一种双极性电池及其制备方法和用途

1.本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种双极性电池及其制备方法和用途。


背景技术：

2.电池行业经过多年的发展历程，经历了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池等。其中铅酸电池和镍镉电池因重金属污染问题饱受诟病，终将被历史所淘汰。镍氢电池有记忆效应，使用时必须全充全放以保持循环寿命，繁琐的电池管理系统增加了使用的难度，逐渐被其他电池所取代。目前广泛使用的锂离子电池具有长寿命、无记忆效应、低污染、高能量密度等优势，正逐渐替代其他种类的电池，应用于电动汽车、电动自行车、电动工具、储能和数码领域。但锂离子电池同时具有高成本、低安全性和资源短缺等先天不足。
3.在此背景下，钠离子电池应运而生。钠离子电池以其低成本、长寿命、无记忆效应、环保无污染和可以接受的能量密度等优势而成为电动自行车、储能和电动工具等领域的又一绝佳选择。我国钠盐资源相比于贫乏的锂资源，是极其丰富且廉价的。
4.如何有效利用充足的钠资源来构建高单体电压、高功率密度的电池，使其更好的适应更广泛应用场景下的使用需求，是当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种双极性电池及其制备方法和用途，通过本发明提出的双极性电池的结构，能够获得高单体电压、高功率密度、优异倍率性能和安全性良好的电池。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种双极性电池，包括：至少一组正负极片、至少一个双极片、隔膜、电解液和电池壳体；
7.每组正负极片包括一个正极片和一个负极片；
8.每个双极片包括正极段和负极段，所述正极段和所述负极段中间由空箔隔离；
9.所述正极片、一个或多个双极片、负极片依次串联，所述隔膜设置在相对设置的正极片与负极段和/或负极片与正极段和/或正极段与负极段之间，构成一个双极性单元；
10.充电过程中，每个双极性单元中，电流的方向为由正极片经双极片至负极片，放电过程中，电流的方向相反。
11.优选的，所述双极性电池包括多个所述双极性单元，多个双极性单元之间相互并联。
12.优选的，在所述双极性电池中，至少一个所述正极片与至少一个所述负极段相对设置，至少一个所述负极片与至少一个所述正极段相对设置。
13.优选的，每个双极性单元均呈密闭结构，所述电解液密封于所述双极性单元内。
14.优选的，所述正极片由正极活性物质混合物浆料涂敷于铝箔上构成；
15.所述负极片由负极活性物质混合物浆料涂敷于铝箔上构成；
16.所述双极片的正极段涂敷正极活性物质混合物，负极段涂敷负极活性物质混合
物，涂敷基材为铝箔；
17.所述隔膜为双面涂敷聚偏氟乙烯pvdf的涂胶隔膜；
18.所述外壳为铝塑膜。
19.优选的，所述正极活性物质混合物包括钠铜铁锰氧化物、正极黏结剂和正极导电剂；所述负极活性物质混合物包括硬碳、负极黏结剂和负极导电剂；所述电解液为使用原位聚合法制备的钠离子电池凝胶电解液。
20.优选的，所述双极性电池为双极性钠离子电池。
21.第二方面，本发明实施例提供了一种第一方面所述的双极性电池的制备方法，所述制备方法包括：
22.将正极活性物质和正极导电剂按所需比例混合溶解在正极黏结剂中，搅拌分散成正极浆料，将正极浆料均匀的涂布于铝箔上，经烘干后辊压分切后制成正极片；
23.将负极活性物质和负极导电剂按所需比例混合溶解在负极黏结剂中，搅拌分散成负极浆料，将负极浆料均匀的挤压涂布于铝箔上，经烘干后辊压分切后制成负极片；
24.将正极浆料和负极浆料分段涂布在铝箔上，经烘干后辊压分切后制成双极片；
25.按正极片、隔膜、双极片和负极片的顺序沿水平方向串联设置叠片，经热复合后制成一个双极性单元；
26.将所需数量个双极性单元并联后，焊接制成极组，并进行极组烘烤；
27.将钠离子电解液与甲基丙烯酸甲酯mma和聚丙烯pt进行混合，分散均匀后，添加引发剂偶氮二异丁腈aibn注入极组中，搁置凝胶后清除多于电解液，得到所述双极性电池。
28.优选的，所述搁置凝胶为在60℃环境中搁置4小时凝胶。
29.本发明提供的双极性电池，通过采用正极片、一个或多个双极片、负极片构建双极性单元，并以多个双极性单元并联的结构，获得高单体电压和高功率密度。在电池的电芯内部电流不需经过极耳，使得电池内部电流更加均匀，内阻低，具有更优异的倍率性能，同时，使用半固态电解质，避免了电池漏液问题的发生。
附图说明
30.下面通过附图和实施例，对本发明实施例的技术方案做进一步详细描述。
31.图1是本发明实施例的一个双极性单元的结构示意图；
32.图2是本发明实施例的包含多个双极片串联的一个双极性单元的结构示意图；
33.图3为本发明实施例提供的双极性电池的电芯结构示意图。
具体实施方式
34.下面通过附图和具体的实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。
35.本发明的双极性电池，包括：至少一组正负极片、至少一个双极片、隔膜、电解液和电池壳体；每组正负极片包括一个正极片和一个负极片；每个双极片包括正极段和负极段，正极段和负极段中间由空箔隔离；正极片、一个或多个双极片、负极片依次串联，隔膜设置在相对设置的正极片与负极段和/或负极片与正极段和/或正极段与负极段之间，构成一个
双极性单元。
36.其中，正极片由正极活性物质混合物浆料涂敷于铝箔上构成；负极片由负极活性物质混合物浆料涂敷于铝箔上构成；双极片的涂敷基材为铝箔，正极段涂敷正极活性物质混合物，负极段涂敷负极活性物质混合物，双极片上的正极活性物质混合物与负极活性物质混合物不接触，中间为空箔；隔膜具体采用双面涂敷聚偏氟乙烯(pvdf)的涂胶隔膜；外壳可采用铝塑膜。优选的，双极片比正极片和负极片尺寸略大一些，并对双极片四周包围，可以防止电解液在双极性单元之间流窜。
37.在一个具体实例中，正极活性物质混合物具体包括钠铜铁锰氧化物、正极黏结剂和正极导电剂；负极活性物质混合物包括硬碳、负极黏结剂和负极导电剂；电解液优选使用原位聚合法制备的钠离子电池凝胶电解液。因为金属钠在低电位下，不会与铝箔产生合金化反应，因此正负极都可以使用廉价的铝箔作为集流体，由此实现双极性结构，制作成双极性钠离子电池。
38.以上正、负极黏结剂和正、负极导电剂均可采用钠离子电池常规使用的黏结剂、导电剂。
39.在本发明的具体实现中，正极活性物质也不限于钠铜铁锰氧化物，负极活性物质也不限于硬碳。即正极活性物质混合物、负极活性物质混合物、电解液均可采用钠离子电池常规使用的材料，此处不再一一例举。以下着重对本发明的双极性电池的结构进行详细说明。
40.图1和图2分别示出了正极片、一个双极片、负极片依次串联构成的双极性单元的结构示意图，以及正极片、多个双极片、负极片依次串联构成的双极性单元的结构示意图。
41.在如图1所示的结构中，双极性单元包括正极片1、一个双极片4、负极片2、隔膜3和铝箔5。双极片4包括正极段41和负极段42。正极片1与负极段42相对设置，负极片2与正极段41相对设置。图中箭头所示方向为电池放电过程中双极性单元中电流的反方向(等同于电子的运动方向)，即为由正极片1经双极片4上的负极段42通过铝箔传至正极段41再到负极片2。通过该结构可以达到电池电芯电压倍增的作用。
42.在如图2所示的结构中，双极性单元包括正极片1、多个双极片4、负极片2、隔膜3和铝箔5。多个双极片4两两错位相对串联设置。在该结构种，设置于图中最左端的正极片1与一个双极片的负极段42相对设置，该双极片的正极段41与下一个双极片的负极段42相对设置
……
依次串联直至最后一个双极片的正极段41与设置于图中最右端的负极片2相对设置。图中箭头所示方向为电池充电过程中双极性单元中电流的方向，即为由正极片1经串联的多个双极片4再到负极片2，放电时的电流方向相反。通过该结构可以达到电池电芯电压倍增的作用，串联的双极片数量越多，电芯电压越高。
43.此外，双极性电池中可以包括多个以上所述的双极性单元，多个双极性单元之间相互并联。
44.在一个具体的例子中如图3所示，该结构中，包括多个如图1所示的双极性单元的并联结构，该并联结构置于电池壳体6中。并联的双极性单元的正极、负极，通过独立的引线分别连接至正极片和负极片的铝箔上。采用此结构，使得电池电芯的容量随着并联单元的增加而成倍增长。并联的双极性单元越多，电池容量越高。图中箭头与图1中箭头的示意作用相同。
45.本发明的双极性电池可以通过如下制备方法制备获得。
46.步骤1，将正极活性物质和正极导电剂按所需比例混合溶解在正极黏结剂中，搅拌分散成正极浆料，将正极浆料均匀的涂布于铝箔上，经烘干后辊压分切后制成正极片；
47.步骤2，将负极活性物质和负极导电剂按所需比例混合溶解在负极黏结剂中，搅拌分散成负极浆料，将负极浆料均匀的挤压涂布于铝箔上，经烘干后辊压分切后制成负极片；
48.步骤3，将正极浆料和负极浆料分段涂布在铝箔上，经烘干后辊压分切后制成双极片；
49.步骤4，按正极片、隔膜、双极片和负极片的顺序沿水平方向串联设置叠片，经热复合后制成一个双极性单元；
50.优选的，热复合的温度在45℃～85℃,时间30～60s。
51.步骤5，将所需数量个双极性单元并联后，焊接制成极组，并进行极组烘烤；
52.步骤6，将钠离子电解液与甲基丙烯酸甲酯(mma)和聚丙烯(pt)进行混合，分散均匀后，添加引发剂偶氮二异丁腈(aibn)注入极组中，搁置凝胶后清除多于电解液，得到所述双极性电池。
53.其中，搁置凝胶优选为在60℃环境中搁置4小时凝胶。
54.为更好的理解本发明提供的技术方案，下述以两个实例来说明在本发明实际实施过程中具体的双极性电池制备过程。
55.实施例1
56.本实施例提供了6v 500mah双极性钠离子电池的制备过程。
57.步骤1，通过混料、涂布的方式，分别制备正极、负极和双极性极片，辊压模切后，制备得到正极片、负极片和双极性极片；
58.步骤2，在正、负极之间串联一个双极性极片，叠片制作成一个双极性单元，将10个这样的双极性单元并联，经热复合、自动焊接制备成6v500mah半成品双极性钠离子电池；
59.步骤3，将半成品电池放置于85℃真空烘箱中烘烤36小时；
60.步骤4，制备凝胶电解液，将钠离子电解液与mma和pt进行混合，分散均匀后，添加引发剂aibn迅速注入极组中，于60℃环境中搁置4小时凝胶，取出并擦除多于电解液。
61.步骤5，电池经封口、化成、老化和分容后，制备完成6v 500mah双极性钠离子电池。
62.实施例2
63.本实施例提供了9v 100mah双极性钠离子电池的制备过程。
64.步骤1，通过混料、涂布的方式，分别制备正极、负极和双极性极片，辊压模切后，制备得到正极片、负极片和双极性极片；
65.步骤2，在正、负极之间串联两个双极性极片，叠片制作成一个双极性单元，将2个这样的双极性单元并联，经热复合、自动焊接制备完成9v100mah半成品双极性钠离子电池；
66.步骤3，将半成品电池放置于85℃真空烘箱中烘烤36小时；
67.步骤4，制备凝胶电解液，将钠离子电解液与mma和pt进行混合，分散均匀后，添加引发剂aibn迅速注入极组中，于60℃环境中搁置4小时凝胶，取出并擦除多于电解液。
68.步骤5，电池经封口、化成、老化和分容后，制备完成9v 100mah双极性钠离子电池。
69.本发明提供的双极性电池，通过采用正极片、一个或多个双极片、负极片构建双极性单元，并以多个双极性单元并联的结构，获得高单体电压和高功率密度。在电池的电芯内
部电流不需经过极耳，使得电池内部电流更加均匀，内阻低，具有更优异的倍率性能，同时，使用半固态电解质，电池中电解液密封在双极性单元中，相对不流动，避免了电池漏液问题的发生。
70.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。