一种高能量密度方形叠片锂离子电池及其制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池领域，具体是一种高能量密度方形叠片锂离子电池及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池通常是由电极片、隔膜、电解液以及外壳所构成，其中电极片和隔膜所构成的电芯部分是电池的核心部件。目前，制作和生产电芯的主要是卷绕和叠片这两种工艺，与卷绕工艺相比，叠片工艺的电池具有更高的能量密度，电压平台高，电池内阻小等一系列优点。现有叠片工艺制作的电池，内部极耳与连结片的焊接主要是通过两层连接片夹紧超声焊接，存在焊接不牢的风险。随着对锂离子电池容量和能量密度的提升需求，电芯极片数量和极耳数也会相应增加，改善或提升连接片夹紧超声焊接的方式就显得尤为重要。

目前市售的锂离子电池以及以及已公开的技术中，锂离子电池的正负极配方中多以导电炭黑作为导电助剂，受限于炭黑材料自身的电导率，之于极片的导电特性仍有提升的空间。只有引入电子导电性更高的导电助剂才能进一步提高极片电导率，提升电子在极片活性材料之间的传输速率，降低因电池产热导致的电能损耗，进一步提高电池能量效率和电池的安全性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高能量密度方形叠片锂离子电池及其制备方法，其结构简单科学，方形铝壳内部空间利用率大，电池容量高，安全性能好，具有较高的能量密度。

本发明的技术方案为：

一种高能量密度方形叠片锂离子电池，包括有方形铝壳、设置于方形铝壳内的叠片电芯和电解液、以及连接于方形铝壳顶端的一体式盖板，所述的叠片电芯设置于方形铝壳和一体式盖板连接形成的封闭腔内，所述的叠片电芯包括有多个磷酸铁锂正极片、多个石墨负极片和多个双面涂胶隔膜，所述的多个磷酸铁锂正极片和多个石墨负极片相互交叉重叠设置且每个磷酸铁锂正极片与相邻的石墨负极片之间采用对应的双面涂胶隔膜粘接固定，所述的多个磷酸铁锂正极片上的正极极耳相互重叠，多个石墨负极片上的负极极耳相互重叠，正极极耳和负极极耳之间不重叠且均朝向一体式盖板与一体式盖板电连接；所述的磷酸铁锂正极片和石墨负极片中均以高电子导电性的石墨烯作为导电助剂，磷酸铁锂正极片中的磷酸铁锂、石墨烯和聚偏氟乙烯的质量配比为96-98:1-2:1-2，石墨负极片中的石墨、石墨烯和聚四氟乙烯的质量配比为96-98:1-2:1-2。

所述的涂胶隔膜包括聚乙烯材质基膜和涂覆于聚乙烯材质基膜两表面上的涂胶层，聚乙烯材质基膜的厚度为10-16微米，每层涂胶层的厚度均为1-2微米。

所述的磷酸铁锂正极片、石墨负极片和涂胶隔膜均被裁切成矩形片状，涂胶隔膜的长和宽均比石墨负极片多2-3毫米，石墨负极片的长和宽均比磷酸铁锂正极片多2-3毫米。

所述的一体式盖板包括有盖板本体、固定于盖板本体上端面上的正极柱和负极柱、固定连接于盖板本体下端面上的正极连接片和负极连接片，所述的正极柱通过正极连接片与磷酸铁锂正极片的正极极耳连接，所述的负极柱通过负极连接片与石墨负极片的负极极耳连接。

所述的正极连接片包括有三层均与正极柱连接的铝质薄片，第一层和第三层铝质薄片分别贴合在叠片电芯正极极耳的两端，第二层铝质薄片插入叠片电芯中部的两个正极极耳之间且与两个正极极耳贴合，且铝质薄片均与贴合的正极极耳经超声焊接结合；所述的负极连接片包括有三层均与负极柱连接的铜质薄片，第一层和第三层铜质薄片分别贴合在叠片电芯负极极耳的两端，第二层铜质薄片插入叠片电芯中部的两个负极极耳之间且与两个负极极耳贴合，且铜质薄片均与贴合的负极极耳经超声焊接结合。

一种高能量密度方形叠片锂离子电池的制备方法，具体包括有以下步骤：

(1)、正极合浆：将磷酸铁锂、石墨烯和聚偏氟乙烯按照质量配比混料，以n-甲基吡咯烷酮作为分散剂，浆料固含量保持在60-65％；负极合浆：将石墨、石墨烯和聚四氟乙烯按照质量配比混料，浆料固含量保持在50-55％；然后将正负极浆料过筛后进行涂布工序；

(2)、正极浆料均匀地涂布在涂炭铝箔上，负极浆料均匀地涂布在涂炭铜箔上片，然后涂布后的涂炭铝箔和涂炭铜箔均于90-110摄氏度真空烘箱中烘烤8-12小时；烘干后的涂炭铝箔经辊压、裁切得到磷酸铁锂正极片，烘干后的涂炭铜箔经辊压、裁切得到石墨负极片；

(3)、将多个磷酸铁锂正极片、多个石墨负极片和多个双面涂胶隔膜进行叠片处理后，使用耐高温胶带约束紧，经6-8兆帕压力和60-80摄氏度条件下热压处理30-40秒，即得热压粘实的叠片电芯；

(4)、将叠片电芯置于方形铝壳内并与一体式盖板电连接，然后一体式盖板与方形铝壳顶端进行激光焊接密封后进行除水、灌注电解液后得方形叠片锂离子电池。

所述的负极合浆是将石墨烯粉末于球磨机中混料球磨5-10小时，球磨转速500-600转/分钟，然后向球磨后的石墨烯分散液中加入石墨和聚四氟乙烯微乳液匀浆处理得到负极浆料。

所述的正负极浆料过120-150目筛网筛去除大块颗粒后进行涂布工序。

所述的正极浆料涂布在涂炭铝箔上的单面面密度控制在190-195克/平米，双面面密控制在380-390克/平米；所述的负极浆料涂布在涂炭铜箔上的单面面密度控制在92-95克/平米，双面面密控制在184-190克/平米；烘干后的涂炭铝箔和涂炭铜箔均经辊压处理；辊压后的涂炭铝箔厚度为185-190微米，裁切成长112-114毫米、宽83-85毫米的矩形极片，并预留正极极耳，即得到磷酸铁锂正极片；辊压后的涂炭铜箔厚度为112-116微米，裁切成长118-120毫米、宽89-91毫米的矩形极片，并预留负极极耳，即得到石墨负极片。

所述的一体式盖板与方形铝壳顶端进行激光焊接密封后，在85摄氏度真空烘烤24小时除水，再灌注电解液，然后在45摄氏度真空环境下浸润10小时后，首次以0.1c倍率充电3小时，真空环境下高温搁置10小时，最后补充少量电解液后封口，即得方形叠片锂离子电池。

本发明的优点：

本发明通过引入高导电性的石墨烯材料使得正极片和负极片体系均具有良好的电子导电能力，降低了电池充放电时电子在正极磷酸铁锂材料之间和在负极石墨材料之间的传输阻力，显著降低锂离子电池的内阻，充放电过程中电池的温度升高较小，使得电池的循环使用寿命显著延长；本发明采用层层叠片的方式，使得每个壳体内部仅需一个叠片电芯即可，最大限度的利用电池壳体的内部空间，降低匹配负极的浪费，显著提升电池的容量和能量密度；本发明通过采用一体式盖板，正负极各设置三层连接片，其中中间一层连接片可以插入电芯极耳中间，经超声焊接结合后，除了可以显著提升极耳的抗拉强度，还可以提升极耳的过流面积，使充放电产热不易在极耳处蓄积，降低全失效的风险。

附图说明

图1是本发明方形叠片锂离子电池的结构示意图。

图2是本发明叠片电芯的爆炸图。

图3是本发明叠片电芯的的结构示意图。

图4是本发明一体式盖板与叠片电芯极耳连接的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高能量密度方形叠片锂离子电池，包括有方形铝壳1、设置于方形铝壳1内的叠片电芯2和电解液、以及连接于方形铝壳1顶端的一体式盖板，叠片电芯2设置于方形铝壳1和一体式盖板连接形成的封闭腔内，叠片电芯2包括有多个磷酸铁锂正极片21、多个石墨负极片22和多个双面涂胶隔膜23，多个磷酸铁锂正极片21和多个石墨负极片22相互交叉重叠设置且每个磷酸铁锂正极片21与相邻的石墨负极片22之间采用对应的双面涂胶隔膜23粘接固定，多个磷酸铁锂正极片21上的正极极耳24相互重叠，多个石墨负极片22上的负极极耳25相互重叠，正极极耳24和负极极耳25之间不重叠且均朝向一体式盖板与一体式盖板电连接；磷酸铁锂正极片21和石墨负极片22中均以高电子导电性的石墨烯作为导电助剂，磷酸铁锂正极片21中的磷酸铁锂、石墨烯和聚偏氟乙烯的质量配比为96:2:2，石墨负极片22中的石墨、石墨烯和聚四氟乙烯的质量配比为96:2:2，涂胶隔膜23包括聚乙烯材质基膜和涂覆于聚乙烯材质基膜两表面上的涂胶层，聚乙烯材质基膜的厚度为10-16微米，每层涂胶层的厚度均为1-2微米，磷酸铁锂正极片21、石墨负极片22和涂胶隔膜23均被裁切成矩形片状，涂胶隔膜23的长和宽均比石墨负极片22多2-3毫米，石墨负极片22的长和宽均比磷酸铁锂正极片21多2-3毫米；一体式盖板包括有盖板本体31、固定于盖板本体31上端面上的正极柱32和负极柱33、固定连接于盖板本体31下端面上的正极连接片34和负极连接片35，正极连接片34包括有三层均与正极柱32连接的铝质薄片，第一层和第三层铝质薄片分别贴合在叠片电芯正极极耳24的两端，第二层铝质薄片插入叠片电芯中部的两个正极极耳24之间且与两个正极极耳24贴合，且铝质薄片均与贴合的正极极耳24经超声焊接结合；负极连接片35包括有三层均与负极柱33连接的铜质薄片，第一层和第三层铜质薄片分别贴合在叠片电芯负极极耳25的两端，第二层铜质薄片插入叠片电芯中部的两个负极极耳25之间且与两个负极极耳25贴合，且铜质薄片均与贴合的负极极耳25经超声焊接结合。

一种高能量密度方形叠片锂离子电池的制备方法，具体包括有以下步骤：

(1)、正极合浆：将磷酸铁锂、石墨烯和聚偏氟乙烯按照质量配比混料，以n-甲基吡咯烷酮作为分散剂，浆料固含量保持在62％；负极合浆：将石墨、石墨烯和聚四氟乙烯按照质量配比混料，其中首先将石墨烯粉末于球磨机中混料球磨10小时，球磨转速500转/分钟，然后向球磨后的石墨烯分散液中加入石墨和聚四氟乙烯微乳液匀浆处理得到负极浆料，浆料固含量保持在52％；然后将正负极浆料均过150目筛网筛去除大块颗粒后进行涂布工序；

(2)、正极浆料均匀地涂布在涂炭铝箔上，单面面密度控制在195克/平米，双面面密控制在390克/平米；负极浆料均匀地涂布在涂炭铜箔上片，单面面密度控制在95克/平米，双面面密控制在190克/平米；涂布后的涂炭铝箔和涂炭铜箔均于100摄氏度真空烘箱中烘烤10小时；烘干后的涂炭铝箔和涂炭铜箔均经辊压处理；辊压后的涂炭铝箔厚度为185微米，裁切成长113毫米、宽84毫米的矩形极片，并预留正极极耳，即得到磷酸铁锂正极片；辊压后的涂炭铜箔厚度为115微米，裁切成长119毫米、宽90毫米的矩形极片，并预留负极极耳，即得到石墨负极片；

(3)、将多个磷酸铁锂正极片21、多个石墨负极片22和多个双面涂胶隔膜23进行叠片处理，磷酸铁锂正极片21总数64片，石墨负极片22总数65片，然后使用耐高温胶带26(见图3)约束紧，经8兆帕压力和80摄氏度条件下热压处理30秒，即得热压粘实的叠片电芯；

(4)、将叠片电芯2置于方形铝壳1内并与一体式盖板电连接，然后一体式盖板与方形铝壳1顶端进行激光焊接密封后，在85摄氏度真空烘烤24小时除水，再灌注118克六氟磷酸锂电解液，然后在45摄氏度真空环境下浸润10小时后，首次以0.1c倍率充电3小时，真空环境下高温搁置10小时，最后补充15克六氟磷酸锂电解液后封口，即得方形叠片锂离子电池。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。