CN113764829A

CN113764829A - 一种复合极片体及锂电池

Info

Publication number: CN113764829A
Application number: CN202111002770.6A
Authority: CN
Inventors: 田奎; 邹浒; 何志佳; 王清辉; 朱威; 肖良; 曹昊楠
Original assignee: Zhuhai Cosmx Battery Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Cosmx Battery Co Ltd
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2021-12-07

Abstract

一种复合极片体及锂电池，该复合极片体包括：隔膜；复合于隔膜一侧表面上的第一导电骨架；复合于隔膜另一侧表面上的第二导电骨架；第一导电骨架和第二导电骨架上形成有镂空，第一导电骨架上负载有第一活性物质层，第二导电骨架上负载有第二活性物质层，第一活性物质层和第二活性物质层的极性相反。本发明在隔膜的两侧表面上复合用于负载活性物质的导电骨架，取消了常规极片结构中的集流体，实现超薄的结构，而且通过导电骨架可以改善极片的折叠、弯曲等可操作性，导电骨架复合粘接在隔膜上，可以增加活性物质和隔膜、导电骨架的粘合度，使复合极片体整体的粘结更为紧密，活性物质的位置不会发生相对位移，可以改善电池的柔性弯曲特性。

Description

一种复合极片体及锂电池

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种柔性超薄锂电池及其使用的极片。

背景技术

近年来，随着智能手环、智能服装、OLED、柔性手机、AR/VR等可穿戴电子设备的广泛普及，用户及设备厂商对其所使用的电池的可操作性也提出了更高的需求。和常规电池相比，使用在可穿戴电子设备上的电池，要求其具有更好的可弯曲、可柔性、可卷绕、可折叠等可操作性，因此，柔性超薄电池成了目前锂电领域热门的研究方向之一，开发新型电池体系及结构来改善电池的柔性超薄特性是目前业内亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的复合极片体及使用该复合极片体的锂电池，可以减小电池的厚度，改善电池的可操作性，提高电池的柔性及电化学性能。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种复合极片体，包括：隔膜；复合于所述隔膜一侧表面上的第一导电骨架；复合于所述隔膜另一侧表面上的第二导电骨架；所述第一导电骨架和所述第二导电骨架上形成有镂空，所述第一导电骨架上负载第一活性物质层，所述第二导电骨架上负载第二活性物质层，所述第一活性物质层和所述第二活性物质层的极性相反。

进一步的，所述第一导电骨架和所述第二导电骨架为网状骨架，所述第一活性物质层填充在所述第一导电骨架的镂空及表面，所述第二活性物质层填充在所述第二导电骨架的镂空及表面。

更进一步的，所述第一活性物质层的厚度不超过所述第一导电骨架的高度，所述第二活性物质层的厚度不超过所述第二导电骨架的高度。

作为本发明复合极片体的一种可选实施方案，所述第一导电骨架和所述第二导电骨架通过涂覆在所述隔膜表面的导电胶复合粘接于隔膜表面上，所述导电胶的厚度为0.1～0.5μm。

作为本发明复合极片体的一种可选实施方案，所述第一导电骨架和所述第二导电骨架的材质为石墨烯或碳纳米管或导电橡胶纤维或导电塑料纤维或导电纤维织物。

作为本发明复合极片体的一种可选实施方案，所述第一导电骨架和所述第二导电骨架的材质为铜或铝或银或其合金。

进一步的，所述第一导电骨架和所述第二导电骨架的抗拉强度为20～100Mpa，热收缩率为0.1～0.5％。

进一步的，所述第一导电骨架和所述第二导电骨架的高度为1～100um。

进一步的，所述第一导电骨架和所述第二导电骨架的孔隙率为50～95％。

进一步的，所述隔膜和所述第一导电骨架之间的剥离力以及所述隔膜与所述第二导电骨架之间的剥离力为0.01～0.8Kg/N。

本发明还提供了一种锂电池，包括前述复合极片体，相邻的所述复合极片体之间设置有隔膜。

由以上技术方案可知，本发明在隔膜的两侧表面上复合用于负载活性物质的导电骨架，不仅取消了常规极片结构中的集流体，极大降低了电池的厚度以实现电池的超薄特性，而且通过导电骨架可以改善极片的折叠、弯曲等可操作性，导电骨架复合粘接在隔膜上，可以增加活性物质和隔膜、导电骨架的粘合度，使复合极片体整体的粘结更为紧密，活性物质的位置不会发生相对位移，用于制备柔性超薄电池，可以实现电池的弯曲折叠，同时能够降低电池内阻，此外，使用导电骨架提高了活性物质的负载量，可以实现提升电池倍率性能和能量密度性能的效果。本发明的复合极片体采用隔膜、导电骨架、正负极活性物质的一体式结构，可以简化后续的电池制造流程，有利于提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例极片体的结构示意图；

图2为本发明实施例极片体的剖视图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1和图2所示，本发明的复合极片体包括隔膜1、第一导电骨架2、第二导电骨架3、第一活性物质层4和第二活性物质层5。第一导电骨架2和第二导电骨架3分别复合在隔膜1的两侧表面上，隔膜和导电骨架之间的剥离力为0.01～0.8Kg/N。第一导电骨架2和第二导电骨架3为平面或三维网状骨架结构，具有导电性，导电骨架可通过导电胶6复合在隔膜1的表面上。第一导电骨架2和第二导电骨架3上形成有若干镂空a，镂空a的形状可以是方形、圆形、三角形、菱形等规则形状，也可以是不规则的形状。第一活性物质层4和第二活性物质层5的极性相反，活性物质层通过喷涂、浸泡等方式填充复合在隔膜1两侧的导电骨架上，由此形成隔膜和正极、负极为一体的复合极片体。

本发明的第一活性物质层4(正极)中的活性物质可为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍锰钴酸锂、镍锰钴铝酸锂、镍钴酸锂、富锂锰等。第二活性物质层5(负极)中的活性物质可为钛酸锂、锂粉、铝粉、金属氧化物、人造石墨、天然石墨、硅、硅合金、硫、硫合金、硅碳等。活性物质和导电剂、粘结剂混合后制备成浆料，然后涂覆填充在导电骨架上。活性物质层填充在导电骨架的镂空中及导电骨架的表面，活性物质层的厚度(高度)优选不超过导电骨架的高度，最高可与导电骨架的高度平齐。当活性物质层高出于导电骨架时，极片体在弯折的过程中，活性物质层超出导电骨架的部分会和导电骨架的顶端相挤压而产生剪切力，从而可能会导致活性物质脱落，引起电池安全风险。

本发明的导电骨架的材质可为石墨烯、碳纳米管，或铜、铝、银等金属及其合金，也可以采用导电橡胶纤维、导电塑料纤维、导电纤维织物等非金属导电材料。导电骨架的高度可为1～100μm，孔隙率可为50～95％。同时为了满足电池的折叠性能，导电骨架的抗拉强度为20～100Mpa，热收缩率为0.1～0.5％。作为本发明的优选实施方式，导电骨架可采用3D打印或丝印技术制备，然后通过导电胶复合在隔膜的表面上，或者在隔膜的表面涂覆导电胶后，直接在隔膜表面上打印出导电骨架。导电骨架可以通过导电胶和隔膜复合粘接在一起，以有效提升导电骨架和隔膜之间的粘贴强度，避免在没有导电胶的情况下，弯曲折叠过程中可能会发生导电骨架与隔膜脱离，带来电芯安全问题。导电胶(层)的厚度可为0.1～0.5μm。

本发明的导电骨架作为正极活性物质以及负极活性物质的载体，替代了常规极片结构中的极片集流体，由于取消了极片集流体，从而可以减小极片的总厚度，不仅实现了超薄结构，而且导电骨架直接复合在隔膜上，粘接紧密，弯曲折叠时活性物质不会发生相对位移，实现了电池的柔性折叠特性。此外，导电骨架的镂空(孔隙结构)及表面能够存储更多的活性物质以及电解液，活性物质负载量的提高有利于电池能量密度的提高，存储更多的电解液可以补充电池循环过程中电解液的消耗，有利于电池循环性能的提升。网状的导电骨架还可以缩短电子的传输路径以及增加活性物质与导电骨架的接触面积，实现电池的倍率性能的提升及电池内阻的降低。

下面通过具体实施例对本发明复合极片体及锂电池的制备方法进行说明。

实施例1

步骤一、制备复合导电骨架；本实施例第一导电骨架和第二导电骨架的结构相同，材质均为纳米碳管，孔隙率为50％，高度为60μm，抗拉强度为30Mpa，热收缩率为0.2％，隔膜的材质为聚丙烯，在隔膜的两侧表面上分别涂覆一层导电胶，将第一导电骨架粘接复合在隔膜的一侧表面上，将第二导电骨架粘接复合在隔膜的另一侧表面上，制得可以承载正、负极活性物质的由隔膜和导电骨架组成的复合导电骨架；

步骤二、制备复合极片体；分别配制正极浆料和负极浆料，本实施例的正、负极浆料分别按以下组分制备：将钴酸锂(正极活性物质)、聚偏氟乙烯(粘结剂)、乙炔黑(导电剂)以97％∶2％∶1％的比例配制成固含量为75％的正极浆料；将石墨(负极活性物质)、聚偏氟乙烯(粘结剂)、乙炔黑(导电剂)以96％∶2％∶2％的比例配制成固含量为45％的负极浆料；将正极浆料通过挤压喷涂的方式涂覆填充在第一导电骨架上，形成第一活性物质层，将负极浆料通过挤压喷涂的方式涂覆在第二导电骨架上，形成第二活性物质层；活性物质填充到网状导电骨架的孔隙里和表面，制得的复合极片体的总厚度为200μm，面密度为180mg/cm²；

步骤三、将复合极片体进行辊压，压实密度为1～20g/cm，然后将复合极片体按照电池所需要的尺寸进行裁切，并在复合极片体上焊接极耳，极耳可采用超声焊或激光焊的方式焊接；

步骤四、将复合极片体和隔膜交替叠放(即相邻的复合极片体之间由隔膜隔开)，以卷绕或叠片的方式制成电芯，并用铝塑膜封装；本实施例采用卷绕的方式制成电芯；

步骤五：将封装后的电池放入干燥箱内进行真空干燥，干燥箱温度为60～100℃，真空干燥时间为3～24h，然后在水分＜20ppm下的真空手套箱中注入电解液，完成电池制作。电解液可根据使用要求，使用低温、高温、高倍率等常规或功能性电解液。

实施例2至8

实施例2至8与实施例1不同的地方在于导电骨架的孔隙率，实施例2至8的导电骨架的孔隙率分别为：60％、70％、80％、90％、95％、40％和45％。

对比例1

对比例1和实施例1不同的地方在于：对比例1分别采用铜箔和铝箔作为负极片和正极片的集流体，将负极浆料涂覆在铜箔上，正极浆料涂覆在铝箔上，然后将正极片、隔膜、负极片一起制成电芯，正极片+隔膜+负极片的总厚度为160μm。

对比例2

对比例2和对比例1不同的地方在于：正极片+隔膜+负极片的总厚度为200μm。

对比例3

对比例3和对比例1不同的地方在于：正极片+隔膜+负极片的总厚度为240μm。

将实施例1至8和对比例1、2、3制成的电池进行电化学性能测试，测试结果见表1。其中，5C倍率性能的计算方式为：电池5C放电容量/电池0.2C放电容量＝电池5C放电倍率，能量密度计算方式为：电池平台电压*电池0.2C容量/电池体积＝电池能量密度。弯折测试的方法如下：将电池两端用陶瓷夹夹紧固定，然后陶瓷夹反向往复移动，带动电池弯曲，陶瓷夹往复移动的距离为电池总长的一半，弯折200次后，测量电池的压降。

表1

	极片体总厚度	导电骨架孔隙率	5C倍率性能	弯折测试200次后压降	能量密度
						对比例1	160μm	/	78％	270mV	460Wh/L
对比例2	200μm	/	70％	300mV	500Wh/L
						对比例3	240μm	/	67％	380mV	560Wh/L
实例1	200μm	50％	83％	60mV	600Wh/L
						实例2	200μm	60％	85％	55mV	630Wh/L
实例3	200μm	70％	87％	50mV	660Wh/L
						实例4	200μm	80％	88％	48mV	690Wh/L
实例5	200μm	90％	89％	45mV	720Wh/L
						实例6	200μm	95％	90％	44mV	750Wh/L
实例7	200μm	40％	71％	75mV	500Wh/L
						实例8	200μm	45％	75％	70mV	540Wh/L

由以上测试结果可以看出，和采用常规箔材作为极片集流体的电池相比，本发明电池的倍率性能和能量密度等电化学性能相比于常规电池结构不同极片体厚度的电池都得到了提升，原因在于，本发明的复合极片体中使用导电骨架作为活性物质的承载体，导电骨架既能替代传统的箔材集流体以降低厚度，又能够承载更多的活性物质，提高了活性物质的负载量，从而电池的能量密度得到了提升，同时导电骨架的镂空结构可以缩短电子的传输路径，降低电池的内阻，从而电池的倍率性能也得到了提升。且从表1还可以看出，当(相同高度的)导电骨架孔隙率低于50％时，虽然弯折测试结果良好，但电芯的能量密度和倍率性能的提升不明显，不具备生产价值。此外常规电池中的正极片+隔膜+负极片的结构，极片和隔膜的结合不紧密，极片和隔膜之间会有缝隙，因而在折叠过程中正、负极片和隔膜之间会发生相对位移，而电池在弯折过程中极片和隔膜之间发生位移会使隔膜和极片之间发生相对摩擦，摩擦位置的隔膜会变薄产生微孔，使锂离子更容易穿过，导致电池压降大，电池内阻增大。

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范围。

Claims

1.一种复合极片体，其特征在于，包括：

隔膜；

复合于所述隔膜一侧表面上的第一导电骨架；

复合于所述隔膜另一侧表面上的第二导电骨架；

所述第一导电骨架和所述第二导电骨架上形成有镂空，所述第一导电骨架上负载第一活性物质层，所述第二导电骨架上负载第二活性物质层，所述第一活性物质层和所述第二活性物质层的极性相反。

2.如权利要求1所述的复合极片体，其特征在于：所述第一导电骨架和所述第二导电骨架为网状骨架，所述第一活性物质层填充在所述第一导电骨架的镂空及表面，所述第二活性物质层填充在所述第二导电骨架的镂空及表面。

3.如权利要求1或2所述的复合极片体，其特征在于：所述第一活性物质层的厚度不超过所述第一导电骨架的高度，所述第二活性物质层的厚度不超过所述第二导电骨架的高度。

4.如权利要求1所述的复合极片体，其特征在于：所述第一导电骨架和所述第二导电骨架通过导电胶复合粘接于隔膜表面上，所述导电胶的厚度为0.1～0.5μm。

5.如权利要求1所述的复合极片体，其特征在于：所述第一导电骨架和所述第二导电骨架的材质为石墨烯或碳纳米管或导电橡胶纤维或导电塑料纤维或导电纤维织物；或者所述第一导电骨架和所述第二导电骨架的材质为铜或铝或银或其合金。

6.如权利要求1所述的复合极片体，其特征在于：所述第一导电骨架和所述第二导电骨架的抗拉强度为20～100Mpa，热收缩率为0.1～0.5％。

7.如权利要求1所述的复合极片体，其特征在于：所述第一导电骨架和所述第二导电骨架的高度为1～100um。

8.如权利要求1所述的复合极片体，其特征在于：所述第一导电骨架和所述第二导电骨架的孔隙率为50～95％。

9.如权利要求1所述的复合极片体，其特征在于：所述隔膜和所述第一导电骨架之间的剥离力以及所述隔膜与所述第二导电骨架之间的剥离力为0.01～0.8Kg/N。

10.锂电池，其特征在于：包括如权利要求1至9任一项所述的复合极片体，相邻的所述复合极片体之间设置有隔膜。