專利名稱：一種高電壓鋰離子電池、復(fù)合電極對(duì)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電動(dòng)車用的高電壓鋰離子電池、 復(fù)合電極對(duì)及其制備方法。
背景技術(shù)：
作為未來(lái)新能源發(fā)展的一個(gè)重要方面，電動(dòng)汽車的大規(guī)模發(fā)展是必然趨勢(shì)。鋰離子電池作為電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池備受關(guān)注，因?yàn)殇囯x子電池具有高比能量、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電低、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，目前電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的安全性和一致性問(wèn)題已經(jīng)成為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展的技術(shù)瓶頸。內(nèi)部疊加串聯(lián)電極制備高電壓鋰離子電池是上述問(wèn)題的一個(gè)較好的解決思路。但是，現(xiàn)有的鋰離子電池制作過(guò)程中，電極活性物質(zhì)涂覆在集流體上，然后進(jìn)行干燥壓片，壓片壓力一般在6 20MPa。內(nèi)部串聯(lián)高電壓鋰離子電池的集流體一般采用的是銅鋁復(fù)合箔膜，箔膜厚度小于100微米，若采用傳統(tǒng)的電極涂布和壓片方式很難避免將復(fù)合集流體壓破，而復(fù)合集流體一旦被壓破出現(xiàn)裂紋，高電壓鋰離子電池內(nèi)部的相鄰電池單元之間就會(huì)發(fā)生短路。因此有必要尋找一種新的高電壓鋰離子電池結(jié)構(gòu)以及新的可避免對(duì)復(fù)合集流體進(jìn)行直接壓片的制作方式。

發(fā)明內(nèi)容
為解決高電壓鋰離子電池存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種將電極活性材料直接涂布在多孔隔膜制備成復(fù)合電極對(duì)的技術(shù)，并應(yīng)用于新型高電壓鋰離子電池的制作。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明高電壓鋰離子電池由復(fù)合電極對(duì)4、電子導(dǎo)電膠粘層6、復(fù)合集流體5、極耳、電解液、外殼構(gòu)成。所述的復(fù)合電極對(duì)4包括多孔隔膜1、正極混合物2和負(fù)極混合物 3，該多孔隔膜1的一面涂布有包括正極活性材料、導(dǎo)電劑和膠粘劑的正極混合物2，另一面涂布有包括負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和膠粘劑的負(fù)極混合物3，一起構(gòu)成了所述的復(fù)合電極對(duì) 4。所述復(fù)合電極對(duì)4四周邊緣都有一個(gè)寬度大于5mm的未涂布活性物質(zhì)的空白區(qū)域。所述復(fù)合電極對(duì)4與復(fù)合集流體5之間有一個(gè)電子導(dǎo)電膠粘層6，使得多個(gè)復(fù)合電極對(duì)4和復(fù)合集流體5交替粘接成為一個(gè)塊體。復(fù)合集流體5為一片復(fù)合金屬箔膜，復(fù)合金屬箔膜由厚度小于50微米的鋁箔與厚度小于50微米的銅箔復(fù)合構(gòu)成，復(fù)合的方式包括但不限于電鍍、電化學(xué)鍍、蒸鍍、膠粘和加壓軋制。所述多孔隔膜1材料為聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或其它電子不導(dǎo)電的多孔聚合物材料，或者，所述的多孔隔膜1材料為玻璃纖維無(wú)紡布、合成纖維無(wú)紡布、陶瓷纖維紙或其它電子不導(dǎo)電的無(wú)機(jī)非金屬材料與有機(jī)聚合物的復(fù)合多孔材料。所述的正極活性材料為含鋰的磷酸亞鐵鋰(LiFePO4)、摻雜鋰錳氧化物(LiQ.9 L2Mc^a2Mn2O4, M是Na、Mg、Ca、Ni、Co中的一種或幾種元素)、鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳鈷氧化物(LiNia8Coa2O2)、鋰鎳錳鈷氧化物(LiNi1/3Mni/3COl/302 或 LiNi2/5Mn2/5COl/502)以及其它含鋰金屬氧化物的一種或幾種混合物；所述的負(fù)極活性材料為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)、碳材料的一種或幾種混合物；所述的導(dǎo)電劑為炭黑、碳纖維、金屬顆粒中的一種或幾種混合物。所述的膠粘劑為聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、 羧甲基纖維素鈉、淀粉、羥甲基纖維素、再生纖維素、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯三元乙丙橡膠、丁苯橡膠、氟橡膠、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各類合成膠粘劑材料的一種或幾種混合物。所述復(fù)合電極對(duì)4的制備方法，其特征在于先將正極活性材料、導(dǎo)電劑、膠粘劑混合于溶劑中得到正極漿料，涂布于所述多孔隔膜1的一面，在溫度為60 110°C范圍內(nèi)干燥；再將負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑、膠粘劑混合于溶劑中得到負(fù)極漿料，涂布于多孔隔膜1 的另一面，在溫度為60 110°C范圍內(nèi)干燥，然后在壓力為6 20MPa范圍內(nèi)壓片，裁剪后制得復(fù)合電極對(duì)4 ；或者，先將負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑、膠粘劑混合于溶劑中得到負(fù)極漿料， 涂布于所述多孔隔膜1的一面，在溫度為60 110°C范圍內(nèi)干燥；再將正極活性材料、導(dǎo)電劑、膠粘劑混合于溶劑中得到正極漿料，涂布于多孔隔膜1的另一面，在溫度為60 110°C 范圍內(nèi)干燥，然后在壓力為6 20MPa范圍內(nèi)壓片，裁剪后制得復(fù)合電極對(duì)4。所述高電壓鋰離子電池的制備方法包含以下步驟a、制備復(fù)合電極對(duì)4 ;b、將導(dǎo)電劑和膠粘劑混合于溶劑中，制成漿料，涂覆在復(fù)合電極對(duì)4的兩面形成厚度小于10微米的電子導(dǎo)電膠粘層6 ;c、將多個(gè)兩面涂布有電子導(dǎo)電膠粘層6的復(fù)合電極對(duì)4和復(fù)合集流體5交替疊加，并分別將復(fù)合電極對(duì)4涂布有正極活性材料2的表面與復(fù)合集流體5的鋁箔粘接，復(fù)合電極對(duì)4涂布有負(fù)極活性材料3的表面與復(fù)合集流體5的銅箔粘接，制成一個(gè)塊體，塊體的上下表面為復(fù)合集流體5 ；d、上述塊體抽真空干燥后，在塊體的上下表面施加壓力小于6MPa的壓力并注入電解液，然后采用絕緣膠粘劑7將復(fù)合集流體5的邊緣部位粘接封閉且相互絕緣，并將塊體的表面正極8 (表面復(fù)合集流體的鋁箔一面)與正極極耳9連接，塊體的表面負(fù)極10 (表面復(fù)合集流體的銅箔一面)與負(fù)極極耳11連接，清洗封裝后包裹外殼形成高電壓鋰離子電池。所述步驟d中的絕緣膠粘劑為環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸樹脂、聚酯丙烯酸樹脂、氨基丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、呋喃樹脂、聚丁二烯樹脂、有機(jī)硅樹脂或橡膠基樹脂中的一種或多種。所述的溶劑為去離子水、異丙醇、N-甲基吡咯烷酮、二甲基酰胺和二甲基乙酰胺或者上述材料的衍生物中的一種或多種。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在1、將電極活性材料直接涂布在多孔隔膜后經(jīng)干燥、壓片直接制備成復(fù)合電極對(duì)， 可以避免將電極活性材料涂布在復(fù)合集流體后壓片造成集流體的局部破損和不對(duì)稱彎曲的問(wèn)題，從而避免了因集流體破損造成高電壓鋰離子電池內(nèi)部短路的安全隱患；2、采用電子導(dǎo)電膠粘層將復(fù)合電極對(duì)與復(fù)合集流體粘接為一體，提高了動(dòng)力電池使用過(guò)程的動(dòng)態(tài)一致性和安全性。


圖1為復(fù)合電極對(duì)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1一多孔隔膜；2—正極混合物；3—負(fù)極混合物。圖2為高電壓鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖加為內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖2b為外部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，圖中4一復(fù)合電極對(duì)，5—復(fù)合集流體，6—電子導(dǎo)電膠粘層，7—絕緣膠粘劑， 8-表面正極，9-正極極耳，10-表面負(fù)極，11-負(fù)極極耳。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一復(fù)合電極對(duì)的制備將聚氧化乙烯、LiFeP04/C和炭黑按重量百分比組成為膠粘劑炭黑LiFeP04/C = 8 7 85混合于去離子水中得到正極漿料，將該漿料均勻涂布于表面涂覆有一層無(wú)機(jī)納米粒子(厚度小于5微米，無(wú)機(jī)納米粒子為Si02、A1203、TiO2等) 的無(wú)紡布多孔隔膜的一面，在80°C下烘干；再將羧甲基纖維素鈉、炭黑、Li4Ti5O12(鈦酸鋰) 按重量百分比組成為L(zhǎng)i4Ti5O12 炭黑膠粘劑=90 3 7混合于去離子水中得到負(fù)極漿料，將該漿料均勻涂布于表面涂覆有一層無(wú)機(jī)納米粒子(厚度小于5微米，無(wú)機(jī)納米粒子為Si02、A1203、TiO2等)的無(wú)紡布多孔隔膜的另一面，在80°C下烘干，然后在壓力為6 20MPa范圍內(nèi)壓片，裁剪后制得復(fù)合電極對(duì)。電子導(dǎo)電膠粘層的制備將炭黑和聚氧化乙烯按重量百分比為炭黑聚氧化乙烯 =7 3混合于去離子水中，制成漿料，涂覆在復(fù)合電極對(duì)的兩面形成厚度小于10微米的電子導(dǎo)電膠粘層。將10個(gè)兩面涂布有電子導(dǎo)電膠粘層的復(fù)合電極對(duì)和11個(gè)復(fù)合集流體交替疊加， 并分別將復(fù)合電極對(duì)涂布有正極活性材料的表面與復(fù)合集流體的鋁箔粘接，復(fù)合電極對(duì)涂布有負(fù)極活性材料的表面與復(fù)合集流體的銅箔粘接，制成一個(gè)塊體，塊體的上下表面為復(fù)合集流體，抽真空干燥后，在塊體的上下表面施加壓力小于6MPa的壓力并注入電解液，然后采用絕緣膠粘劑將復(fù)合集流體的邊緣部位粘接封閉且相互絕緣，并將塊體的表面正極 (復(fù)合集流體的鋁箔一面)與正極極耳連接，塊體的表面負(fù)極(復(fù)合集流體的銅箔一面)與負(fù)極極耳連接，清洗封裝后包裹外殼，得到工作電壓約為20V的高電壓鋰離子電池。實(shí)施例二復(fù)合電極對(duì)的制備將PVDF(聚偏氟乙烯)、改性錳酸鋰和炭黑按重量百分比組成為膠粘劑炭黑錳酸鋰=8 7 85混合于NMP (N-甲基吡咯烷酮)中，充分混合制成正極漿料。將該漿料均勻涂布于聚烯烴多孔隔膜的一面，-在60 110°C烘干；將PVDFJi 酸鋰和炭黑按重量百分比組成為鈦酸鋰炭黑膠粘劑=90 3 7混合于NMP中，充分混合制成負(fù)極漿料，再將該漿料均勻涂布在聚烯烴多孔隔膜的另一面，在60 110°C烘干， 然后在壓力為6 20MPa范圍內(nèi)壓片，裁剪后制得復(fù)合電極對(duì)。電子導(dǎo)電膠粘層的制備將PVDF和炭黑重量百分比組成為炭黑PVDF = 7 3 溶于NMP中，制成漿料，涂覆在復(fù)合電極對(duì)的兩面形成厚度小于10微米的電子導(dǎo)電膠粘層。將50個(gè)兩面涂布有電子導(dǎo)電膠粘層的復(fù)合電極對(duì)和51個(gè)復(fù)合集流體交替疊加， 并分別將復(fù)合電極對(duì)涂布有正極活性材料的表面與復(fù)合集流體的鋁箔粘接，復(fù)合電極對(duì)涂布有負(fù)極活性材料的表面與復(fù)合集流體的銅箔粘接，制成一個(gè)塊體，塊體的上下表面為復(fù)合集流體，抽真空干燥后，在塊體的上下表面施加壓力小于6MPa的壓力并注入電解液，然后采用絕緣膠粘劑將復(fù)合集流體的邊緣部位粘接封閉且相互絕緣，并將塊體的表面正極 (復(fù)合集流體的鋁箔一面)與正極極耳連接，塊體的表面負(fù)極(復(fù)合集流體的銅箔一面) 與負(fù)極極耳連接，清洗封裝后包裹外殼，得到工作電壓平臺(tái)大約為125V的高電壓鋰離子電池。 本發(fā)明具體實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高電壓鋰離子電池的復(fù)合電極對(duì)，其特征在于包括多孔隔膜、正極混合物和負(fù)極混合物，所述多孔隔膜的一面涂布有包括正極活性材料、導(dǎo)電劑和膠粘劑的正極混合物，另一面涂布有包括負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和膠粘劑的負(fù)極混合物，所述多孔隔膜的四周邊緣留有寬度大于5mm的未涂布空白區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合電極對(duì)，其特征在于所述多孔隔膜材料為聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或其它電子不導(dǎo)電的多孔聚合物材料，或者，所述多孔隔膜材料為玻璃纖維無(wú)紡布、合成纖維無(wú)紡布、陶瓷纖維紙或其它電子不導(dǎo)電的無(wú)機(jī)非金屬材料與有機(jī)聚合物的復(fù)合多孔材料。
3.如權(quán)利要求1所述的的復(fù)合電極對(duì)，其特征在于所述正極活性材料為含鋰的磷酸亞鐵鋰、摻雜鋰錳氧化物、鋰鈷氧化物、鋰鎳鈷氧化物、鋰鎳錳鈷氧化物以及其它含鋰金屬氧化物的一種或幾種混合物；所述負(fù)極活性材料為能夠可逆嵌鋰的鋁基合金、硅基合金、錫基合金、鋰鈦氧化物、碳材料的一種或幾種混合物；所述導(dǎo)電劑為炭黑、碳纖維、金屬顆粒中的一種或幾種混合物。
4.一種高電壓鋰離子電池，其特征在于，包括如權(quán)利要求1所述的復(fù)合電極對(duì)、復(fù)合集流體和電解液，所述復(fù)合集流體為一片由厚度小于50微米的鋁箔與厚度小于50微米的銅箔復(fù)合構(gòu)成的復(fù)合金屬箔膜，多個(gè)復(fù)合電極對(duì)和復(fù)合集流體交替疊加構(gòu)成一塊體，所述復(fù)合電極對(duì)與復(fù)合集流體之間有一層厚度小于10微米的電子導(dǎo)電膠粘層，上述塊體的上、下表面為復(fù)合集流體，且該塊體內(nèi)部的復(fù)合電極對(duì)浸泡在電解液中。
5.如權(quán)利要求4所述的高電壓鋰離子電池，其特征在于所述電子導(dǎo)電膠粘層為膠粘劑與金屬或碳材料導(dǎo)電劑的混合物，所述導(dǎo)電劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)大于60%，所述電子導(dǎo)電膠粘層厚度小于10微米。
6.如權(quán)利要求4所述高電壓鋰離子電池，其特征在于所述膠粘劑為聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉、淀粉、羥甲基纖維素、再生纖維素、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯三元乙丙橡膠、丁苯橡膠、氟橡膠、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及各類合成絕緣膠粘劑材料的一種或幾種混合物。
7.一種復(fù)合電極對(duì)的制備方法，其特征在于a、將正極活性材料、導(dǎo)電劑、膠粘劑混合于溶劑中得到正極漿料，涂布于所述多孔隔膜的一面，在溫度為60 110°C范圍內(nèi)干燥；同時(shí)，將負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑、膠粘劑混合于溶劑中得到負(fù)極漿料，涂布于多孔隔膜的另一面，在溫度為60 110°C范圍內(nèi)干燥；b、在壓力為6 20MPa范圍內(nèi)壓片，裁剪后制得復(fù)合電極對(duì)。
8.一種高電壓鋰離子電池的制備方法，其特征在于該方法包含以下步驟a、如權(quán)利要求7中所述方法制備復(fù)合電極對(duì)；b、將導(dǎo)電劑和膠粘劑混合于溶劑中，制成漿料，涂覆在復(fù)合電極對(duì)的兩面形成厚度小于10微米的電子導(dǎo)電膠粘層；C、將多個(gè)兩面涂布有電子導(dǎo)電膠粘層的復(fù)合電極對(duì)和多個(gè)復(fù)合集流體交替疊加，并分別將復(fù)合電極對(duì)涂布有正極活性材料的表面與復(fù)合集流體的鋁箔粘接，復(fù)合電極對(duì)涂布有負(fù)極活性材料的表面與復(fù)合集流體的銅箔粘接，制成一個(gè)塊體，塊體的上下表面為復(fù)合集流體；d、上述塊體抽真空干燥后，在塊體的上下表面施加小于6MPa的壓力并注入電解液，然后采用絕緣膠粘劑將復(fù)合集流體的邊緣部位粘接封閉且相互絕緣，并將塊體表面正極與正極極耳連接，塊體表面負(fù)極與負(fù)極極耳連接，清洗封裝后包裹外殼形成高電壓鋰離子電池。
9.如權(quán)利要求8中所述的制備方法，其特征在于所述步驟d中的絕緣膠粘劑為環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸樹脂、聚酯丙烯酸樹脂、氨基丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、呋喃樹脂、聚丁二烯樹脂、有機(jī)硅樹脂或橡膠基樹脂中的一種或多種。
10.如權(quán)利要求7和權(quán)利要求8中所述的制備方法，其特征在于所述的溶劑為去離子水、異丙醇、N-甲基吡咯烷酮、二甲基酰胺和二甲基乙酰胺或者上述材料的衍生物中的一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高電壓鋰離子電池、復(fù)合電極對(duì)及制備方法，屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明復(fù)合電極對(duì)包括多孔隔膜、正極混合物和負(fù)極混合物，該多孔隔膜的一面涂布有包括正極活性材料、導(dǎo)電劑和膠粘劑的正極混合物，另一面涂布有包括負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和膠粘劑的負(fù)極混合物。本發(fā)明高電壓鋰離子電池包括復(fù)合電極對(duì)、復(fù)合集流體和電解液，其中，由多個(gè)復(fù)合電極對(duì)和復(fù)合集流體交替疊加構(gòu)成一塊體，塊體中的復(fù)合電極對(duì)浸泡在電解液中，復(fù)合電極對(duì)與復(fù)合集流體之間有一層厚度小于10微米的電子導(dǎo)電膠粘層，塊體的上、下表面為復(fù)合集流體。本發(fā)明高電壓鋰離子電池具有電壓高、安全性好、一致性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M4/13GK102420312SQ201110344610
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者張萍, 李彥菊, 王秋平, 陳永翀, 韓立 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所, 北京好風(fēng)光儲(chǔ)能技術(shù)有限公司