专利名称：锂离子电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池。
背景技术：
传统的锂离子电池，其包括至少一组正极层和负极层，所述正极层和负极层之间通过隔膜连接。其中的正、负极层的电极复合材料的制作工艺是通过粘合剂将电极材料涂覆在金属箔片上并成形获得。该工艺的缺点是(1)由于在涂覆工艺中使用较多的粘合剂，造成部分电极材料不能充分利用，无法获得高面密度的电极复合材料；(2)电极活性材料和集流体之间的结合力相对较差，容易产生电极剥落现象，致使其机械可靠性降低，同时使电极复合材料的弯曲率受到限制。相应的体现在电池产品的性能上，会造成电池产品的电容量降低、内阻增大、使用寿命变短、加工工艺复杂及成本增加，限制了锂电池的广泛应用。
通常，正/负电极活性物质由金属箔如不锈钢、铝、铜等作为集流体，在循环过程中，电极材料随着锂离子的嵌入及脱嵌，存在体积的膨胀与收缩，如SiO2的体积变化高达400%，由此产生的机械应力使电极材料在循环过程中逐渐变化，引起电极与集流体的开裂与剥落，活性物质之间电接触丧失，内阻增大，表现出较差的充放电循环性能。而为了避免这个技术问题，传统的电极复合材料需要制作的相对较薄，使电极材料的面密度较小。然而，后续的电池组装加工中为了得到相应的容量及能量密度，则需要采用较厚的涂层及大量的多片层叠形式，当涂层厚度较大时，电极的加工性能变差，这种多层的累积在性能上相应的也会造成电池内阻增大和循环稳定性能下降。传统技术不同阶段工艺要求的相互制约，造成了传统技术中的电池的内阻、寿命以及能量密度和容量等参数无法得到实质的改善。另外，传统技术直接涂覆于集流体箔片上的复合电极材料的机械性能也受到了限制。由于较厚涂层的存在使电极活性材料出现折断现象，致使其与集流体相互分离。即使采用传统技术中较薄的电极复合材料，在实际的加工和制造工序中也无法实现较小的曲率变化。因此电池产品的结构和外形也受到了限制，特别是对于卷曲型电池。
发明内容
基于此，有必要提供一种电极材料利用率较高，并获得较高的电极面密度及相应的高能量密度及低成本的锂离子电池。一种锂离子电池，其包括正极层、负极层和连接所述正极层及负极层的隔膜，其中所述正极层包括正极集流体和正极电极材料，所述负极层包括负极集流体和负极电极材料；其中，所述隔膜包括无纺布及涂覆在无纺布表面的纳米陶瓷材料；其中，所述正极集流体和负极集流体为具有多渗孔的可电传导的立体网状结构，所述正极电极材料和负极电极材料分别填充在正极集流体和负极集流体的多渗孔内。在其中一个实施例中，所述正极集流体和负极集流体为多渗孔的孔隙率为209^95%的多渗孔金属泡沫。在其中一个实施例中，所述多渗孔金属泡沫的材质为铝、铜、镍、银、金或者不锈钢。在其中一个实施例中，所述正极电极材料为LiFePO4，所述负极电极材料为碳或Li4Ti5O120在其中一个实施例中，所述正极层上包覆有多孔性离子导电聚合物胶。在其中一个实施例中，所述负极层上也包覆有多孔性离子导电聚合物胶。在其中一个实施例中，所述正极层、隔膜及负极层组成的整体上也包覆有多孔性离子导电聚合物胶。在其中一个实施例中，所述多孔性离子导电聚合物胶为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯，聚氧乙烯、聚丙烯酸甲酯或以丙烯酸酯为基础的胶状聚合物。在其中一个实施例中，所述多孔性聚合物胶的粘度为0. IPa SlOPa S。在其中一个实施例中，所述正极层和负极层均为厚度一致的片状结构。上述锂离子电池中，正极层和负极层系通过各自集流体的多渗孔骨架与电极材料实现立体网状结合，故能提高电极材料的利用率，并获得较高的电极面密度及相应的高能量密度及低成本的电池；另外，隔膜采用无纺布涂覆纳米陶瓷材料，原材料成本低，且具备良好热稳定性和机械性的特点，提高了锂离子电池的安全性能。
图I为本实施方式的锂离子电池的结构示意图。
具体实施例方式请参考附图1，本实施方式的锂离子电池100包括正极层110、负极层120，所述正极层110和负极层120之间通过隔膜130连接，其中正极层110包括正极集流体和正极电极材料，所述负极层包括负极集流体和负极电极材料。正极集流体和负极集流体均为具有多渗孔的可电传导的立体网状结构，正极电极材料和负极电极材料分别填充在正极集流体和负极集流体的多渗孔内。具有多渗孔的可电传导的立体网状结构一般为多渗孔的孔隙率为209^95%的多渗孔金属泡沫，如铝、铜、镍、银、金或者它们的合金，或者不锈钢等材料。正极和负极集流体系通过其多渗孔骨架与正极和负极电极材料实现立体网状结合，故能提高电极材料的利用率，并获得较高的比能量密度和容量的锂离子电池。正极电极材料为LiFePO4,负极电极材料为碳或Li4Ti5O1215隔膜130包括无纺布及涂覆在无纺布表面的纳米陶瓷材料。利用纳米陶瓷材料良好热稳定性和机械性的特点，提高了锂离子电池的安全性能，同时纳米陶瓷材料的纳米级已经市场化，成本也低。本实施方式的锂离子电池的电极复合材料通常制成厚度均匀的片状，其厚度为100微米 100厘米，以方便后续的计量、安装以及对不同类型电池的进一步制造。正极层110和负极层120的表面上均包覆有多孔性离子导电聚合物胶140，使得电 极在用于制造电池时，不但能够与其他电极之间形成无介面接触，以降低电池阻抗；同时多孔性离子导电聚合物胶层又能防止集流体中的电极材料中的游离介质逸出集流体。另外，正极层110、隔膜130和负极层120组合在一起后的整体上也包覆有多孔性离子导电聚合物胶，防止电极材料中的游离介质逸出。
多孔性离子导电聚合物胶选自聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯，聚氧乙烯、聚丙烯酸甲酯或以丙烯酸酯为基础的胶状聚合物并混有锂盐如LiPF6，少量增塑剂如PC，EC等的多孔性离子导电聚合物胶，粘度一般为0. IPa SlOPa S，厚度为0. I微米 10微米。本实施方式还提供了一种上述锂离子电池100的加工工艺，其步骤如下步骤I :提供多孔性离子导电聚合物胶140的制作方法将聚合物溶解在相对应的溶剂内形成具有一定粘度的浆料。步骤2 :提供正极层的制作方法使用粘合剂将混合有导电剂的锂离子电池的正极电极材料制作成电极浆料。采用刮浆法，将上述电极浆料填充入相对应作集流体的多渗孔泡沫金属之内。干燥上述含电极浆料的正极集流体，在烘箱中去除其溶剂。采用压延设备压制上述材料至一定厚度。然后在其上采用浸涂法浸涂一层上述多孔性离子导电聚合物胶。将其在烘箱中去除其溶剂，使含电极材料的集流体上包覆有一层多孔性离子导电聚合物胶，得到正极层。 步骤3 :提供负极层的制作方法具体实施工艺同步骤2。步骤4 :提供隔膜的制作方法采用电喷涂法将纳米陶瓷材料浆料涂在无纺布上，然后烘干得到隔膜。并在隔膜表面包覆一层多孔性离子导电聚合物胶。步骤5 :提供锂离子电池的制作方法将上述正、负极层和隔膜按附图I的顺序依次层叠，在一定温度下，施加一定压力使三者接触更加密实。上述加工工艺中，含电极浆料的集流体的干燥温度为100°C 120°C，干燥时间为f 12小时。有机粘合剂是用于非水性电解电池中的粘合剂，例如聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、羧甲基纤维素钠、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、三元乙丙橡胶、丁苯橡胶或者聚氨酯。电传导添加剂可以为碳黑、乙炔黑、碳纳米管、导电碳或气相成长碳纤维。混合有导电添加剂的锂离子电池的电极材料浆料的一般使用N-甲基吡咯烷酮作为溶剂。下面结合一个具体的实施例，说明如何制备本实施方式的锂离子电池100，其工艺步骤如下步骤I :将7克聚合物聚偏二氟乙烯加入到180克N-甲基吡咯烷酮(NMP)中使其充分搅拌溶解形成胶状溶液。
步骤2 :正极层的制作程序按以下步骤操作将7克粘合剂聚偏二氟乙烯加入到180克N-甲基吡咯烷酮(NMP)中使其充分搅拌溶解形成胶状溶液，将140克LiFePO4和2. 8克导电碳Super-P充分混合加入到上述胶状液体中，用搅拌机搅拌均匀制成膏状的正极材料浆料。采用刮浆法将得到的正极材料浆料从90%的多渗孔泡沫铝两侧填充到正极集流体上。将上述含正极电极浆料的正极集流体放入110°C烘箱内保温4小时除去溶剂NMP，制得干燥的正极材料活性物质混合物。将干燥后的电极材料使用压延器使其更致密，所需厚度根据电池尺寸来定，一般其厚度包括集流体在内，大约是500微米。在含所述电极材料的集流体上浸涂一层多孔性离子导电聚合物胶，使含电极材料的正极集流体上包覆有一层多孔性离子导电聚合物胶。将其在100°C烘箱中保温2小时去除其溶剂得到正极层。步骤3 :负极层的制作程序按以下步骤操作将7克粘合剂聚偏二氟乙烯加入到180克N-甲基吡咯烷酮(NMP)中使其充分搅拌溶解形成胶状溶液，将70克Li4TiO3和I. 4克导电碳Super-P充分混合加入到上述胶状液体中，用搅拌机搅拌均匀制成膏状的负极浆料。采用刮浆法将得到的负极材料浆料从90%的多渗孔泡沫铜两侧填充到集流体上。将上述含电极浆料的集流体放入110°C烘箱内保温4小时除去溶剂NMP，制得干燥的负极材料活性物质混合物。将干燥后的电极材料使用压延器使其更致密，所需厚度根据电池尺寸来定，一般其厚度包括集流体在内，大约是250微米。在含所述电极材料的负极集流体上浸涂一层多孔性离子导电聚合物胶，使含电极材料的负极集流体上包覆有一层多孔性离子导电聚合物胶。将其在100°C烘箱中保温2小时去除其溶剂，得到负极层。步骤4 :采用电喷涂法将纳米陶瓷材料浆料涂在无纺布上，如纳米氧化铝陶瓷材料，然后烘干得到隔膜。并在隔膜表面包覆有一层多孔性离子导电聚合物胶。步骤5 :提供锂离子电池的制作方法将上述正、负极层和隔膜按附图I的顺序依次层叠，在一定温度下施加一定压力使三者接触更加密实。本实施方式的锂离子电池采用上述技术方案后，主要有以下效果(I)集流体通过其多渗孔骨架与电极材料实现立体网状结合，故能提高电极材料 的利用率，提高了单位面积的活性物质，从而获得较高的电极面密度及相应的高能量密度，这样可以大大减少电池的极片数量以及隔膜的用量，而隔膜的成本在电池成本中占到了25%以上，从而降低了整个电池的制造成本。(2)采用压铸工艺技术，制得的电极层可以被制成多种厚度的片材形状，具有较大的电池容量、同时具备较好的机械性能，特别是抗弯曲的特性，因此其厚度不仅可以满足现有技术中较厚应用场合的要求，提高电极面密度，并能提高容量电池的极片要求。(3)正、负极层和隔膜通过多孔性离子导电聚合物胶连接，为后续的多层电极层的组合提供了粘合连接的作用；同时更重要的是其能够在电极层和隔离层之间形成桥梁，促进电极材料同隔离层之间的沟通和导电，极大的促进了电池内阻的降低。另外，该多孔的连接层还可以被设置在电极层的各个表面，通常电极层为片形或板形。通过将电极层的包裹可以使得由上述方法制成的电极层得到了良好的保护，保持电极材料能够始终被限制固定在金属基体上，同时该多孔连接层也提供了一种防渗透层的作用，防止电极材料中的游离介质的流失。(4)隔膜采用无纺布涂覆纳米陶瓷材料的做法，有效利用纳米陶瓷材料良好热稳定性和机械性的特点，提高了锂离子电池的安全性能，同时纳米陶瓷材料的纳米级已经市场化，成本也低。因此，本实施方式克服了传统技术的缺陷，其具有较高的电池特性和机械特性，且成本低，能满足电池产品能够应用到更加广泛的技术领域的要求。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极层、负极层和连接所述正极层及负极层的隔膜，其中所述正极层包括正极集流体和正极电极材料，所述负极层包括负极集流体和负极电极材料；其中，所述隔膜包括无纺布及涂覆在无纺布表面的纳米陶瓷材料；其中，所述正极集流体和负极集流体为具有多渗孔的可电传导的立体网状结构，所述正极电极材料和负极电极材料分别填充在正极集流体和负极集流体的多渗孔内。
2.根据权利要求I所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极集流体和负极集流体为多渗孔的孔隙率为209^95%的多渗孔金属泡沫。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述多渗孔金属泡沫的材质为铝、铜、镍、银、金或者不锈钢。
4.根据权利要求I所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极电极材料为LiFePO4，所述负极电极材料为碳或Li4Ti5O12。
5.根据权利要求I所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极层上包覆有多孔性离子导电聚合物胶。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极层上也包覆有多孔性离子导电聚合物胶。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极层、隔膜及负极层组成的整体上也包覆有多孔性离子导电聚合物胶。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述多孔性离子导电聚合物胶为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯，聚氧乙烯、聚丙烯酸甲酯或以丙烯酸酯为基础的胶状聚合物。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述多孔性聚合物胶的粘度为0.IPa S IOPa S。
10.根据权利要求I所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极层和负极层均为厚度一致的片状结构。
全文摘要
本发明涉及一种锂离子电池，包括正极层、负极层和连接所述正极层及负极层的隔膜，其中所述正极层包括正极集流体和正极电极材料，所述负极层包括负极集流体和负极电极材料；其中，所述隔膜包括无纺布及涂覆在无纺布表面的纳米陶瓷材料；其中，所述正极集流体和负极集流体为具有多渗孔的可电传导的立体网状结构，所述正极电极材料和负极电极材料分别填充在正极集流体和负极集流体的多渗孔内。集流体通过多渗孔骨架与电极材料实现立体网状结合，能提高电极材料的利用率，提高单位面积的活性物质，获得较高的电极面密度及相应的高能量密度，可大大减少电池的极片数量以及隔膜的用量，隔膜的成本在电池成本中占25%以上，从而降低整个电池的制造成本。
文档编号H01M10/0525GK102683740SQ201210158278
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月21日 优先权日2012年5月21日
发明者黄碧英 申请人:龙能科技(苏州)有限公司