CN1165090C - 锂离子聚合物电池 - Google Patents
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Abstract
一种锂离子聚合物电池，包括正负极片和隔离膜，正负极片采用箔形集电体，粘合剂为二种或三种粘合剂混合而成的混合物之一：(a)聚偏氟乙烯，(b)改性聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯，(c)改性聚乙烯或聚二烯，聚偏氟乙烯与改性聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯混合时，重量份数比为1-6∶0.1-3.5，改性聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯与剂改性聚乙烯或聚二烯混合时，重量份数比为0.1-3.5∶0.1-3.5，聚偏氟乙烯与剂改性聚乙烯或聚二烯混合时，重量份数比为1-6∶0.1-3.5，三种混合时，重量份数比为1-12∶0.1-3.5∶0.1-3.5。本发明具有容量密度高、循环寿命长、内阻小、使用温度范围宽广、优良的高倍率放电能力和低自放电性、高安全性等特性，且生产工艺简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子聚合物电池。
背景技术
以美国专利USP5296318为基础的Bellcore技术的锂离子聚合物电池，其正、负极片采用铜网、铝网作为集电体，集电体上的正、负极活性材料层采用的粘合剂为偏氟乙烯(vinylidene fluoride)与六氟丙烯(hexafluoropropylene)的共聚物，即VDF与HFP的共聚物，该类粘合剂具有较好的自粘合力，但对铜箔或铝箔的粘合力很差，因此该锂聚合物电池采用铜网、铝网作为集电体，粘合剂通过其网孔实现自粘接并同时夹住铜网或铝网而成为正极片、负极片。为达到粘合剂自粘接，工艺上要求热辊压或热压合，同时要加入增塑剂DBP(dibutyl phthalate)类物质使粘合剂与正、负极粉经过涂布后能成为自支撑膜，否则难以实现正负极膜与铜网/铝网的热压合而实现自粘接。这类锂聚合物电池存在着如下缺点：1.由于正、负极活性材料层需制成自支撑膜，使得正、负极片厚度较大，延展性能不好，电池体积较大，容量密度不高；2.由于增塑剂DBP类物质的加入，使得整个电池需要萃取，以清除DBP类增塑剂，因此存在工艺复杂，成本高，DBP清除不完全等问题；3.采用网状集电体，其价格昂贵，使电池成本增高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有锂离子聚合物电池存在的上述问题，提供一种生产工艺简单、成本低的锂离子聚合物电池。
本发明的目的是这样实现的：本发明的锂离子聚合物电池包括正极片、负极片和隔离膜，正极片和负极片分别由正、负集电体和粘接在其上的正、负极活性材料层组成，所述正极片和负极片采用箔形集电体，正、负极活性材料层中的粘合剂为下列三种粘合剂中的二种或三种按下述比例混合而成的混合物之一：(a)聚偏氟乙烯，(b)改性聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯，(c)改性聚乙烯或聚二烯，粘合剂聚偏氟乙烯与粘合剂改性聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯混合使用时，其重量份数比为1-6∶0.1-3.5，粘合剂改性聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯与粘合剂改性聚乙烯或聚二烯混合使用时，其重量份数比为0.1-3.5∶0.1-3.5，粘合剂聚偏氟乙烯与粘合剂改性聚乙烯或聚二烯混合使用时，其重量份数比为1-6∶0.1-3.5，上述三种粘合剂混合使用时，其重量份数比为1-12∶0.1-3.5∶0.1-3.5。
将本发明的粘合剂与正极粉或负极粉及溶剂混合后涂布于箔形集电体上，或把粘合剂与正极粉或负极粉混合后干粉压合或辊压在箔形集电体上，从而制成正极片和负极片。粘合剂与正极粉或负极粉的重量份数一般取值为：粘合剂0.5份至13份，正极粉或负极粉87至99.5份，如果再增加粘合剂的份数，则将影响电池的性能。用本发明的粘合剂制成的正、负极片薄而柔软，具有优良的延展性。
上述改性聚丙烯酸酯是指：以丙烯酸、甲基丙烯酸、2-乙基己基丙烯酸酯、丙烯腈、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸羧乙(丙)酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸十二(十八)酯、依康酸等丙烯酸及丙烯酸酯类物质为主体，与重量比为0-49％的苯乙烯或丁二烯进行共聚后得到共聚物，并对其羧基进行部分或全部中和后得到的物质。上述改性聚乙烯是指：聚乙烯高分子链上的氢原子被羟基、酯基或卤素原子部分或全部取代后得到的物质。本发明中改性聚丙烯酸酯类和改性聚乙烯的优选聚合度为20至10万。
上述a粘合剂----聚偏氟乙烯单独使用时与箔形集电体有较好的粘合性，但是会受到电解液影响，使粘合性变差，从而影响电池的循环特性，另外，由于它的粘合性在高湿度环境下70％RH-99％RH会变差，集电体表面的微量湿气会影响其粘合性。
上述b粘合剂----改性聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯单独使用时对箔形集电体有较好的粘合性，但会吸收少量难以除去的水份，影响电池的循环特性和内阻。
上述c粘合剂----改性聚乙烯或聚二烯，单独使用对箔形集电体有较好的粘合性，但其成本过高，无法被市场接受。
a粘合剂与b粘合剂混合使用时，其重量份数为：1至6份a粘合剂，0.1至3.5份b粘合剂。b粘合剂与c粘合剂混合使用时，其重量份数为：0.1至3.5份b粘合剂，0.1至3.5份c粘合剂。a粘合剂与c粘合剂混合使用时，其重量份数为：1至6份a粘合剂，0.1至3.5份c粘合剂。
本发明将三种粘合剂混合使用，可克服上述不足，故本发明中正、负极活性材料层的粘合剂优选三种粘合剂按下列重量份数混合而成的混合物：1至6份a粘合剂，0.1至3.5份b粘合剂，0.1至3.5份c粘合剂。将三种粘合剂混合而成的粘合剂体系具有优良的高低温性能，其玻璃化温度Tg为-40℃至20℃，热降解温度为300℃，对铜箔、铝箔等箔形集电体有很强的粘接力，而且此粘合剂体系和正、负极片对湿气敏感性低，使得混料、涂料、叠片等主要工艺均可在普通环境而非低湿环境下完成，所制成的正、负极片由于粘合剂对箔形集电体的良好粘接，不会受到电解液影响而发生正负极活性物质从集电体上脱落的情况，另外该粘合剂体系会吸收一定电解液成为胶状而具有良好的锂离子导电性。
本发明的集电体优选铜箔或铝箔。
本发明中正极片、负极片与隔离膜的叠片结构优选为以正极片/隔离膜/负极片/隔离膜/正极片/隔离膜/负极片的重复交替形式直接叠片或直接叠片后再卷绕，无需热层压，隔离膜彼此之间不连续，或者所有的隔离膜为一个连续的整体以有效地防止正、负极片之间的短路。将正极片、负极片与隔离膜简单叠片后或卷绕后，再将所有正集电体或负集电体分别焊在一起，用铝塑膜进行封装同时注入电解液，即制成了本发明的锂聚合物电池。当然，正极片、负极片与隔离膜也可采用现有的技术直接热压合在一起，然后用铝塑膜进行封装同时注入电解液，而制成锂聚合物电池。
本发明的锂聚合物电池可采用无孔的聚合物锂离子导体薄膜或微孔聚合物薄膜，无孔的聚合物锂离子导体薄膜选用聚环氧烷类无孔薄膜、聚环氧烷类与聚偏氟乙烯共混物涂布而成的无孔薄膜、聚丙烯酸酯与聚偏氟乙烯共混物涂布而成的无孔薄膜，微孔聚合物薄膜选用聚丙烯微孔薄膜、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层复合型微孔薄膜。
本发明的锂聚合物电池所用的正极活性物为锂与过渡元素复合氧化物，如LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNixCo1-xO2(X＝0-1)等，所用的负极活性物为碳粉，如中间相碳微球(MCMB)、天然石墨及其改性物、石油焦碳及其改性物、以及硬碳类物质。
本发明的锂离子聚合物电池所用的电解质为：锂盐可选用LiPF6、LiASF6、LiCIO4、LiN(CF3SO2)2、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3，电解质溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、γ-丁内酯(GBL)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)、1，3-二氧戊环(DIOX)、碳酸甲乙酯(EMC)以及这些溶剂的混合物等。电解质的浓度为0.1至2M。
本发明的技术效果在于：1.本发明在生产中无需加入增塑剂和进行萃取，生产工艺简单，成本低；2.本发明采用箔形集电体，与采用网形集电体的电池相比，成本大大降低；3.本发明的锂离子聚合物电池具有容量密度高、循环寿命长、内阻小、使用温度范围宽广、优良的高倍率放电能力和低自放电性、不***不着火的高安全性等特性；4.由于电极具有优良的延展性，本发明的锂聚合物电池可以制成各种形状如三角体形、方形、圆柱形、圆锥形、棱柱形等，厚度可薄至0.1毫米，体积可很大或小。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例中正、负极片与隔离膜的叠片结构侧视图。
具体实施方式
实施例一至实施例十一为正极片或负极片的生产。
实施例一：
按重量份数计，取2份聚偏氟乙烯，2份改性聚二烯，96份碳粉，90份N-甲基吡咯烷酮在不锈钢罐内用高速搅拌机搅拌混合后成为均一的浆料，涂布在铜箔上，在烘箱中100℃至200℃下烘干，得到负极片，并裁切成要求的形状。
实施例二：
按重量份数计，取2份聚偏氟乙烯，1份聚丙烯酸酯，7份导电碳黑，90份钴酸锂，40份N-甲基吡咯烷酮在不锈钢桶内用高速搅拌机混合后得到均一的浆料，涂布在铝箔上，在烘箱中80℃至200℃下烘干，得到正极片，并裁切成要求的形状。
实施例三：
按重量份数计，取1份聚丙烯酸酯，1份改性聚乙烯，6份导电碳黑，92份钴酸锂，35份N-甲基吡咯烷酮在不锈钢桶内用高速搅拌机混合后，得到均一的浆料，涂布在铝箔上，在烘箱中100℃至210℃下烘干，得到正极片，再裁切成要求的尺寸。
实施例四：
按重量份数计，取2.3份聚偏氟乙烯，2份改性聚丙烯酸酯，2份改性聚乙烯，8.5份导电碳黑，85.2份钴酸锂，39份N-甲基吡咯烷酮在不锈钢桶内高速搅拌后成为均一的浆料，涂布在铝箔上，在烘箱中60℃至240℃下烘干，得到正极片，裁切成要求的形状。
实施例五：
按重量份数计，取12份聚偏氟乙烯，0.1份改性聚丙烯酸酯，0.1份改性聚乙烯，8.5份导电碳黑，79.3份钴酸锂，33份N-甲基吡咯烷酮在不锈钢桶内高速搅拌后成为均一的浆料，涂布在铝箔上，在烘箱中60℃至240℃下烘干，得到正极片，裁切成要求的形状。
实施例六：
按重量份数计，取1份聚偏氟乙烯，3.5份改性聚丙烯酸酯，3.5份改性聚乙烯，8.5份导电碳黑，83.5份钴酸锂，28份N-甲基吡咯烷酮在不锈钢桶内高速搅拌后成为均一的浆料，涂布在铝箔上，在烘箱中60℃至240℃下烘干，得到正极片，裁切成要求的形状。
实施例七：
按重量份数计，取6份聚偏氟乙烯，3.5份改性聚丙烯酸酯，3.5份改性聚乙烯，6.5份导电碳黑，80.5份钴酸锂，28份N-甲基吡咯烷酮在不锈钢桶内高速搅拌后成为均一的浆料，涂布在铝箔上，在烘箱中60℃至240℃下烘干，得到正极片，裁切成要求的形状。
实施例八：
按重量份数计，取3.5份改性聚二烯，96.5份碳粉，95份N-甲基吡咯烷酮在不锈钢桶内高速搅拌后成为均一浆料，涂布在铜箔上，在烘箱中60℃至220℃下烘干，得到负极片，并切成要求的形状。
实施例九：
按重量份数计，取4份聚偏氟乙烯，9份导电碳黑，87份钴酸锂，70份N-甲基吡咯烷酮在不锈钢桶内用高速搅拌机混合后得到均一的浆料，涂布在铝箔上，在烘箱中60℃至250℃下烘干，得到正极片，并裁切成要求的形状。
实施例十：
按重量份数计，取0.5份改性聚丙烯酸酯，9份导电碳黑，90.5份钴酸锂，33份N-甲基吡咯烷酮在不锈钢桶内用高速搅拌机混合后得到均一的浆料，涂布在铝箔上，在烘箱中60℃至220℃下烘干，得到正极片，并裁切成要求的形状。
实施例十一：
把实施例一至实施例九中的溶剂N-甲基吡咯烷酮去掉，将其余组分混合后，直接辊压或平压在铜箔或铝箔上，可得到相应的正极片和负极片。
实施例十二：
取上述实施例中的一种负极片，取上述实施例中的一种正极片，选用聚环氧乙烷与聚偏氟乙烯共混物制成的无孔薄膜作为隔离膜，以图1所示的正极片2/隔离膜1/负极片3/隔离膜1/正极片2/隔离膜1/负极片3的重复交替形式叠片后，再把所有正极片2引出的极耳焊在一起，所有负极片3的极耳焊在一起，再分别与正、负集流片焊接引出，由铝塑膜进行三边预封装后，注入电解液，再封装最后一边，进行化成、二次封装后成为本发明的锂离子聚合物电池。电解液采用如下体系：电解质采用LiPF6，其浓度为1M，溶剂采用碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯与碳酸二乙酯的混合物，它们的重量比为1∶1∶1。
实施例十三：
将聚甲基丙烯酸甲酯与聚偏氟乙烯共混物制成的无孔薄膜替代实施例十二中的隔离膜，制成锂离子聚合物电池。
实施例十四：
将含有微孔的聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层复合膜作为隔离膜替代实施例十二中的隔离膜，制成锂离子聚合物电池。
实施例十五：
将实施例十二中的正极片、负极片、隔离膜由叠片式改为先叠片再卷绕的形式制成圆柱体或其它任意形状，制成圆柱体或其它形状的锂离子聚合物电池。
Claims (9)
1.一种锂离子聚合物电池，包括正极片、负极片和隔离膜，正极片和负极片分别由正、负集电体和粘接在其上的正、负极活性材料层组成，其特征在于所述正极片和负极片采用箔形集电体，正、负极活性材料层中的粘合剂为下列三种粘合剂中的二种或三种按下述比例混合而成的混合物之一：(a)聚偏氟乙烯，(b)改性聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯，(c)改性聚乙烯或聚二烯，粘合剂聚偏氟乙烯与粘合剂改性聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯混合使用时，其重量份数比为1-6∶0.1-3.5，粘合剂改性聚丙烯酸酯或聚丙烯酸酯与粘合剂改性聚乙烯或聚二烯混合使用时，其重量份数比为0.1-3.5∶0.1-3.5，粘合剂聚偏氟乙烯与粘合剂改性聚乙烯或聚二烯混合使用时，其重量份数比为1-6∶0.1-3.5，上述三种粘合剂混合使用时，其重量份数比为1-12∶0.1-3.5∶0.1-3.5。
2.根据权利要求1所述的锂离子聚合物电池，其特征在于：所述正极片、负极片和隔离膜以正极片/隔离膜/负极片/隔离膜/正极片/隔离膜/负极片的重复交替形式直接叠片在一起，隔离膜彼此之间不连续或者所有的隔离膜为一个连续的整体。
3.根据权利要求1所述的锂离子聚合物电池，其特征在于：所述正极片、负极片和隔离膜以正极片/隔离膜/负极片/隔离膜/正极片/隔离膜/负极片的重复交替形式直接叠片后卷绕，隔离膜彼此之间不连续或者所有的隔离膜为一个连续的整体。
4.根据权利要求1或2或3所述的锂离子聚合物电池，其特征在于：所述箔形集电体为铜箔或铝箔。
5.根据权利要求1或2或3所述的锂离子聚合物电池，其特征在于所述隔离膜采用无孔的聚合物锂离子导体薄膜。
6.根据权利要求5所述的锂离子聚合物电池，其特征在于：所述无孔的聚合物锂离子导体薄膜选用聚环氧烷类无孔薄膜、聚环氧烷类与聚偏氟乙烯共混物涂布而成的无孔薄膜、聚丙烯酸酯类与聚偏氟乙烯共混物涂布而成的无孔薄膜。
7.根据权利要求1或2或3所述的锂离子聚合物电池，其特征在于：所述隔离膜采用微孔聚合物薄膜。
8.根据权利要求7所述的锂离子聚合物电池，其特征在于：所述微孔聚合物薄膜选用聚丙烯微孔薄膜、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层复合型微孔薄膜。
9.根据权利要求1或2或3所述的锂离子聚合物电池，其特征在于：其外形为方形、三角体形、圆柱形、圆锥形、棱柱形。
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