CN112151873A - 一种无集流体的电芯、其制备方法及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无集流体的电芯、其制备方法及锂离子电池。所述电芯包括至少1个电芯单元，所述电芯单元包括正极材料层、负极材料层和填充在所述正极材料层和负极材料层之间的隔离结构，所述隔离结构分别与正极材料层和负极材料层接触。本发明提供的电芯，由于没有集流体，提高了电池的能量密度，而且保证了电芯的生产和使用过程中的安全性能。

Description

一种无集流体的电芯、其制备方法及锂离子电池
技术领域
本发明属于储能技术领域，涉及一种无集流体的电芯、其制备方法及锂离子电池。
背景技术
近年来，随着经济的发展和科技的进步，能源问题和环境问题已经成为目前所有人关注的重点。化石燃料的过度消耗以及能源需求的增长，使得清洁能源的开发和利用变得极为迫切。
锂离子二次电池作为目前数码、电动汽车产品等领域的首选电源，因为其具有高能量密度、高工作电压、长循环寿命和无污染等优点。随着便携式智能设备的逐渐流行，发展便携式、小体积、高能量密度和高安全性的轻薄电池电芯最近成为学术界和工业界的共同研究热点。如何让便携式智能设备真正满足人们的日常生活需要，即如何让智能设备既具有较小体积又具备长时间的续航能力，开发与之相对应的电池电芯成为亟待攻克的技术难点之一。
CN109888168A公开了一种正极及其制备方法和具有该正极的电池，该正极为正极材料和纳米二氧化钛负载的碳纤维网络结构，该正极制备方法如下：将纸片置于钛酸酯溶液中浸润，取出干燥，得到复合纸片，将正极材料与去离子水按照一定比例超声分散得到一定溶度的分散液，然后将所述复合纸片与所述分散液混合进行水解反应，取出干燥，得到二氧化钛和正极材料负载的复合体；再将所述复合体在保护气体氛围下进行高温加热处理，得到纳米二氧化钛和正极材料负载在碳纤维网络上的结构，即正极，以及具有该正极的电池。该技术方案用以制备无粘结剂、无集流体的可自支撑的柔性正极，能简化电极制备工艺、减少工序、降低成本、提高能量密度、提高导电性和安全性。但是该发明需要先制备电极，再组装成电池，工艺过程相对复杂，电极结构也不够紧密。
CN108807958A公开了一种二氧化锡-石墨烯-碳纳米管柔性负极材料及其制备方法与应用，其制备方法包括：取锡盐溶于纯水中，加热至90～230℃保温3～72小时，然后冷却至室温，加入糖类物质搅拌溶解后加热至90～230℃保温1～72小时，再加入氧化石墨烯分散液，搅拌混合均匀，然后加入短单壁碳纳米管、丁苯橡胶和氢碘酸溶液，搅拌均匀后进行超声处理，混合液进行减压抽滤，得到复合膜后干燥即得。本发明柔性负极材料制备方法简单，环境友好，成本低廉，通过三维碳骨架的构造，缓解了二氧化锡体积膨胀的问题；SBR的加入提高了膜的机械性能以至于可以在无集流体和粘结剂的情况下直接作为柔性电极材料；所制得的复合膜材料拥有着优异的循环性能、高能量密度、高倍率性能以及高使用寿命。但是，该发明柔性负极的制备过程本身就比较复杂，同时组装后电池的紧密性不够好。
针对上述的锂离子电池电芯的发展趋势，目前行业内还没有很成熟的技术和工艺制备出符合要求的产品，大部分器件还仅仅只是停留在研究阶段，要真正应用于实际仍存在性能达不到要求、能量密度低、制备成本偏高、制备工艺复杂等诸多需要解决的问题。
综上，开发一种既能保证该电芯的能量密度，又能够保证电芯的生产和使用过程中的安全性能，并且具有简单的制备工艺，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种无集流体的电芯、其制备方法及锂离子电池。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种无集流体的电芯，所述电芯包括至少一个电芯单元，所述电芯单元包括正极材料层、负极材料层和填充在所述正极材料层和负极材料层之间的隔离结构，所述隔离结构分别与正极材料层和负极材料层接触。
本发明中电芯单元的个数为至少1个，例如1个、2个、3个、5个、6个、8个、10个、12个或15个等。
本发明提供的电芯中，隔离结构有效地隔绝了正负极，且由于没有集流体，提高了电池的能量密度，而且，由于电极结构紧密，保证了电芯的生产和使用过程中的安全性能。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
优选地，所述电芯单元为积层式结构，所述“积层式结构”指：通过层层堆叠的形式形成的结构。
优选地，所述单元的个数为至少2个，且所述隔离结构的垂直截面为Z字形，其中Z字形的两条平行边分别位于正极材料层的边缘和负极材料层的边缘。
优选地，所述Z字形的夹角为90℃。
优选地，所述垂直截面中，隔离结构位于正极材料层和负极材料层之间的部分的厚度为10μm-300μm，例如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、85μm、100μm、150μm、200μm、240μm、265μm或300μm等，优选为20μm-200μm。
优选地，隔离结构位于正极材料层/负极材料层的边缘部分的厚度独立地为100μm-1000μm，例如100μm、150μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、650μm、750μm、800μm、900μm或1000μm等，优选为200μm-500μm。
本发明的电芯中，隔离结构可以是一体式的可以是分区块的，隔离结构的材质可以是单一种类，也可以是多种，只要能够达到隔离正负极的效果，本领域常用的绝缘材料均可用于本发明。
示例性地，隔离结构位于正极材料层和负极材料层之间的部分，与隔离结构位于正极材料层/负极材料层的边缘部分的材质可以相同也可以不同，在制备方法上，可以一次制备(例如一次填入成型)也可以多次制备(例如两次填入成型)。
本发明对正极材料层和负极材料层的具体种类不作限定，本领域常用的可达到相同效果的正极材料层和负极材料层均可用于本发明。
优选地，所述正极材料层包括正极活性材料、粘结剂和导电剂，所述正极活性材料包括但不限于钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、镍钴锰三元材料和镍钴铝三元材料中至少一种。
优选地，所述负极材料层包括负极活性材料、粘结剂和可选的导电剂，所述负极活性材料包括但不限于钛酸锂、天然石墨、人造石墨、碳纤维、软碳、硬碳、中间相碳微球、单质硅、硅氧化合物和硅碳复合物中的至少一种。所述“可选的导电剂”指：负极材料层中可以包含导电剂，也可以不包含导电剂，例如，当负极材料层中的其他组分已满足负极材料层具有良好的导电性时，无需额外添加导电剂。
本发明的正极材料层和/或负极材料层中还可以包含其他适用于制备正极材料层和/或负极材料层的添加剂，例如表面活性剂或造孔剂等。
优选地，所述正极材料层和负极材料层中的粘结剂独立地选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸和聚乙烯醇中的至少一种，例如聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯和聚丙烯酸的组合，聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和聚乙烯醇的组合等。但并不限于上述列举的粘结剂，其他本领域常用的可达到相同效果的粘结剂也可用于本发明。
优选地，所述正极材料层和负极材料层中的导电剂独立地选自导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、Super P、Super S、碳纳米管、石墨烯、多孔碳和碳纤维中的至少一种，例如导电炭黑，科琴黑，乙炔黑和Super P的组合，Super P、碳纳米管和多孔碳的组合等，但并不限于上述列举的导电剂，其他本领域常用的可达到相同效果的导电剂也可用于本发明。
本发明中，所述隔离结构至少位于正极材料层和负极材料层之间的部分具有锂离子传导能力，从而保证锂离子在正负极之间的传输。
本发明中，隔离结构的材质可以整体上完全相同，也可以不同，对材质不作具体限定，只要能起到隔离正负极避免短路以及保证锂离子能够在正负极之间传输的效果即可。所述隔离结构的材质包括但不限于固态电解质、陶瓷介质材料和聚烯烃中的至少一种。
优选地，所述隔离结构至少位于正极材料层和负极材料层之间的部分具有孔隙。
为了获得更好地隔离正负极以及锂离子传输的效果，可以采用下述优选方案：
①固态电解质直接作为隔离材料用于制备隔离结构，固态电解质例如氧化物固态电解质、硫化物固态电解质或聚合物固态电解质，更具体地可以是LLZO、LLZTO等，实际制备可采用固态电解质的干粉、颗粒状干料、颗粒状浸润料进行压力涂覆，例如喷涂或3D打印等。
②采用多孔聚烯烃层制备隔离结构，例如多孔PP层或多孔PE层等，实际制备可采用贴合的方式。
③采用陶瓷介质材料作为隔离材料用于制备隔离结构，实际制备可采用将陶瓷介质材料与粘结剂和溶剂混合后进行压力涂覆，例如喷涂或3D打印等。
④采用熔融或粉末态的聚烯烃与造孔剂混合，造孔剂包括但不限于挥发性溶剂或金属氧化物颗粒(例如Al2O3、TiO2、SiO2、MgO、CaO等)，其中，金属颗粒一方面增加了堆积孔，提供锂离子的传输通道，另一方面其热稳定性好，可改善电池的安全性能。
优选地，所述电芯上还设置有正极耳和负极耳。
对于电芯单元的个数为1个的技术方案，隔离结构的形式不作限定，可以是位于正极材料层和负极材料层之间的隔离层，也可以既包括位于二者之间的隔离层又包括位于正极材料层和负材料层边缘的隔离部(其垂直截面为Z字形)，正极耳和负极耳只要满足与正极材料层和负极材料层分别接触即可，无具***置限定。
对于电芯单元的个数为至少2个的技术方案，隔离结构既包括位于二者之间的隔离层又包括位于正极材料层和负材料层边缘的隔离部(其垂直截面为Z字形)，正极耳和负极耳的设置需满足：在具有隔离部的两个边缘分别设置导电层将至少两个正极材料层连接并用于正极耳连接，将至少两个负极材料层连接并用于负极耳连接。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的无集流体的电芯的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)分别配制包含正极活性材料、粘结剂和导电剂的第一混合料，以及包含负极活性材料、粘结剂和可选的导电剂的第二混合料；
(2)分别采用第一混合料和第二混合料制备正极材料层和负极材料层，采用隔离材料制备一体结构或分离结构的隔离结构，将正极材料层、负极材料层和隔离结构贴合，使隔离结构填充在所述正极材料层和负极材料层之间，得到无集流体的电芯。
本发明提供又一种如第一方面所述的无集流体的电芯的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1＇)分别配制包含正极活性材料、粘结剂和导电剂的第一混合料，以及包含负极活性材料、粘结剂和可选的导电剂的第二混合料；
(2＇)采用第一混合料或第二混合料中的任意一种在基底台上涂覆形成第一极性材料层，所述第一极性材料层为正极材料层或负极材料层；
(3＇)在基底台上第一极性材料层的表面，填充和/或涂覆包含隔离物质的材料，形成隔离材料层；
(4＇)在隔离材料层的表面填充和/或涂覆与步骤(2＇)采用的混合料极性相反的混合料，形成第二极性材料层，使隔离材料层填充在所述正极材料层和负极材料层之间，得到无集流体的电芯。
此优选技术方案采用积层式的工艺，一次可得到多个电芯单元，提高了工作效率，还实现了电芯形状、大小的可控，制备的锂离子电池安全性好。
本发明正负电极及隔层材料一次制备成型，结构紧密，能量密度和安全性更高。
作为本发明所述方法的优选技术方案，所述方法还包括在步骤(3＇)所述第一极性材料层的至少一个侧边外侧填充和/或涂覆包含隔离物质的材料，形成第一隔离部，步骤(4＇)在隔离材料层的表面填充和/或涂覆包含隔离物质的材料，形成第二隔离部，第一隔离部、第二隔离部与隔离材料层连接形成垂直截面为Z字形的隔离结构，在步骤步骤(4＇)之后依次进行至少1次步骤(3＇)和步骤(4＇)，以形成至少2个电芯单元以及Z字形的隔离结构。
本发明中，对第一混合料和第二混合料的形态不作限定，只要配合一定的工艺能够形成紧密的第一极性材料层和第二极性材料层即可，例如可以是干粉料、干颗粒料、浸润颗粒料或浆料等。
优选地，步骤(2＇)和步骤(4＇)所述涂覆为压力涂覆，压力涂覆指该涂覆方法在一定压力的作用下将原料固定到待涂覆层表面，包括但不限于3D打印和喷涂中的至少一种。
优选地，步骤(4＇)所述填充方式可以采用沉积法。优选地，步骤(3＇)所述涂覆的方式为流延法。
本发明的方法中，可以是直接制备得到预设层数和形状的电芯产品，也可以是先制备预设层数的电芯半成本，经切割得到电芯产品。所述切割的方式包括但不限于激光切割、线切割、切刀切割。
本发明的制造工艺操作简单，电芯形状和大小可控，同时还能够保证电芯的生产和使用过程中的安全性能。
第三方面，本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括第一方面所述的无集流体的电芯。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供了一种积层式无集流体锂离子电池电芯，由于不存在集流体，故电芯具有较高的能量密度。
2、本发明创新地通过积层式的制造工艺，构建所述电芯结构。不仅简化了制造工艺，还可以有效提升电池能量密度。
3、本发明制造的锂离子电池电芯，由于电极结构紧密，具有安全性好的特点。
4、本发明的电芯制造工艺，一次制作可得到多个单元，提高了工作效率。
5、本发明的电芯形状、大小及其容量可控，容易实现商业化应用。
附图说明
图1为实施例一的正极材料层区域和周边空白区域示意图；
图2为实施例一的负极材料层区域和周边空白区域示意图；
图3为实施例一的积层式电芯单元截面示意图；
图4为实施例二的正极材料层区域和周边空白区域示意图；
图5为实施例二的负极材料层区域和周边空白区域示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，而不是限制本发明。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，不能理解为对本发明保护范围的限制。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体选择。
首先，简述本发明实施例所用材料的基本方案：
本发明提供一种积层式无集流体锂离子电池电芯及制造工艺，其中，电芯的制造工艺，正极材料层的原料：选择正极活性材料、导电剂以及粘结剂混合制备成干粉料；负极材料层的原料：选择负极活性材料以及粘结剂混合制备成干粉料；隔离物质：选用陶瓷介质材料、固态电解质材料和聚烯烃中的至少一种。步骤如下：
步骤一，选择正极活性材料钴酸锂、导电剂乙炔黑以及粘结剂聚偏氟乙烯混合制备成干粉料，在疏水易剥离的平台的指定区域上喷涂所述干粉料，得到正极材料层，具体区域如图1所示，包括正极材料层区域111和周边空白区域112；
步骤二，在正极材料层上方以及周边空白区域喷涂隔离物质材料，具体是将陶瓷介质材料与粘结剂和溶剂混合，制成浆料，进行喷涂，再次得到一个隔离材料铺满的平面；
步骤三，在上述步骤的平面上方的指定区域喷涂负极材料层，具体区域如图2所示，包括负极材料层区域113和周边空白区域114，注意，该区域与正极材料层的区域形状大小一致，最重要的是两个材料层必须存在错位；
步骤四，使用隔离物质材料喷涂填充空白区域114；
步骤五，将上述制备的积层材料层整体进行烘干、切割和剥离，即得到本发明的一种积层式无集流体锂离子电池电芯。
注意，切割过程采用激光切割机，首先可将积层材料层切割成整体的长条状，然后根据实际需要切割成不同形状大小的裸电芯。切割后的裸电芯单元的截面如图3所示，单元的整体1，本实施例单元包括正极材料层11、负极材料层12和隔离物质材料层13。
本实施例一次制作可得到多个单元，提高了工作效率。
本实施例电芯单元形状、大小及其容量可控。
本发明实施例还提供一种锂离子电池，具体是一种积层式无集流体锂离子电池，采用上述制备的裸电芯制成，具体实施方式为：
首先，将包含正极材料层、负极材料层和隔离物质材料层的电芯单元，在切割的电极端面上涂覆一层银浆或其他导电物质；
然后，将电芯用电解液浸润，使电芯隔离物质材料层充满电解液；
再然后，将充满电解液的电芯与对应尺寸的外壳进行组装，得到锂离子电池；或者，使用绝缘的涂层或者包覆层封装电芯，引出极耳，得到锂离子电池。
实施例一
步骤一，选择正极活性材料钴酸锂、导电剂乙炔黑以及粘结剂聚偏氟乙烯混合制备成干粉料，在疏水易剥离的平台的指定区域上喷涂所述干粉料，得到正极材料层，厚度150μm，面密度400g/m2，具体区域如图1所示，包括正极材料层区域111和周边空白区域112；
步骤二，在正极材料层上方以及周边空白区域喷涂隔离物质材料，具体是将陶瓷介质材料Al2O3与粘结剂聚偏氟乙烯和溶剂N-甲基吡咯烷酮混合，制成浆料，进行喷涂，再次得到一个隔离材料铺满的平面，厚度30μm；
步骤三，在上述步骤的平面上方的指定区域喷涂负极材料层，厚度150μm，面密度200g/m2，具体区域如图2所示，包括负极材料层区域113和周边空白区域114，注意，该区域与正极材料层的区域形状大小一致，该区域相比于正极材料层的区域沿水平方向错位2mm；
步骤四，使用隔离物质材料喷涂填充空白区域114，厚度150μm；
步骤五，将上述制备的积层材料层整体进行烘干、切割和剥离，即得到本发明的一种积层式无集流体锂离子电池电芯。
注意，切割过程采用激光切割机、线切割或切刀切割，首先可将积层材料层切割成整体的长条状，然后根据实际需要切割成不同形状大小的裸电芯。切割后的裸电芯单元的截面如图3所示，单元的整体1，本实施例单元包括正极材料层11、负极材料层12和隔离物质材料层13。
本实施例一次制作可得到多个单元，提高了工作效率。
本实施例电芯单元形状、大小及其容量可控。
实施例二
本发明的一种积层式无集流体锂离子电池电芯及制造工艺，其中，电芯的制造工艺，步骤与实施例一基本一致，只在于具体区域的差别，具体步骤如下：
步骤一，在疏水易剥离的平台的指定区域上喷涂正极材料层，具体区域如图4所示，包括正极材料层区域211和周边空白区域212；
步骤二，在正极材料层上方以及周边空白区域喷涂隔离物质材料，再次得到一个隔离材料铺满的平面；
步骤三，在上述步骤的平面上方的指定区域喷涂负极材料层，具体区域如图5所示，包括负极材料层区域213和周边空白区域214，注意，该区域与正极材料层的区域形状大小一致，该区域相比于正极材料层的区域沿水平方向错位2mm；
步骤四，使用隔离物质材料喷涂填充空白区域214；
步骤五，将上述制备的积层材料层整体进行烘干、切割和剥离，即得到本发明的一种积层式无集流体锂离子电池电芯。
本实施例一次制作可得到多个单元，提高了工作效率。
本实施例电芯单元形状、大小可在喷涂材料层时进行控制。
本实施例中，正极材料层和负极材料层的厚度及面密度与实施例一相同。
实施例三
本实施例的一种积层式无集流体锂离子电池，采用实施例一和实施例二制备的裸电芯制成，具体实施方式为：
首先，将实施例一和实施例二得到的包含正极材料层、负极材料层和隔离物质材料层的电芯单元，在切割的电极端面上涂覆一层银浆；
然后，将电芯用电解液浸润，使电芯隔离物质材料层充满电解液；
再然后，将充满电解液的电芯与对应尺寸的外壳进行组装，得到锂离子电池。
本实施例中，正极材料层和负极材料层的厚度及面密度与实施例一相同。
实施例四
本实施例的一种积层式无集流体锂离子电池，采用实施例一和实施例二制备的裸电芯制成，具体实施方式为：
首先，将实施例一和实施例二得到的包含正极材料层、负极材料层和隔离物质材料层的电芯单元，在切割的电极端面上涂覆一层银浆；
然后，将电芯用电解液浸润，使电芯隔离物质材料层充满电解液；
再然后，使用绝缘的涂层或者包覆层封装电芯，引出极耳，得到锂离子电池。
本实施例中，正极材料层和负极材料层的厚度及面密度与实施例一相同。
实施例五
步骤一，选择正极活性材料钴酸锂、导电剂乙炔黑以及粘结剂聚偏氟乙烯以及溶剂N-甲基吡咯烷酮混合制备成浆料，在疏水易剥离的平台的指定区域上3D打印所述浆料，得到正极材料层，厚度150μm，面密度400g/m2，进行干燥定型；
步骤二，在正极材料层上方以及周边空白区域涂覆隔离物质材料，具体是将陶瓷介质材料Al2O3与粘结剂聚偏氟乙烯和溶剂N-甲基吡咯烷酮混合，制成浆料，进行3D打印，再次得到一个隔离材料铺满的平面，厚度30μm，干燥定型；
步骤三，在上述步骤的平面上方的指定区域涂覆负极材料层，厚度150μm，面密度200g/m2，该区域相比于正极材料层的区域沿水平方向错位2mm；
步骤四，使用隔离物质材料填充空白区域，厚度150μm；
步骤五，将上述制备的积层材料层整体进行烘干、切割和剥离，即得到本发明的一种积层式无集流体锂离子电池电芯。
本实施例切割过程采用激光切割。
本实施例一次制作可得到多个单元，提高了工作效率。
本实施例电芯单元形状、大小及其容量可控。
实施例六
步骤一，选择正极活性材料钴酸锂、导电剂乙炔黑以及粘结剂聚偏氟乙烯混合制备成干粉料，在疏水易剥离的平台的指定区域上喷涂所述干粉料，得到正极材料层，厚度150μm，面密度400g/m2，；
步骤二，在正极材料层上方以及周边空白区域喷涂隔离物质材料，具体是将陶瓷介质材料Al2O3与粘结剂聚偏氟乙烯和溶剂N-甲基吡咯烷酮混合，制成浆料，进行喷涂，再次得到一个隔离材料铺满的平面，厚度40μm；
步骤三，在上述步骤的平面上方的指定区域喷涂负极材料层，厚度150μm，面密度200g/m2，该区域相比于正极材料层的区域沿水平方向错位2mm；
步骤四，使用隔离物质材料喷涂填充空白区域，厚度150μm；
步骤五，将上述制备的积层材料层整体进行烘干、切割和剥离，即得到本发明的一种积层式无集流体锂离子电池电芯。
本实施例一次制作可得到多个单元，提高了工作效率。
本实施例电芯单元形状、大小及其容量可控。
实施例七
步骤一，选择正极活性材料锰酸锂、导电剂乙炔黑以及粘结剂聚偏氟乙烯混合制备成干粉料，在疏水易剥离的平台的指定区域上喷涂所述干粉料，得到正极材料层，厚度150μm，面密度400g/m2；
步骤二，在正极材料层上方以及周边空白区域喷涂隔离物质材料，具体是使用固态电解质直接喷涂，得到一个隔离材料铺满的平面，厚度30μm；
步骤三，在上述步骤的平面上方的指定区域喷涂负极材料层，厚度150μm，面密度200g/m2，该区域相比于正极材料层的区域沿水平方向错位2mm；
步骤四，使用隔离物质材料喷涂填充空白区域，厚度150μm；
步骤五，将上述制备的积层材料层整体进行烘干、切割和剥离，即得到本发明的一种积层式无集流体锂离子电池电芯。
本实施例一次制作可得到多个单元，提高了工作效率。
本实施例电芯单元形状、大小及其容量可控。
对比例一
步骤一，选择正极活性材料钴酸锂、导电剂乙炔黑以及粘结剂聚偏氟乙烯混合制备成干粉料，在疏水易剥离的平台的指定区域上喷涂所述干粉料，得到正极材料层，厚度150μm；
步骤二，在正极材料层上方以及周边空白区域喷涂隔离物质材料，具体是将陶瓷介质材料Al2O3与粘结剂聚偏氟乙烯和溶剂N-甲基吡咯烷酮混合，制成浆料，进行喷涂，再次得到一个隔离材料铺满的平面，厚度30μm；
步骤三，在上述步骤的平面上方的指定区域喷涂负极材料层，厚度150μm，注意，该区域相比于正极材料层的区域完全对应，无错位；
步骤四，使用隔离物质材料喷涂填充空白区域，厚度150μm；
步骤五，将上述制备的积层材料层整体进行烘干、切割和剥离，即得到本发明的一种积层式无集流体锂离子电池电芯。
本实施例制备的电芯结构上存在缺陷，无法引出极耳，无法构成锂离子电池。
对比例二
采用与实施例一相同种类和含量的正极活性材料、导电剂和粘结剂，配置成正极浆料，涂覆到铝箔表面，干燥，得到正极极片。
配制负极浆料，涂覆到铜箔表面，干燥，得到负极极片，负极极片中的负极材料层的组成与实施例一相同。
采用正极极片和负极极片，二者之间用隔膜隔离，叠片得到电芯。
效果分析：
第一、能量密度高，电化学性能好：
现存典型电芯结构中，如对比例二，铜箔、铝箔所占据的重量与正负极活性物质比例约为1:5(正极约1:8，负极约1:2)。而铜箔和铝箔是不贡献能量的。
在本申请的实施例中，不存在铜箔铝箔，在相同导电剂和粘结剂占比的情况下，电芯重量下降，电芯的能量密度提高。
即使是升高导电剂、粘接剂比例，仍可在保证上升比例低于现存电芯结构中的铜箔和铝箔比重(例如上升比例不超过5％，)的情况下，提升电芯的容量和能量密度，电芯重量降低可15％左右，折算成能量密度，即能量密度上升了15％左右。
第二、安全性好：
与现存的电芯结构相比，将传统PP/PE材质的隔膜取消，更换成无机氧化物材质后，其在高温下不收缩，不燃烧，提升了安全保障。
上述内容仅为本发明典型实施方式，并且易于作出其他多种变化而不超出本发明权利要求中描述的准确范围。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种无集流体的电芯，其特征在于，所述电芯包括至少1个电芯单元，所述电芯单元包括正极材料层、负极材料层和填充在所述正极材料层和负极材料层之间的隔离结构，所述隔离结构分别与正极材料层和负极材料层接触。
2.根据权利要求1所述的无集流体的电芯，其特征在于，所述电芯单元为积层式结构；
优选地，所述电芯单元的个数为至少2个，且所述隔离结构的垂直截面为Z字形，其中Z字形的两条平行边分别位于正极材料层的边缘和负极材料层的边缘；
优选地，所述Z字形的夹角为90℃。
3.根据权利要求2所述的无集流体的电芯，其特征在于，所述垂直截面中，隔离结构位于正极材料层和负极材料层之间的部分的厚度为10μm-300μm，优选为20μm-200μm；
优选地，隔离结构位于正极材料层/负极材料层的边缘的部分的厚度独立地为100μm-1000μm，优选为200μm-500μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的无集流体的电芯，其特征在于，所述正极材料层包括正极活性材料、粘结剂和导电剂，所述正极活性材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、镍钴锰三元材料和镍钴铝三元材料中至少一种；
优选地，所述负极材料层包括负极活性材料、粘结剂和可选的导电剂，所述负极活性材料包括钛酸锂、天然石墨、人造石墨、碳纤维、软碳、硬碳、中间相碳微球、单质硅、硅氧化合物和硅碳复合物中的至少一种；
优选地，所述正极材料层和负极材料层中的粘结剂独立地选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸和聚乙烯醇中的至少一种；
优选地，所述正极材料层和负极材料层中的导电剂独立地选自导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、Super P、Super S、碳纳米管、石墨烯、多孔碳和碳纤维中的至少一种。
5.根据权利要求1-4任一项所述的无集流体的电芯，其特征在于，所述隔离结构至少位于正极材料层和负极材料层之间的部分具有锂离子传导能力；
优选地，所述隔离结构的材质包括固态电解质、陶瓷介质材料和聚烯烃中的至少一种；
优选地，所述隔离结构至少位于正极材料层和负极材料层之间的部分具有孔隙。
6.根据权利要求1-5任一项所述的无集流体的电芯，其特征在于，所述电芯上还设置有正极耳和负极耳。
7.如权利要求1-6任一项所述的无集流体的电芯的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)分别配制包含正极活性材料、粘结剂和导电剂的第一混合料，以及包含负极活性材料、粘结剂和可选的导电剂的第二混合料；
(2)分别采用第一混合料和第二混合料制备正极材料层和负极材料层，采用隔离材料制备一体结构或分离结构的隔离结构，将正极材料层、负极材料层和隔离结构贴合，使隔离结构填充在所述正极材料层和负极材料层之间，得到无集流体的电芯。
8.根据权利要求1-6任一项所述的无集流体的电芯的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1＇)分别配制包含正极活性材料、粘结剂和导电剂的第一混合料，以及包含负极活性材料、粘结剂和可选的导电剂的第二混合料；
(2＇)采用第一混合料或第二混合料中的任意一种在基底台上涂覆形成第一极性材料层，所述第一极性材料层为正极材料层或负极材料层；
(3＇)在基底台上第一极性材料层的表面，填充和/或涂覆包含隔离物质的材料，形成隔离材料层；
(4＇)在隔离材料层的表面填充和/或涂覆与步骤(2＇)采用的混合料极性相反的混合料，形成第二极性材料层，使隔离材料层填充在所述正极材料层和负极材料层之间，得到无集流体的电芯。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤(3＇)所述第一极性材料层的至少一个侧边外侧填充和/或涂覆包含隔离物质的材料，形成第一隔离部，步骤(4＇)在隔离材料层的表面填充和/或涂覆包含隔离物质的材料，形成第二隔离部，第一隔离部、第二隔离部与隔离材料层连接形成垂直截面为Z字形的隔离结构，在步骤步骤(4＇)之后依次进行至少1次步骤(3＇)和步骤(4＇)，以形成至少2个电芯单元以及Z字形的隔离结构。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括权利要求1-6任一项所述的无集流体的电芯。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114583283A (zh) * 2021-12-28 2022-06-03 上海瑞浦青创新能源有限公司 一种使用3d打印技术制作固态电池的方法

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