料的重量比为60％-80％、15％-30％、5％-10％。
4.根据权利要求3所述的一种锂硫电池错位电芯结构设计，其特征在于：所述S1中活性复合硫材料包括含硫聚合物、硫碳复合材料等复合硫材料，所述S1中导电材料括石墨烯、多孔碳、乙炔黑、碳纳米管、碳纤维等一种或者多种。
5.根据权利要求2所述的一种锂硫电池错位电芯结构设计，其特征在于：所述S1中球磨机研磨时间为6h，所述S1中真空烘箱温度为60℃，且烘干时间为24h，所述S1中鼓风机温度为60℃，且烘干时间为3h。
6.根据权利要求2所述的一种锂硫电池错位电芯结构设计，其特征在于：所述S2中负极片选取材料为铜锂复合材料，且铜锂复合材料的表面修饰材料为铜、锡、钴等金属的氧化物和硫化物。
7.根据权利要求2所述的一种锂硫电池错位电芯结构设计，其特征在于：所述S3中复合导电材料为石墨烯、碳纳米管、乙炔黑、碳化钨、碳化钼、氮化钛和氮化钒之一种或多种以上的混合物，且隔膜上涂覆1％的混合物，所述隔膜为聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、等材料之一种构成的单层隔膜或一种以上材料构成的多层薄膜。
8.根据权利要求2所述的一种锂硫电池错位电芯结构设计，其特征在于：所述S4中电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，且组装的软包电池型号为PL327193。
9.根据权利要求2所述的一种锂硫电池错位电芯结构设计，其特征在于：所述S4中电解液材料为浓度为1mol.L-1双三氟甲基磺酸酰亚胺锂和LiNiO3重量百分率为2％的1,3-二氧五环、乙二醇二甲醚与LiNiO3的混合溶液，且1,3-二氧五环、乙二醇二甲醚与LiNiO3的混合溶液中1,3-二氧五环、乙二醇二甲醚体积比为1:1。
10.根据权利要求2所述的一种锂硫电池错位电芯结构设计，其特征在于：所述S4中充放电测试时充放电电压范围为1.8V-2.6V，且充放电测试时电池循环100次。
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