一种高性能蜂窝状锂离子纽扣电池的制作方法

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种高性能蜂窝状锂离子纽扣电池。

背景技术：

锂离子电池根据形状的不同可分为方形电池、圆柱电池、纽扣电池等类型。纽扣电池具有轻薄、微小等特点广泛应用于电子手表、电子天平、电动玩具等小型便携式设备中。近年来，随着信息技术和移动通讯设备多功能化的发展，终端设备对电池容量、使用寿命和充放电性能等提出了更高的要求。目前广泛应用的纽扣电池有ago电池、zn-mn电池、li-mno2电池等，其电池容量低、能量密度小、寿命有限且不可循环使用。锂离子纽扣电池具有能量密度大、放电电压高、充放电速度快、体积小、可循环充放电等优点，市场潜力巨大。此外锂离子纽扣电池在电池性能测试和评价方面也获得广泛应用。

锂离子纽扣电池的组装通常在惰性气体保护的手套箱中进行，组装过程中为了防止正负极片接触引起的短路，需保证正、负极片和隔膜严格对齐，因此人工劳动强度大，且耗时费力。此外由于人工对齐难度大，生产效率低，且电池一致性差，不良率较高。

随着人们对电池新材料、新工艺和新技术的研发，以镍钴锰、镍钴铝三元材料为正极活性物质，锡、硅及其氧化物为负极活性物质的高性能锂电池获得广泛关注。然而高性能活性物质在锂离子纽扣电池的研究和应用较少，此外锡、硅基负极在充放电过程中存在巨大的体积变化和快速容量衰减。为了提高锂离子纽扣电池容量，改善纽扣电池组装工艺，本发明提供了一种高性能蜂窝状锂离子纽扣电池。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高性能的锂离子纽扣电池，提高锂离子纽扣电池的容量，改善纽扣电池的使用寿命；同时在纽扣电池的组装制造过程中降低操作难度和强度，提高生产效率和产品一致性。

本发明的技术方案是：所述纽扣电池由正极壳、正极片、电解液、隔膜、负极片、泡沫镍垫片、负极壳组成，其特征在于：所述正极片具有蜂窝状多孔结构，负极片填充于正极片蜂窝孔隙中，正、负极间通过隔膜形成紧密接触。

本发明较好的技术方案是：所述正极片活性物质为ncm523、ncm622或ncm811中的一种，所述负极片活性物质为碳包覆纳米硅、硅纳米线或硅碳复合材料中的一种。

本发明更好的技术方案是：所述正、极片冲切成大小相同的圆片，圆形隔膜尺寸大于正、负极片尺寸，隔膜填充在所有蜂窝孔隙中；正极片蜂窝孔直径为100um～1500um，孔深度为10～100um，负极片凸台直径比蜂窝孔小5～20um，高度为孔深度的80～90％。

本发明更好的技术方案是：所述纽扣电池负极为隔膜包覆的微米级圆柱单体，所述负极单体均匀地镶嵌在正极片蜂窝孔隙中；负极单体由外层包覆隔膜、圆柱多孔硅碳负极和顶层的泡沫镍垫片组成。所述微米级负极圆柱单体中的多孔硅碳负极包含单层或多层结构。

本发明更好的技术方案是：所述正极片蜂窝孔为矩形阵列或环形阵列分布。所述正极壳、负极壳为不锈钢、镀镍不锈钢、铜或铝合金中的一种，正、负极壳采用绝缘密封环密封。所述垫片为泡沫镍、不锈钢、铜、铝及其合金中的一种。

本发明所述蜂窝状锂离子纽扣电池的制备和组装包括以下步骤：

(1)正极片制备：

正极片以ncm523、ncm622、ncm811中的一种为活性物质，将活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂高速搅拌配制成浆料，正极浆料涂布在铝箔集流体上，极片烘烤干燥后进行蜂窝造孔和切片，获得纽扣电池正极片。

特别地，所述导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种；

特别地，所述粘结剂为pvdf，溶剂为nmp有机溶剂；

特别地，所述蜂窝造孔方式包括机械造孔、激光造孔、溶剂清洗造孔中的一种；

进一步地，所述正极片蜂窝孔以矩形阵列或环形阵列排布，蜂窝孔直径为100um～1500um，孔深度为10～100um；

(2)负极片制备：

负极片以碳包覆纳米硅、硅纳米线、硅碳复合材料中的一种为活性物质，cmc/sbr为粘结剂，石墨烯为导电剂，去离子水为溶剂，配制成浆料涂布在铜箔集流体上，极片烘烤干燥后进行凸台构筑和切片，获得纽扣电池负极片。

特别地，纽扣电池负极片和正极片的大小相等；

特别地，所述凸台构筑方法包括掩模激光刻蚀、掩模溶剂冲洗、胶带剥离等方法；

特别地，所述负极浆料涂覆于陶瓷蜂窝模具中，干燥后脱模获得微米级圆柱单体，负极圆柱单体最后镶嵌于蜂窝孔中，且直径为蜂窝孔的80～90％，高度为孔深度的75～90％。

(3)隔膜切片：

按照纽扣电池规格将隔膜冲切成合适尺寸的圆片，隔膜尺寸大于极片尺寸。

(4)纽扣电池组装：

将正负极壳、正负极片、隔膜、泡沫镍垫片干燥后放置于手套箱中，按照正极壳→正极片→电解液→隔膜→电解液→负极片→泡沫镍→负极壳的顺序进行装配。

特别地，所述隔膜在电解液的浸润下均匀填充在蜂窝孔中，正、负极片通过孔配合自定位；

特别地，所述微米级负极单体表面包覆隔膜层，负极单体均匀镶嵌在正极蜂窝孔中；

进一步地，所述负极单体一层或多层堆积，单体上层堆放泡沫镍垫片。

(5)电池封口：

将组装好的纽扣电池在电池封口机上封口，最终获得所述的蜂窝状锂离子纽扣电池。

本发明所述的蜂窝状锂离子纽扣电池具有以下优势：

(1)采用高镍三元材料为正极，硅碳复合材料为负极，所制备的纽扣电池容量高、循环寿命长，易于实现轻薄化和微型化；

(2)所述蜂窝状多孔结构提高电解液润湿性，从而提高锂离子传输速率，改善纽扣电池的充放电速率。

(3)蜂窝状多孔结构有效缓和硅碳负极充放电过程中的体积膨胀应力，从而提高电池的循环性能。

(4)蜂窝结构正负极片的孔配合具有自定位功能，避免了组装时的对齐难度和不均匀，从而防止纽扣电池装配短路，提高了产品一致性。

(5)蜂窝状纽扣电池过充、过放等隔膜的收缩率小，具有更好的安全性能。

附图说明

图1为本发明所述的锂离子纽扣电池结构示意图；

图2为本发明所述蜂窝状锂离子纽扣电池正、负极片及装配示意图；

图3为本发明所述矩形阵列和环形阵列蜂窝状纽扣电池结构示意图；

图4为本发明所述微米级硅碳负极圆柱单体结构示意图。

图中各标志分别为：001—正极壳；002—正极片；003—隔膜；004—负极片；005—泡沫镍垫片；006—负极壳；021—铝箔集流体；022—正极蜂窝孔；023—正极涂层凸缘；041—铜箔集流体；042—负极凸台；043—负极凹孔；007—负极圆柱单体；071—硅碳负极片；072—隔膜；073—泡沫镍。

具体的实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明构思前提下对本发明进行的任何形式改进，都属于本发明要求保护的范围。

本发明所涉及的一种高性能蜂窝状锂离子纽扣电池，如图1所示由001正极壳、002正极片、003隔膜、004负极片、005泡沫镍垫片和006负极壳组成。所述正、负极片具有蜂窝多孔结构，如图2所示所述002正极片由021铝箔集流体、022正极蜂窝孔和023正极涂层凸台组成，所述004负极片由041铜箔集流体、042负极涂层凸台和043负极凹孔组成。所述002正极片和004负极片之间采用003隔膜进行分隔。下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

一种cr1220矩形阵列排布的蜂窝状锂离子纽扣电池及其组装：

一种cr1220矩形阵列排布的蜂窝状锂离子纽扣电池，其特征在于正极片的蜂窝孔和对应的负极片凸台以矩形阵列的形式排布，负极片的凸台嵌入正极片的蜂窝孔中形成紧密联接。所述的蜂窝状锂离子纽扣电池制备及组装步骤如下：

(1)正极片制备：

正极片以ncm523三元材料为活性物质，将活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂高速搅拌配制成浆料，正极浆料涂布在铝箔集流体上，极片烘烤干燥后进行蜂窝造孔和切片，获得纽扣电池正极片。

特别地，所述导电剂为导电炭黑，所述粘结剂为pvdf，溶剂为nmp有机溶剂；

特别地，所述蜂窝造孔方式为机械造孔，采用蜂窝掩模和环形刮刀去除极片上蜂窝孔对应的涂覆层；

进一步地，所述正极片蜂窝孔以矩形阵列排布，蜂窝孔直径为100um～300um，孔深度为10～30um；

(2)负极片制备：

负极片以碳包覆纳米硅为活性物质，cmc/sbr为粘结剂，石墨烯为导电剂，去离子水为溶剂，配制成浆料涂布在铜箔集流体上，极片烘烤干燥后进行凸台构筑和切片，获得纽扣电池负极片。

特别地，纽扣电池负极片和正极片的大小相等；

特别地，所述凸台构筑方法为掩模激光刻蚀，采用激光刻蚀去除负极凸台边缘涂覆层，从而获得与正极片对应的负极片。

(3)隔膜切片：

按照纽扣电池规格将隔膜冲切成合适尺寸的圆片，隔膜尺寸大于极片尺寸。

(4)纽扣电池组装：

将正负极壳、正负极片、隔膜、泡沫镍垫片干燥后放置于手套箱中，按照正极壳→正极片→电解液→隔膜→电解液→负极片→泡沫镍→负极壳的顺序进行装配。所述电解液采用取液管吸取，保证极片和隔膜充分润湿。

(5)电池封口：

将组装好的纽扣电池在电池封口机上封口。

实施例2：

一种cr2032环形阵列排布的蜂窝状锂离子纽扣电池及其组装：

一种cr2032环形阵列排布的蜂窝状锂离子纽扣电池其特征在于正极片的蜂窝孔和对应的负极片凸台以环形阵列的形式排布，负极片的凸台嵌入正极片的蜂窝孔中形成紧密联接。所述蜂窝状锂离子纽扣电池制备及组装步骤如下：

(1)正极片制备：

正极片以ncm622三元材料为活性物质，将活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂高速搅拌配制成浆料，正极浆料涂布在铝箔集流体上，极片烘烤干燥后进行蜂窝造孔和切片，获得纽扣电池正极片。

特别地，所述导电剂为导电炭黑，所述粘结剂为pvdf，溶剂为nmp有机溶剂；

特别地，所述蜂窝造孔方式为溶剂冲洗，采用蜂窝掩模利用nmp溶剂清洗出蜂窝孔结构，获得蜂窝状正极片；

进一步地，所述正极片蜂窝孔以环形阵列排布，蜂窝孔直径为300um～600um，孔深度为30～50um；

(2)负极片制备：

负极片以硅纳米线为活性物质，cmc/sbr为粘结剂，石墨烯为导电剂，去离子水为溶剂，配制成浆料涂布在铜箔集流体上，极片烘烤干燥后进行凸台构筑和切片，获得纽扣电池负极片。

特别地，纽扣电池负极片和正极片的大小相等；

特别地，所述凸台构筑方法为掩模激光刻蚀，采用激光刻蚀去除负极凸台边缘涂覆层，从而获得与正极片对应的负极片。

(3)隔膜切片：

按照纽扣电池规格将隔膜冲切成合适尺寸的圆片，隔膜尺寸大于极片尺寸。

(4)纽扣电池组装：

将正负极壳、正负极片、隔膜、泡沫镍垫片干燥后放置于手套箱中，按照正极壳→正极片→电解液→隔膜→电解液→负极片→泡沫镍→负极壳的顺序进行装配。所述电解液采用取液管吸取，保证极片和隔膜充分润湿。

(5)电池封口：

将组装好的纽扣电池在电池封口机上封口。

实施例3：

一种cr2016矩形阵列排布的蜂窝状锂离子纽扣电池及其组装：

一种cr2016矩形阵列排布的蜂窝状锂离子纽扣电池，其特征在于正极片为蜂窝多孔结构，蜂窝孔以矩形阵列排布，负极片为微米级圆柱单体，负极浆料涂覆于陶瓷蜂窝模具中，干燥后脱模获得微米级圆柱单体。单个负极圆柱单体外层包覆隔膜，上层堆积泡沫镍垫片，镶嵌于蜂窝孔中，其直径为蜂窝孔的80～90％，高度为孔深度的75～90％。所述蜂窝状锂离子纽扣电池制备及组装步骤如下：

(1)正极片制备：

正极片以ncm811三元材料为活性物质，将活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂高速搅拌配制成浆料，正极浆料涂布在铝箔集流体上，极片烘烤干燥后进行蜂窝造孔和切片，获得纽扣电池正极片。

特别地，所述导电剂为导电炭黑，所述粘结剂为pvdf，溶剂为nmp有机溶剂；

特别地，所述蜂窝造孔方式为溶剂冲洗，采用蜂窝掩模利用nmp溶剂清洗出蜂窝孔结构，获得蜂窝状正极片；

进一步地，所述正极片蜂窝孔以矩形阵列排布，蜂窝孔直径为400um～500um，孔深度为40～70um；

(2)负极片制备：

负极片以硅纳米线为活性物质，cmc/sbr为粘结剂，石墨烯为导电剂，去离子水为溶剂，配制成浆料涂覆于陶瓷蜂窝模具中，干燥后脱模获得微米级圆柱单体。

特别地，所述微米级硅碳负极单体的直径为蜂窝孔的80％，高度为孔深度的75％。

(3)隔膜切片：

按照微米级硅碳负极单体规格将隔膜冲切成合适尺寸的圆片，隔膜包覆在负极单体表面。

(4)纽扣电池组装：

将正负极壳、正负极片、隔膜、泡沫镍垫片干燥后放置于手套箱中，按照正极壳→正极片→电解液→负极片→泡沫镍→负极壳的顺序进行装配。所述电解液采用取液管吸取，保证极片和隔膜充分润湿。

(5)电池封口：

将组装好的纽扣电池在电池封口机上封口。

实施例4：

一种cr2430环形阵列排布的蜂窝状锂离子纽扣电池及其组装：

一种cr2430环形阵列排布的蜂窝状锂离子纽扣电池，其特征在于正极片为蜂窝多孔结构，蜂窝孔以环形阵列排布，负极片为微米级圆柱单体，负极浆料涂覆于陶瓷蜂窝模具中，干燥后脱模获得微米级圆柱单体。多个负极圆柱单体堆积后外层包覆隔膜，上层堆积泡沫镍垫片，镶嵌于蜂窝孔中，其直径为蜂窝孔的80～90％，高度为孔深度的75～90％。所述蜂窝状锂离子纽扣电池制备及组装步骤如下：

(1)正极片制备：

正极片以nca811三元材料为活性物质，将活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂高速搅拌配制成浆料，正极浆料涂布在铝箔集流体上，极片烘烤干燥后进行蜂窝造孔和切片，获得纽扣电池正极片。

特别地，所述导电剂为导电炭黑，所述粘结剂为pvdf，溶剂为nmp有机溶剂；

特别地，所述蜂窝造孔方式为溶剂冲洗，采用蜂窝掩模利用nmp溶剂清洗出蜂窝孔结构，获得蜂窝状正极片；

进一步地，所述正极片蜂窝孔以环形阵列排布，蜂窝孔直径为500um～800um，孔深度为70～100um；

(2)负极片制备：

负极片以硅碳复合材料为活性物质，cmc/sbr为粘结剂，石墨烯为导电剂，去离子水为溶剂，配制成浆料涂覆于陶瓷蜂窝模具中，干燥后脱模获得微米级圆柱单体。

特别地，所述微米级硅碳负极单体的直径为蜂窝孔的80％，三层堆积高度为孔深度的75％。

(3)隔膜切片：

按照微米级硅碳负极单体规格将隔膜冲切成合适尺寸的圆片，隔膜包覆在三层负极单体表面。

(4)纽扣电池组装：

将正负极壳、正负极片、隔膜、泡沫镍垫片干燥后放置于手套箱中，按照正极壳→正极片→电解液→负极片→泡沫镍→负极壳的顺序进行装配。所述电解液采用取液管吸取，保证极片和隔膜充分润湿。

(5)电池封口：

将组装好的纽扣电池在电池封口机上封口。