一种柔性锂离子电池及其制造方法与流程

本发明属于电池领域，具体涉及一种柔性锂离子电池及其制造方法。

背景技术：

作为一种能量密度高、环保的新型二次电池，锂离子电池被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车、储能等领域。特别是随着近年来智能手机、平板电脑、超级笔记本电脑以及智能可穿戴设备的蓬勃发展，锂离子电池的市场需求也迅猛增长。

随着智能可穿戴设备的快速发展以及曲面、柔性屏幕技术的推广，对配套锂离子电池产品提出了更高的要求---柔性化、可弯曲。传统电池由于固有结构特点，无法做到柔性可弯曲：传统的硬壳电池，包括钢壳、铝壳（方形或圆柱形）无法弯曲，而聚合物电池（又称软包电池，以铝塑膜封装）虽然外壳有一定的变形能力，但反复弯折会导致内部结构（极片与隔膜）的损坏，性能与安全无法保证。

申请号为201310746111.2的中国专利公开了一种柔性穿戴式锂电池，该柔性穿戴式锂电池包括电池模块，所述电池模块包括可弯曲软体和电芯单元，所述电芯单元由两个以上单电芯及用于连接所述单电芯的导体组成，所述可弯曲软体与电芯单元通过硅胶或柔性塑料一体注塑成型，其通过将两个以上体积较小的单电芯通过硅胶或柔性塑料封装在一个可弯曲软体中，单电芯之间通过串联或并联的方式，任意组装成电池模块，该电池模块可以弯曲，一个或多个电池模块又可方便的组成柔性穿戴式锂电池。但是这种结构的柔性完全由基材提供，包夹的小电芯本身不具备柔性，其有以下缺点：有以下缺点：

1.能量密度低。整个电池的能量只来自于电芯部分，柔性基材和填充物占据较多空间，导致整个电池的能量密度明显低于目前商业化生产的锂电池。

2.工艺复杂效率低。一个电池内部需要制作多个小电芯，电芯之间还要有专门的导带连接。组装工艺复杂，生产效率低。

3.柔性不够。小电芯本身无柔性，反复弯曲或弯曲幅度较大可能会对小电芯造成损伤，影响电池的电性能与安全性能。

因此，需要开发一种电芯本身能够弯曲，且能量密度高的柔性电池，进一步拓展其应用范围，满足越来越高的使用需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于为了解决以上现有技术的不足而提供一种柔性锂离子电池及其制造方法，从锂离子电池本身结构上进行革新，使其具有良好的柔性。

本发明的技术方案如下：

一种柔性锂离子电池，包括密封包装件以及设置于密封包装件内部的电池组和电解液，所述电池组包括正极片、负极片和设置于正极片与负极片之间的隔离膜；电池组一侧设置有连接正极片的正极耳与连接负极片的负极耳，所述正极耳与负极耳穿出密封包装件；所述电解液填充于密封包装件内。

所述的柔性锂离子电池，还可以包括柔性固定组件，所述柔性固定组件设置于密封包装件内部，所述正极片、负极片和隔离膜上设置有位置相互对应重合的通孔，所述柔性固定组件通过通孔贯穿正极片、负极片和隔离膜并将电池组和密封包装件固定。

所述的柔性锂离子电池，所述隔离膜可以为陶瓷膜、PE膜、PP膜或PE 与PP 复合膜中一种或几种。

所述的柔性锂离子电池，所述密封包装件可以为铝塑膜。

所述的柔性锂离子电池，所述柔性固定组件可以为高分子材料。

所述的柔性锂离子电池，所述高分子材料可以为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚苯乙烯中的一种。

一种所述的柔性锂离子电池的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，将正极片和负极片在冲压模具内打通孔，其中正极片与负极片上打通孔的数量和位置相同；

步骤二，将正极片、负极片和隔离膜以叠片或卷绕的方式制成电极组，其中正极片与负极片上所打的通孔的孔位中心重合；

步骤三，将步骤二制备得到的电池组中隔离膜进行打通孔，打通孔的位置与正极片和负极片上的通孔的位置相对应；

步骤四，在电池组一侧焊接正极耳与负极耳；

步骤五，将密封包装件内侧涂覆高分子材料，然后使用密封包装件对电极组进行包裹，其中正极耳与负极耳经密封包装件的封口处穿出；

步骤六，将步骤五包裹后的电极组使用平板压紧，然后加热至密封包装件内侧涂覆的高分子材料融化并充分填充到电极组正极片、负极片和隔离膜上的通孔中；再以平板压紧电极组，降温冷却固化，得到紧固后的电极组；

步骤七，将紧固后的电极组按照锂电池常规生产流程通过烘烤、注液、封装、化成工序得到柔性锂离子电池。

所述的柔性锂离子电池的制备方法，步骤一中正极片上所打通孔的孔径大于负极片上所打通孔的孔径；步骤一中负极片上所打通孔的孔径大于步骤三中隔离膜上所打通孔的孔径。

所述的柔性锂离子电池的制备方法，步骤一中正极片与负极片上所打通孔的总面积小于相应正极片与负极片面积的1%。

所述的柔性锂离子电池的制备方法，步骤四中所述密封包装件的厚度为50-200μm，所述高分子材料的涂覆厚度为50-300μm。

所述的柔性锂离子电池的制备方法，步骤五中所述加热的温度为110-130℃。

所述的柔性锂离子电池的制备方法，步骤一中正极片上打通孔的孔径为1.1-2mm，负极片上打通孔的孔径小于正极片打孔孔径的0.1mm或以上；步骤三中隔离膜上打通孔的孔径为0.3-1.6mm。

以上所述的柔性锂离子电池中，所述正极片、负极片和电解液均为本领域常用，正极片通常可以包括正极活性材料，正极导电剂和正极粘结剂，所述正极活性材料可以选自LiCoO2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、Li(NiCoMn)1/3O2、LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4、LiNi0.5Mn0.5O2、LiFePO4 中的一种或几种的组合；负极片通常可以包括负极活性材料、负极导电剂、负极增稠剂和负极粘结剂，所述负极活性材料可以为石墨，石墨可以是天然石墨、表面改性的天然石墨、人造石墨，硬碳、软碳、中间相炭微球、硅颗粒、硅线、硅棒、氧化亚硅、石墨烯包裹的硅颗粒、依附于碳纳米管上的硅颗粒、硅基合金粉末、二氧化锡、钛酸锂、锡颗粒的一种或几种的组合。

电解液通常可以是由主溶剂、锂盐、添加剂组成；其中，主溶剂通常由碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、碳酸甲乙酯EMC、碳酸甲丙酯MPC、碳酸二乙酯DEC、碳酸二甲酯DMC、γ- 丁内酯GBL、1,3- 二氧戊烷DOL、乙腈AN、甲酸甲酯MF、乙酸甲酯MA 中的一种或几种的组合；锂盐通常可以是由LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)，其中，x、y 为正整数、LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiCF3SO3、LiClO4 中的一种或几种的组合；添加剂可以是由碳酸亚乙烯酯VC、碳酸乙烯亚乙酯VEC、氟代碳酸乙烯酯FEC、亚硫酸丙烯酯PS、亚硫酸乙烯酯ES、亚硫酸二甲酯DMS、亚硫酸二乙酯DES、联苯BP、氟苯FB、环己基苯CHB、1- 丙基环状磷酸酐PPACA、全氟丁基磺酸钾PNB、三(2，2，2- 三氟乙基) 亚磷酸酯TTFP、六甲基磷腈HMPN、1,3- 丙烯磺酸内酯PTS、四氟苯硼锂、邻苯二甲酸酐，六甲基二硅胺烷中的一种或几种的组合。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1. 本发明提供的柔性锂离子电池通过正负极片的设置以及使用柔性固定组件对电池进行固定，很好的实现了电池的可弯曲性，从根本上解决了电池的弯曲问题。

2. 本发明通过高分子材料作为固定组件，在高分子材料融化后填充到通孔中，融化后再次固化的紧固高分子材料与隔离膜以及密封包装件接触后连为一体，在电池内部起到了“骨架”的作用，电池在弯曲过程中，“骨架”固定了正负极片与隔离膜，使之不会发生明显的相对滑动，避免了极片损伤与电池内部结构的破坏。从而使电池具有了可以反复弯曲的特性。

3.本发明提供的柔性锂离子电池实现了柔性锂离子电池的工业化生产，材料取料方便，成本低廉，工艺方法简单。

4. 本发明提供的柔性锂离子使用现有工业化锂离子电池的各种材料，应用场景多、范围广。

5.电池的各项性能，包括能量密度、电压、内阻、电性能、安全性能、环境适应性能都不弱于目前商业化生产的锂离子电池。

本发明提供的柔性锂离子电池进行性能测试，结果如下：

1）能量密度：根据使用电极材料的不同，范围在300-900Wh/L。

2）电压：根据电池材料不同，电池使用电压范围在2V-5V之间。

3）内阻：根据电池大小不同，内阻在0.5-300mΩ范围内。

4）电性能、安全性能、环境适应性能，可满足国标GB31241-2014、GB-T18287-2013，以及UL1642、IEC62133、UN38.3各项测试的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1中提供的柔性锂离子电池示意图；

图2为本发明实施例2中提供的柔性锂离子电池示意图；

图3为本发明实施例2中提供的柔性锂离子电池电极组示意图；

以上图1-图3中，1为正极片，2为负极片，3为隔离膜，4为通孔，5为柔性固定组件，6为密封包装件，7为正极耳，8为负极耳。

具体实施方式：

实施例1

如图1所示，为本实施例提供的柔性锂离子电池结构图，包括密封包装件6以及设置于密封包装件6内部的电池组和电解液，所述电池组包括正极片1、负极片2和设置于正极片1与负极片2之间的隔离膜3；电池组一侧设置有连接正极片的正极耳7与连接负极片的负极耳8，所述正极耳7与负极耳8穿出密封包装件6；所述电解液填充于密封包装件6内。本实施例中隔离膜3可以为陶瓷膜、PE膜、PP膜或PE 与PP 复合膜中的一种或几种；密封包装件6为铝塑膜。本实施例提供的柔性锂离子电池从根本上解决了电池柔性问题，使用本身具有柔性的极片以及密封包装件能够很好地保持电池的柔性。

实施例2

本实施例为在实施例1的基础上的进一步改进，如图2和图3所示，还包括柔性固定组件5，所述柔性固定组件5设置于密封包装件6内部，正极片1、负极片2和隔离膜3上设置有位置相互对应重合的通孔4，所述柔性固定组件5通过通孔4贯穿正极片1、负极片2和隔离膜3并将电池组和密封包装件6固定。本实施例中柔性固定组件5为高分子材料，可以为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚苯乙烯中的一种。

以上所述的柔性锂离子电池的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，将正极片和负极片在冲压模具内打通孔，其中正极片与负极片上打通孔的数量和位置相同，正极片上所打通孔的孔径大于负极片上所打通孔的孔径，正极片与负极片上所打通孔的总面积小于相应正极片与负极片面积的1%；

步骤二，将正极片、负极片和隔离膜以叠片或卷绕的方式制成电极组，其中正极片与负极片上所打的通孔的孔位中心重合；

步骤三，将步骤二制备得到的电池组中隔离膜进行打通孔，打通孔的位置与正极片和负极片上的通孔的位置相对应，步骤一中负极片上所打通孔的孔径大于隔离膜上所打通孔的孔径；

步骤四，在电池组一侧焊接正极耳与负极耳；

步骤五，将密封包装件内侧涂覆高分子材料，然后使用密封包装件对电极组进行包裹，其中正极耳与负极耳经密封包装件的封口处穿出；

步骤六，将步骤五包裹后的电极组使用平板压紧，然后加热至密封包装件内侧涂覆的高分子材料融化并充分填充到电极组正极片、负极片和隔离膜上的通孔中；再以平板压紧电极组，降温冷却固化，得到紧固后的电极组；

步骤七，将紧固后的电极组按照锂电池常规生产流程通过烘烤、注液、封装、化成工序得到柔性锂离子电池。

本实施例中柔性锂离子电池的制造方法步骤一中正极片上打通孔的孔径可以为0.8-4mm，优选为1.1-2mm，负极片上打通孔的孔径小于正极片打孔孔径的0.1mm或以上；步骤三中隔离膜上打通孔的孔径可以为0.3-3mm；步骤四中所述密封包装件的厚度可以为50-200μm，所述高分子材料的涂覆厚度可以为50-300μm；步骤五中所述加热的温度为110-130℃。

实施例3

本发明柔性锂离子电池需要的正极片、负极片、隔离膜等都是目前常用的电池材料，可以使用市售的产品或者自己制备，对于本发明目的的实现没有影响，下面提供一种本发明所述的柔性锂离子电池的具体制备方法，具体如下：

制备锂离子全电池：将正极片、负极片以及隔离膜经过叠片工艺制成锂离子电池电芯；

正极片料区尺寸：80mm*50mm（长*宽）；

负极片料区尺寸：82mm*52mm；

隔离膜宽度：54mm；隔离膜是16um Al₂O₃ 陶瓷隔离膜。

叠片前先将正极片、负极片打孔，正极孔径1.8mm，负极孔径1.6mm；

将正负极片与隔离膜叠片制成电极组 ；

对叠片后的电极组隔离膜打孔，打孔位中心与之前正负极已有孔位中心重合；孔径0.3mm

焊接极耳；

将隔离膜打孔后的电芯装入铝塑膜袋；

以模具上下压住铝塑膜袋同时加热至120℃，持续3分钟；

加热后取下在室温中冷却半小时。

然后再按照锂离子电池制备工艺进行烘烤20小时后注入锂离子电池电解液，真空封口并静置24 小时；用40mA 的恒定电流充电至4.2V，以4.2V 恒压充电到电流下降至电池充电电流10mA，以290mA 的恒定电流放电至3.0V，再以400mA(0.2C) 的恒定电流将电池充电至3.85V，之后排气、老化完成锂离子电池的制备。

以上实施例只是反映本发明技术构思的其中一种具体实施方式，并不是全部，任何基于本发明技术方案实施的具体实施过程均属于本发明保护的范围。

本发明提供的柔性锂离子电池通过正负极片的设置以及使用柔性固定组件对电池进行固定，很好的实现了电池的可弯曲性，从根本上解决了电池的弯曲问题。

本发明通过高分子材料作为固定组件，在高分子材料融化后填充到通孔中，融化后再次固化的紧固高分子材料与隔离膜以及密封包装件接触后连为一体，在电池内部起到了“骨架”的作用，电池在弯曲过程中，“骨架”固定了正负极片与隔离膜，使之不会发生明显的相对滑动，避免了极片损伤与电池内部结构的破坏。从而使电池具有了可以反复弯曲的特性。

对使用本发明提供的柔性锂离子电池的制造方法制造得到的柔性锂离子电池进行性能测试，结果如下：

1）能量密度：根据使用电极材料的不同，范围在300-900Wh/L。

2）电压：根据电池材料不同，电池使用电压范围在2V-5V之间。

3）内阻：根据电池大小不同，内阻在0.5-300mΩ范围内。

4）电性能、安全性能、环境适应性能，可满足国标GB31241-2014、GB-T18287-2013，以及UL1642、IEC62133、UN38.3各项测试的要求。