一種高能量密度鋰離子電池電芯及其制備方法技術

本發(fā)明專利技術公開了一種高能量密度鋰離子電池電芯及其制備方法。該電芯包括基體層、復合正極層、復合隔膜層、復合負極層，隔離層以及正/負極集電區(qū)；復合隔膜層中摻雜有鋰快離子導體，提高了電芯的離子電導率，同時又具有較好的熱穩(wěn)定性和抗刺穿強度，提高了電池的安全性；復合正/負極層采用正/負極活性層-導電層-正/負極活性層三層夾心結構，其中的導電層采用碳纖維、碳納米管等導電纖維交錯排列，既增強了涂層強度，防止涂層交界處斷裂，又增加了涂層的導電性。本發(fā)明專利技術同時使用了噴涂技術、新型集流技術以及鋰快離子導體材料，三者的有機結合能夠將電芯的能量密度、充放電倍率性大大改善以及降低制備成本，且工藝簡單，易于工業(yè)化生產。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于鋰離子電池
，特別涉及鋰離子電池電芯及其制備方法。
技術介紹
鋰離子電池是上世紀九十年代研制出并開始實現(xiàn)商品化的，它的出現(xiàn)稱得上是在二次電池歷史上的一次飛躍，在隨后的十幾年中，其商品化進程取得了突飛猛進的發(fā)展。鋰離子電池的應用范圍也因而不斷拓展，從信息產業(yè)到能源交通，從太空到水下，鋰離子電池進入了人類社會的各個領域。鋰離子二次電池具有比容量高、工作電壓高、工作溫度范圍寬、自放電率低、循環(huán)壽命長、無記憶效應、無污染、重量輕、安全性能好等優(yōu)點，因而廣泛應用于手機、數(shù)碼相機、筆記本電腦等移動設備。隨著科技的發(fā)展，各種采用鋰離子電池的數(shù)碼產品更新升級速度很快，產品大都趨于便攜化、經濟化，則高能量密度鋰離子電池成為鋰離子電池產業(yè)發(fā)展的一個很重要的方向。能量密度是指一定的空間或質量物質中儲存能量的大小。電池的能量密度是由電池的理論能量密度以及非活性材料所占的比重決定的，則減少非活性材料所占的比重不失為提高電池能量密度的一條有效途徑。對于多層復合的超薄鋰離子電池，超薄和較高的安全性是其隔膜制備過程中需要考慮的兩大問題，普通的刮涂或者流延方法已經不能滿足要求，而噴涂方式顯示出其特別的優(yōu)勢，噴涂制備多層復合結構的電池，各層之間具有良好的粘結性，且降低了界面電阻。根據鋰離子電池電解質材料的不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池和固態(tài)鋰離子電池。在液態(tài)鋰離子電池中，隔膜基本采用聚合物薄膜，如PE、PP、PP/PE/PP等，一般為幾到幾十個微米，很容易出現(xiàn)穿透、破裂、遇熱變形等問題，引起內部短路而導致電池的安全性問題。在聚合物中摻雜無機粉體制備無機/有機復合隔膜可以解決這一問題，但是無機粉體多為二氧化硅、氧化鎂、氧化鋁等，不具備離子電導性，影響了隔膜的鋰離子通過率。全固態(tài)鋰離子電池的隔膜采用固體狀態(tài)的電解質，具有較大的抗刺穿強度和較好的熱穩(wěn)定性，但是固體電解質的離子電導率較低，電池倍率性能較差，另外，電池生產成本也聞。此外，在現(xiàn)有
中，通常采用以導電材質制成的箔作為電極集流體以傳輸電流，然而，不論在疊片式電極組還是卷繞式電極組中，由于每層活性物都要施加于集流體表面，從而需要使用大量的導電箔，其面積對應于電池正、負極活性物質層的疊加。在此情況下，電池的體積、重量、能量密度均受到影響。
技術實現(xiàn)思路
針對上述問題，本專利技術的目的在于結合液態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池的優(yōu)勢，提供一種具有較好安全性的高能量密度鋰離子電池電芯，以及該鋰離子電池電芯的制備方法。本專利技術的一個目的在于提供一種高能量密度鋰離子電池的電芯，其技術方案如下:一種鋰離子電池電芯，包括基體層、復合正極層、復合負極層、復合隔膜層、正極集電區(qū)、負極集電區(qū)和隔離層；其中:所述基體層是電芯的最外層，包圍電芯主體；電芯主體按復合正極層、復合隔膜層、復合負極層和復合隔膜層的順序依次反復層疊粘接而成；在電芯主體的兩側分別分布有正極集電區(qū)和負極集電區(qū)；所述正極集電區(qū)與復合正極層連接，但與復合負極層通過隔離層隔開；所述負極集電區(qū)與復合負極層連接，但與復合正極層通過隔離層隔開；所述復合隔膜層由包含鋰快離子導體粉體的無機材料粉體和水性粘合劑組成；所述復合正極層和復合負極層均采用活性層-導電層-活性層的三層夾心結構，其中導電層中導電纖維交錯排列。在本專利技術的鋰離子電池電芯中，所述基體層是電芯的最外層，至少其內側表面是采用不導電的低密度薄膜材料制成的，且此薄膜材料耐電解液性能良好。基體層的厚度為30-100 μ mD在本專利技術的鋰離子電池電芯中，隔離層位于復合正極層與負極集電區(qū)之間，以及復合負極層與正極集電區(qū)之間。隔離層由包含鋰快離子導體粉體的無機材料粉體和水性粘結劑組成，無機粉體:水性粘合劑的質量比 為9-0.6，而無機材料粉體中鋰快離子導體粉體的質量百分比為25%-100%。其中，鋰快離子導體粉體可以是Li3.6Ge0.6V0.404、Li3.25GeQ.25PQ.75S4、LiTi2_xAx(P04)3 (其中 A 為 Ge、Al、S1、Ga 元素中的一種，O 彡 x 彡 0.8)、Lia34Laa51TiOi91中的一種或多種；其他的無機材料粉體可以是二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂中的一種或多種。隔離層中無機材料粉體顆粒的平均粒徑小于I微米。在本專利技術的鋰離子電池電芯中，所述復合正極層是由正極活性層-導電層-正極活性層粘接構成的夾芯結構，厚度為50-200 μ m。其中，正極活性層的厚度為20-100 μ m，是由正極活性材料、導電粉體和水性粘合劑組成，三者的質量比為正極活性材料:導電粉體:水性粘合劑=80-94: 2-10: 4-10。所述正極活性材料可以選擇鋰鎳錳鈷氧化物、磷酸鐵鋰、磷酸錳鋰、硅酸鋰、硅酸鐵鋰、硫酸鹽化合物、鈦硫化合物、鑰硫化合物、鐵硫化合物、摻雜鋰錳氧化物、鋰鈷氧化物、鋰鈦氧化物、鋰釩氧化物、鋰鎳錳氧化物、鋰鎳鈷氧化物以及其它可脫嵌鋰化合物中的一種或多種；所述導電粉體為炭黑。所述復合隔膜層位于復合正極層與復合負極層之間，厚度為5-30 μ m，由包含鋰快離子導體粉體的無機材料粉體和水性粘合劑組成，其中，無機材料粉體:水性粘合劑的質量比為9-0.6，而無機材料粉體中鋰快離子導體粉體的質量百分比為25%-100%。其中，鋰快離子導體粉體可以是 Li3.6Ge(l.6Va404、Li3.25Gea25Pa75S4、LiTi2_xAx(PO4)3 (其中 A 為 Ge、Al、S1、Ga元素中的一種，O彡X彡0.8),Li0.S4La0.SiTiO2.91中的一種或多種；其他的無機材料粉體可以是二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂中的一種或多種。復合隔膜層中無機材料粉體顆粒的平均粒徑小于I微米。所述復合負極層是由負極活性層-導電層-負極活性層粘接構成的夾芯結構，厚度為50-200μπι。其中，負極活性層的厚度為20-100μπι，是由負極活性材料、導電粉體和水性粘合劑組成，三者的質量比為負極活性材料:導電粉體:水性粘合劑=85-95: 1-3: 4-10。所述負極活性材料可以選擇能夠可逆嵌鋰的鋁基合金、硅基合金、錫基合金、鋰鈦氧化物(Li4Ti5O12)和石墨中的一種或多種。所述導電粉體為炭黑。所述正/負極集電區(qū)是由炭黑、水性粘合劑和正/負極導電絲組成，厚度為60-250 μ m。導電絲是采用導電性能良好的極細金屬絲，正極導電絲為鋁絲，負極導電絲為鎳絲或銅絲，導電絲的截面直徑為20-100 μ m。在復合正極層和復合負極層中，所述導電層是由導電材料與水性粘合劑組成，厚度為5-30 μ m，導電材料采用碳纖維、碳納米管等導電纖維構成的網格結構基材，導電層既增加了復合正/負極層的導電性，又增強涂層強度，防止其斷裂。本專利技術所用的水性粘合劑要求耐電解液性能良好，例如可選擇LA132水性粘結齊U、LA135水性粘結劑、羥甲基纖維素鈉、丁苯橡膠粘合劑中的一種或多種。本專利技術的另一目的在于提供上述高能量密度鋰離子電池電芯的制備方法。一種高能量密度鋰離子電池電芯的制備方法，包括以下步驟:I)將一基體薄膜清潔后，在其不導電面噴涂制備復合正極層；2)在復合正極層的一側制備隔離層，使隔離層的上表面與復合正極層的上表面平齊，隔離層完全覆蓋復合正極層的該側端面；3)在復合正極層上噴涂制備復本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋰離子電池電芯，包括基體層（2）、復合正極層（3）、復合負極層（4）、復合隔膜層（5）、正極集電區(qū)（6）、負極集電區(qū)（8）和隔離層（10）；其中：所述基體層（2）是電芯的最外層，包圍電芯主體；電芯主體按復合正極層（3）、復合隔膜層（5）、復合負極層（4）和復合隔膜層（5）的順序依次反復層疊粘接而成；在電芯主體的兩側分別分布有正極集電區(qū)（6）和負極集電區(qū)（8）；所述正極集電區(qū)（6）與復合正極層（3）連接，但與復合負極層（4）通過隔離層（10）隔開；所述負極集電區(qū)（8）與復合負極層（4）連接，但與復合正極層（3）通過隔離層（10）隔開；所述復合隔膜層（5）由包含鋰快離子導體粉體的無機材料粉體和水性粘合劑組成；所述復合正極層（3）和復合負極層（4）均采用活性層?導電層?活性層的三層夾心結構，其中導電層中導電纖維交錯排列。

【技術特征摘要】
1.一種鋰離子電池電芯，包括基體層(2)、復合正極層(3)、復合負極層(4)、復合隔膜層(5)、正極集電區(qū)(6)、負極集電區(qū)(8)和隔離層(10);其中:所述基體層(2)是電芯的最外層，包圍電芯主體；電芯主體按復合正極層(3)、復合隔膜層(5)、復合負極層(4)和復合隔膜層(5)的順序依次反復層疊粘接而成；在電芯主體的兩側分別分布有正極集電區(qū)(6)和負極集電區(qū)(8);所述正極集電區(qū)(6)與復合正極層(3)連接，但與復合負極層(4)通過隔離層(10)隔開；所述負極集電區(qū)(8)與復合負極層(4)連接，但與復合正極層(3)通過隔離層(10)隔開；所述復合隔膜層(5)由包含鋰快離子導體粉體的無機材料粉體和水性粘合劑組成；所述復合正極層(3)和復合負極層(4)均采用活性層-導電層-活性層的三層夾心結構，其中導電層中導電纖維交錯排列。2.按權利要求1所述的鋰離子電池電芯，其特征在于，所述復合正極層(3)是由正極活性層-導電層-正極活性層粘接構成的夾芯結構，厚度為50-200 μ m ;其中，正極活性層由正極活性材料、導電粉體和水性粘合劑組成，三者的質量比為正極活性材料:導電粉體:水性粘合劑=80-94: 2-10: 4-10。3.按權利要求1所述的鋰離子電池電芯，其特征在于，所述復合隔膜層(5)厚度為5-30 μ m,由包含鋰快離子導體粉體的無機材料粉體和水性粘合劑組成，其中，無機材料粉體:水性粘合劑的質量比為9-0.6，而無機材料粉體中鋰快離子導體粉體的質量百分比為25%-100%。4.按權利要求1所述的鋰離子電池電芯，其特征在于，所述隔離層(10)由包含鋰快離子導體粉體的無機材料粉體和水性粘合劑組成，其中，無機材料粉體:水性粘合劑的質量比為9-0.6，而無機材料粉體中鋰快離子導體粉體的質量百分比為25%-100%。5.按權利要求1所述的鋰離子電池電芯，其特征在于，所述復合負極層(4)是由負極活性層-導電層-負極活性層粘接構成的夾芯結構，厚度為50-200 μ m ;其中，負極活性層由負極活性材料、導電粉體和水性粘合劑組成，三者的質量比為負極活性材料:導電粉體:水性粘合劑=85-95: 1-3: 4-10。6.權利要求1 5任一所述的鋰離子電池電芯的制備方法，包括以下步驟: 1)將一基體薄膜清潔后，在其不導電面噴涂制備復合正極層； 2)在復合正極層的一側制備隔離層，使隔離層的上表面與復合正極層的上表面平齊，隔離層完全覆蓋復合正極層的該側端面； 3)在復合正極層上噴涂制備復合隔膜層，復合隔膜層的一側與步驟2)制備的隔離層的外端面對齊，另一側則在復合正極層上留出正極集電區(qū)的制備空間； 4)在復合隔膜層上噴涂制備復合負極層，在靠近正極集電區(qū)側的復合隔膜層上留出復合負極層與正極集電區(qū)之間的隔離層的制備空間； 5)在復合負極層上噴涂制備復合隔膜層，該復合隔膜層靠近正極集電區(qū)一側與復合負極層的端面對齊，另一側則在復合負極層上留出負極集電區(qū)的制備空間； 6)在步驟4)制備復合負極層時留出的隔離層制備空間內制備隔離層，該隔離層的上表面與步驟5)制備的復合隔膜層的上表面平齊，隔離層的一側與步驟4)制備的復合負極層緊密連接，另一側與步驟3)制備的復合隔膜層的端面對齊； 7)在復合正極層上留出的正極集電區(qū)制備空間內制備正極集電區(qū)，該正極集電區(qū)與步驟6)制備的隔離層緊密連接，其上表面與步驟5)制備的復合隔膜層的上表面平齊，正極集電區(qū)內布有...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：陳永翀，李琪，張萍，韓立，王秋平，
申請(專利權)人：北京好風光儲能技術有限公司，中國科學院電工研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：