一种卷绕电芯、制备工艺以及高功率水系钠盐电池的制作方法

本发明涉及储能电池，具体地，涉及一种卷绕电芯、制备工艺以及高功率水系钠盐电池。

背景技术：

1、目前业界主流的储能电池电芯按照制作工艺划分，可以分为卷绕工艺和叠片工艺，卷绕工艺由于制成容易，生产效率高，被广泛应用。但锂电池由于受限于安全性的要求，电芯尺寸和容量一般较小，例如现在最大的圆柱锂电池的尺寸为直径46mm，高度80mm(型号46800)。水系钠盐电池采用中性钠盐溶液作为电解液，在本征上具备安全、环保、长寿命等优点，该体系既避免了有机电解质的易燃问题，又克服了传统水系电池的高污染、寿命短(如铅酸电池)、和价格昂贵(锂离子电池)的缺点，是能够满足大型储能技术要求的理想体系之一。如能将卷绕工艺应用于水系钠盐电池的制备，则不必受限于电池尺寸和安全性的限制，理论上可以制备大尺寸，高容量，安全环保的水系钠盐电池，并且极大提高电池的组装效率。

2、中国发明专利申请公布号cn109755473a(申请号201811630834.5)涉及了一种锂电池电极的干法制备方法，所使用的干法制得的电极薄膜带厚度50-100微米，通过高温滚压将电极薄膜带复合到电极集流体上，得到成卷的锂电池电极。中国发明专利申请公布号cn112687833a(申请号202011553241.0)涉及了一种干法电极极片制备方法、采用其制备得到的电极极片及用途，原料粉末混合后经加热和纤维化后得到极片粉料，极片粉料依次经垂直辊压和水平辊压后得到膜片，膜片与箔材一同进入贴合辊，辊压成型得到电极极片。中国实用新型专利授权公告号cn213660479u涉及了一种多极耳卷绕电池，采用多极耳设计，增加两个极耳采用与集流体一体成型的方式，存在极耳焊接和极耳贴保护胶，无法做到全部极耳与集流体一体成型。

3、常规的制备方法存在以下问题：1)目前电极制备基本采用湿法成型工艺，即配制浆料、涂布、干燥、辊压的过程工序，其过程使用了大量的有机溶剂或去离子水，存在溶剂回收困难，干燥过程能耗高、极片易开裂、电极密度低等问题；2)现有卷绕工艺技术是将活性物质涂覆或热压复合于铝箔(铜箔)集流体上，虽产品效率高、一致性好，但卷绕工艺由于存在内外曲率差，很难运用在厚电极，主要应用于薄极片电池；叠片生产效率低，生产控制较为繁琐，每个电芯至少几十个极片，检测、运转、统计等都是难点，产品一致性难以把控；3)水系钠盐电池的集流体目前使用的最多的是不锈钢，采用铝箔需要做防腐蚀保护，如叠片电芯极片的切边较多，尤其是集流体切边断面容易被盐溶液腐蚀，为了消除集流体切边断面腐蚀的影响会增加更多的工艺和设备，制程更加复杂。

技术实现思路

1、本发明创造一种采用自支撑柔性厚电极通过卷绕工艺制备水系钠盐电池的结构，其主要特征和优势包括：a)连续的自支撑柔性厚极片，厚极片能够卷绕成卷状，采用连续性卷绕方式生产，生产效率高；b)可根据卷绕电芯的设计规格自由调整电极和集流体的长度，便于控制，实现不同规格产品输出；c)且集流体经过防腐保护，卷绕电芯只需正负极各一次分切，整个电芯结构只存在正负极集流体两个切断断面，很大程度降低集流体腐蚀的风险；d)极耳和集流体为一体化结构，无需在极片内部再焊接极耳，可以有效降低电池内阻，便于成型。

技术特征：

1.一种卷绕电芯，其特征在于，包括正极极组、负极极组、隔膜和卷芯，所述正极极组由两层柔性正极厚极片和一层复合集流体采用交替叠加结构排列、所述负极极组由两层柔性负极厚极片和一层复合集流体采用交替叠加结构排列，所述正极极组、所述负极极组和两层隔膜交替叠加后经过卷芯卷绕而成，所述隔膜卷绕在所述正极极组和所述负极极组之间，所述正极极组卷绕在所述负极极组外，所述正极极组和所述负极极组中所述复合集流体是同一种物质，正负极组中复合集流体可把整个铝箔直接作为全极耳，也可将正负极组中复合集流体切割多个铝箔极耳，极耳间距根据卷绕电芯设计直径进行计算，使得复合集流体卷绕过程中极耳内层和外层重叠。

2.如权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述的柔性正极厚极片包含正极活性物质，其选自mno2，namno2，kmno2，含有四面体或者八面体阴离子结构单元的化合物，普鲁士蓝类似物，和namfe(cn)6(m＝ni、co、fe、cu)，碳黑作导电剂，聚四氟乙烯乳液(ptfe乳液)作为主黏结剂，通过高剪切工艺使混合物料中的ptfe纤维化，并经过辊压工艺压制成的自支撑电极片。

3.如权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述的柔性负极厚极片包含负极活性物质，其选自磷酸盐类化合物，nati2(po4)3、na3v2(po4)3，金属氧化物，moo3、na2v6o16，活性炭，和普鲁士蓝类似物，碳黑作导电剂，聚四氟乙烯乳液(ptfe乳液)作为主黏结剂，通过高剪切工艺使混合物料中的ptfe纤维化，并经过辊压工艺压制成的自支撑电极片。

4.如权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述的厚极片厚度0.1mm–5mm，活性物质负载量0.1-5g/cm2，孔隙率30％-50％。

5.如权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述的卷绕电芯为塑料圆管，所述塑料圆管可为聚乙烯圆管、聚丙烯圆管、聚氯乙烯圆管，圆管外径10mm–60mm。

6.如权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述的正负极柔性厚极片和复合集流体均能够单独卷绕成卷状，电芯卷绕过程各卷状体位置、形状变化根据卷绕曲率自行调整，避免了整个极片在长度方向上存在多处弯折和厚度变化区域。

7.如权利要求1所述的卷绕电芯，其特征在于，所述电芯采用抗腐蚀性集流体：由金属集流体和外层的防腐导电层构成，金属集流体可为铝，铜，或镍；防腐导电层为聚乙烯导电膜、聚丙烯导电膜、乙烯-醋酸乙烯脂导电膜、聚苯胺导电膜、聚吡咯导电膜、或聚苯硫醚导电膜。

8.一种制备权利要求1中所述电芯的方法，所述方法包括按负极极组、隔膜、正极极组、隔膜的顺序叠在一起，通过卷绕方式卷成圆柱形或椭圆柱形，再放入圆柱或方壳的塑料外壳中，注入水系电解液，制得水系钠盐电池。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的极耳和集流体为一体化结构，无需在极片内部再焊接极耳，可以有效降低电池内阻，便于成型。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的集流体经过防腐保护，所述卷绕电芯只需正负极各一次分切，整个电芯结构只存在正负极集流体两个切断断面，很大程度降低集流体腐蚀的风险。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的负极极组、正极极组均为具有自支撑结构的厚电极，单独成卷状，不与复合集流体先复合一体。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的柔性厚极片和复合集流体单独为卷状，避免卷绕过程中因内外曲率差异造成隔膜和厚极片的打皱变形。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的正负极极片尺寸大小一样，不存在相互包覆问题，可根据卷绕电芯的设计规格自由调整电极和集流体的长度，便于控制，实现不同规格产品输出。

技术总结
一种采用自支撑柔性厚电极通过卷绕工艺制备水系钠盐电池的结构，其主要特征和优势包括：a)连续的自支撑柔性厚极片，厚极片能够卷绕成卷状，采用连续性卷绕方式生产，生产效率高；b)可根据卷绕电芯的设计规格自由调整电极和集流体的长度，便于控制，实现不同规格产品输出；c)且集流体经过防腐保护，卷绕电芯只需正负极各一次分切，整个电芯结构只存在正负极集流体两个切断断面，很大程度降低集流体腐蚀的风险；d)极耳和集流体为一体化结构，无需在极片内部再焊接极耳，可以有效降低电池内阻，便于成型。

技术研发人员：沈剑辉,侯肖瑞,朱华刚
受保护的技术使用者：太仓中科赛诺新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14