基于三维多孔集流体的锂电池组装单元、电化学储能装置的制作方法

本发明属于锂离子电池，涉及锂电池，尤其涉及一种基于三维多孔集流体的锂电池组装单元、电化学储能装置。

背景技术：

1、锂电池的极片通常是将含有活性材料，导电材料及粘结材料的复合浆料涂覆在集流体表面，随后进行干燥和碾压处理。通常地，锂电池正极所用的集流体厚度在10～18μm，负极所用的集流体厚度在6～12μm。集流体在锂离子电池的充放电反应过程中具有良好的稳定性，使得其结构和成分不会被破坏。

2、如今的高比能锂电池设计为了提升能量密度，通常通过如下两种途径来实现。一、提升正负极活性材料的克容量，即通过提高单位质量活性材料的能量密度来实现高比能电芯的设计。例如，正极端选择镍含量更高的三元材料，负极端掺杂硅基材料等。二、将极片涂覆成厚电极，即通过提高单位体积活性材料的负载量来提升能量密度。虽然上述两种途径均能够有效提升锂电池的能量密度，但是在电池性能和制造工艺上也都带来了非常大的挑战。

3、通过提高正负极活性材料的克容量可有效提升锂电池的比能量，但与此同时会对电池的安全、寿命等性能提出更大的挑战。例如，常规的三元正极材料提升克容量是通过提高镍含量来实现的，但是镍含量的提升会极大降低材料的热稳定性和结构稳定性，这将导致采用高镍正极制备出的电池表现出较差的安全和循环性能。同样地，当前常用的石墨负极材料需要掺混硅基材料来进一步提升能量密度，但硅基材料本身的嵌锂机理决定了其在应用过程中会表现出极大的膨胀，使sei膜不断地进行破坏与修复，对锂离子电池在整个生命周期的性能保持提出了巨大挑战。另一条提升电池能量密度的途径是将单张电极极片尽可能做厚，这样可以减少叠片组装单元，从而降低集流体和隔膜等材料带来的重量损失，同时也会降低成本。当前这种厚电极的技术方案是诸多电池制造商所优选的方案，但在实施和使用过程中也遇到了诸多问题。例如，常规厚电极的极片在充放电过程中会出现破裂和剥离等缺陷现象。此外，常规厚电极的极片展现出较大的离子和电子阻抗，这是由于离子和电子的迁移路径变长导致的。这将直接导致锂电池的功率和倍率性能下降。

技术实现思路

1、随着锂电池在各领域的广泛应用，对于电池能量密度提升的需求也越发紧迫。相较于采用更为激进的材料设计所带来的在安全和寿命等方面的缺陷，厚电极是更为优选的选择。本发明旨在针对当前常规厚电极设计在锂电池加工和性能上表现出来的缺陷，例如极片的破裂和剥离，功率和倍率性能的下降等，提出一种基于三维多孔集流体的新型锂电池设计。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明首先提供了一种基于三维多孔集流体的锂电池组装单元，所述锂电池组装单元包括涂覆填充有正极活性浆料的三维多孔正极集流体制得的厚正极，隔膜及双面涂覆有负极活性浆料的负极集流体制得的负极；或者，包括涂覆填充有负极活性浆料的三维多孔负极集流体制得的厚负极，隔膜及双面涂覆有正极活性浆料的正极集流体制得的正极；或者，包括涂覆填充有正极活性浆料的三维多孔正极集流体制得的厚正极，隔膜及涂覆填充有负极活性浆料的三维多孔负极集流体制得的厚负极。

4、作为本发明的一种优选方案，所述厚正极的厚度为150-170μm；所述厚负极的厚度为150-170μm。

5、作为本发明的一种优选方案，所述三维多孔正极集流体的制备方法为：将铝箔放入质量浓度为10％的磷酸水溶液中，控制温度进行化学腐蚀；放入电腐蚀液中以50hz工频交流电在电流密度为5a/cm2、加电腐蚀；放入浓度为1mol/l的硝酸水溶液中下腐蚀；再放入到化学腐蚀液中腐蚀得到三维多孔正极集流体。

6、作为本发明的一种优选方案，所述三维多孔负极集流体的制备方法为：将粒径为20μm的铜粉加入pan和nmp混合溶液中，平铺在干燥刮膜板上，刮出厚度为120μm的膜，放入水中进行相转换；完成后在空气气氛中以3℃/min的升温速率加热至550℃，保温1h进行烧结得到多孔膜；在氢气氛围下以10℃/min的升温速率加热至600℃，保温1h得到三维多孔负极集流体。

7、作为本发明的一种优选方案，所述正极活性浆料包括正极活性材料，导电剂与粘结剂。

8、作为本发明的一种优选方案，所述负极活性浆料包括负极活性材料，导电剂与粘结剂。

9、作为本发明的一种优选方案，所述正极活性材料包括镍钴锰酸锂材料或磷酸铁锂材料，所述导电材料包括炭黑，碳纳米管，碳纤维，石墨烯等材料的一种或几种组合；所述粘结剂包括聚偏氟乙烯或羧甲基纤维素。

10、作为本发明的一种优选方案，所述负极活性材料包括石墨或硅类负极材料；所述导电材料包括炭黑，碳纳米管，碳纤维，石墨烯等材料的一种或几种组合；所述粘结剂包括聚偏氟乙烯或羧甲基纤维素。

11、本发明还提供了包含上述组装单元的基于三维多孔集流体的锂电池。

12、本发明还提供了包含上述锂电池的电化学储能装置。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、1)本发明采用的集流体具有三维多孔结构且可根据极片设计需求调节集流体的厚度，正、负极的浆料是通过真空填充到该集流体的孔隙中完成极片的制作过程。

15、2)本发明尤其适用于但不限于高比能锂离子电池的厚电极设计，可有效解决传统厚电极制作中带来的加工和性能方面的缺陷，可有效提高极片的机械强度和对活性物质的承载能力。

16、3)本发明为锂离子电池的极片设计提供了一条全新的思路，集流体不仅仅承担涂覆活性材料的作用，更会作为极片设计的一部分促进锂离子和电子在极片体相内的传导，有效提高集流体的载流效率，可有效提升电池的能量密度，并保持优异的极片加工性能和倍率功率等性能。

技术特征：

1.一种基于三维多孔集流体的锂电池组装单元，其特征在于，所述锂电池组装单元包括涂覆填充有正极活性浆料的三维多孔正极集流体制得的厚正极，隔膜及双面涂覆有负极活性浆料的负极集流体制得的负极；或者，包括涂覆填充有负极活性浆料的三维多孔负极集流体制得的厚负极，隔膜及双面涂覆有正极活性浆料的正极集流体制得的正极；或者，包括涂覆填充有正极活性浆料的三维多孔正极集流体制得的厚正极，隔膜及涂覆填充有负极活性浆料的三维多孔负极集流体制得的厚负极。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维多孔集流体的锂电池组装单元，其特征在于，所述厚正极的厚度为150-170μm；所述厚负极的厚度为150-170μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维多孔集流体的锂电池组装单元，其特征在于，所述三维多孔正极集流体的制备方法为：将铝箔放入质量浓度为10％的磷酸水溶液中，控制温度进行化学腐蚀；放入电腐蚀液中以50hz工频交流电在电流密度为5a/cm2、加电腐蚀；放入浓度为1mol/l的硝酸水溶液中下腐蚀；再放入到化学腐蚀液中腐蚀得到三维多孔正极集流体。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维多孔集流体的锂电池组装单元，其特征在于，所述三维多孔负极集流体的制备方法为：将粒径为20μm的铜粉加入pan和nmp混合溶液中，平铺在干燥刮膜板上，刮出厚度为120μm的膜，放入水中进行相转换；完成后在空气气氛中以3℃/min的升温速率加热至550℃，保温1h进行烧结得到多孔膜；在氢气氛围下以10℃/min的升温速率加热至600℃，保温1h得到三维多孔负极集流体。

5.根据权利要求1所述的一种基于三维多孔集流体的锂电池组装单元，其特征在于，所述正极活性浆料包括正极活性材料，导电剂与粘结剂。

6.根据权利要求1所述的一种基于三维多孔集流体的锂电池组装单元，其特征在于，所述负极活性浆料包括负极活性材料，导电剂与粘结剂。

7.根据权利要求5所述的一种基于三维多孔集流体的锂电池组装单元，其特征在于，所述正极活性材料包括镍钴锰酸锂材料或磷酸铁锂材料，所述导电材料包括炭黑，碳纳米管，碳纤维，石墨烯等材料的一种或几种组合；所述粘结剂包括聚偏氟乙烯或羧甲基纤维素。

8.根据权利要求6所述的一种基于三维多孔集流体的锂电池组装单元，其特征在于，所述负极活性材料包括石墨或硅类负极材料；所述导电材料包括炭黑，碳纳米管，碳纤维，石墨烯等材料的一种或几种组合；所述粘结剂包括聚偏氟乙烯或羧甲基纤维素。

9.一种基于三维多孔集流体的锂电池，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的锂电池组装单元。

10.一种电化学储能装置，其特征在于，包括权利要求9所述的锂电池。

技术总结
本发明公开了基于三维多孔集流体的锂电池组装单元、电化学储能装置，包括涂覆填充有正极活性浆料的三维多孔正极集流体制得的厚正极，隔膜及双面涂覆有负极活性浆料的负极集流体制得的负极；或者，包括涂覆填充有负极活性浆料的三维多孔负极集流体制得的厚负极，隔膜及双面涂覆有正极活性浆料的正极集流体制得的正极；或者，包括涂覆填充有正极活性浆料的三维多孔正极集流体制得的厚正极，隔膜及涂覆填充有负极活性浆料的三维多孔负极集流体制得的厚负极。本发明可有效解决传统厚电极制作中带来的加工和性能方面的缺陷，可有效提高极片的机械强度和对活性物质的承载能力，可有效提升电池的能量密度。

技术研发人员：王勇,张厚泼,张利腾,饶绍建,韩笑
受保护的技术使用者：万向一二三股份公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15