專利名稱：袋式鋰離子電池的制備方法及由該方法制得的電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電池，具體來說是一種袋式鋰離子電池的制備方法及由該方法制備的袋式鋰離子電池，采用該方法制備的電池具有重量輕、比能高、安全性好、電池性能好的優(yōu)點。
現(xiàn)在市場上普遍存在的鋰離子電池是硬殼鋰離子電池，另有少量鋁塑包裝的聚合物鋰離子電池。其中硬殼鋰離子電池均為液態(tài)電解質(zhì)，該體系電池中液態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電率高，能大電流工作，但金屬殼體比較重，采用金屬殼會增加電池的重量，同時，硬殼電池在出現(xiàn)異常時容易引起爆炸，另外，硬殼式電池在形狀方面比較固定，很難根據(jù)用電器的要求改變形狀。對于聚合物鋰離子電池，盡管人們一直在努力改進(jìn)聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電性質(zhì)以提高其導(dǎo)電率，但依然無法同液態(tài)電解質(zhì)相比，因此，在大電流工作方面，聚合物鋰離子電池沒有優(yōu)勢，但聚合物電池采用的是鋁塑復(fù)合膜作為包裝材料，在電池的制作方面，聚合物電池的外形設(shè)計更加靈活、方便，能根據(jù)需要隨意改變形狀，對于一些特殊結(jié)構(gòu)的用電器，在形狀方面鋁塑包裝的電池具有無比的優(yōu)越性。另外，聚合物電池制備過程中，除了要制備電極極片以外，還要制備聚合物電解質(zhì)，這增加了制備電池的工藝程序和制備難度，使電池成本提高。
本發(fā)明提供的袋式鋰離子電池的制備方法包括如下步驟(1)正極極片的制備將正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電物質(zhì)、粘結(jié)劑、溶劑攪拌、混合成均勻漿料，然后將其涂布在導(dǎo)電基體上，經(jīng)干燥、碾壓成形，分切；(2)負(fù)極極片的制備將負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、溶劑攪拌、混合成均勻漿料，然后將其涂布在導(dǎo)電基體上，經(jīng)干燥、碾壓成形，分切；(3)電池芯體的制備在正極及負(fù)極的導(dǎo)電基體上焊接極耳，在極耳與導(dǎo)電基體的聯(lián)接部位加絕緣膠帶，在正、負(fù)極間置入隔膜，繞成或疊成電池芯體，用特定膠帶固定；(4)將具有延展、拉伸、定型功能的材料作為電池的外殼材料，通過模具的強力壓延和拉伸作用，形成可容納電池芯體的包裝袋的凹槽，凹槽的大小形狀可變；(5)將組裝成功的電池芯體置入壓力機(jī)上通過芯施壓的方式對電池芯體進(jìn)行壓縮定型，增加電池極片之間的緊密程度，降低電池內(nèi)阻；(6)將電池芯體組裝完畢后，進(jìn)行成型，然后置入包裝袋的凹槽中，進(jìn)行兩邊熱熔封口，真空干燥，注入有機(jī)電解液，電池化成后，進(jìn)行徹底封口，形成電池。
所述的具有延展、拉伸、定型功能的電池的外殼材料可以采用鋁塑復(fù)合膜，以造出不同電池的形狀和大小，使鋰離子電池具有較好的形狀可變性。鋁塑復(fù)合膜由多層結(jié)構(gòu)組成，由內(nèi)到外基本由粘結(jié)層、鋁膜層、外保護(hù)層等組成。其中粘結(jié)層的主要成分是改性的聚乙烯或聚丙烯，它具有一定的吸收水分子和氫氟酸的功能，中間層是鋁箔，其作用是在沖電池芯內(nèi)槽時由良好的成型性，最外層是保護(hù)層，為多層結(jié)構(gòu)，它既能保護(hù)電解液的外滲又能阻止電解液對保護(hù)層的破壞。
為了提高電池的放電性能，使電池具有大電流放電能力，在本發(fā)明的制備方法中采用的液態(tài)有機(jī)電解液可以為1M LiPF6的乙烯碳酸酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)溶液及他們的混合液，也可以是含有改善鋰離子電池電極性能作用的它們的混合液。以這種有機(jī)電解液作為袋式鋰離子電池的工作介質(zhì)，使電池具有大電流放電能力，提高電池的放電性能。
本發(fā)明的制備方法中正負(fù)極漿料的制備方式可以采用研磨混合式，該方式有效地增加了電極漿料地均勻性，縮短了電極漿料地攪拌時間。具體方式可以是將粘結(jié)劑事先采用有機(jī)溶劑溶解完全，然后將活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑按照一定的比例混合在一起。有機(jī)溶劑可以采用氮甲基吡咯烷酮類沸點較高的有機(jī)物，以減少制備過程中漿料粘度的變化。混和漿料的機(jī)器可以是帶有研磨功能的攪拌機(jī)，如球磨機(jī)，也可以是帶有強力分散、分切作用的勻漿機(jī)。采用此制漿工藝，能制備出性能均一的電池極片，提高電池的性能。
本發(fā)明的制備方法中正極極片的活性材料可以從鋰鈷氧(LiCoO2)、鋰錳氧(LiMn2O4)、鋰鎳氧(LiNiO2)中選取。電池的負(fù)極活性材料可以從微相碳球珠(MCMB)、人工石墨和天然石墨中選取，導(dǎo)電劑可以從乙炔黑、導(dǎo)電石墨中選?。徽辰Y(jié)劑可以為聚偏氟乙烯系列。正極導(dǎo)電基體可以為鋁箔，負(fù)極導(dǎo)電基體可以為磨砂銅箔或壓延銅箔。正極配方可以為活性物質(zhì)70-90％，導(dǎo)電劑25-5％，粘結(jié)劑3-7％(重量比)。負(fù)極配方可以為碳材料80-95％；導(dǎo)電劑0-15％；粘結(jié)劑5-12％。將混合均勻的漿料涂覆在導(dǎo)電基體上，然后經(jīng)過程控干燥、程控碾壓，制成正負(fù)極極片，極片的厚度在60-260微米之間。根據(jù)本發(fā)明工藝方法制備的電池中LiCoO2正極的單克容量大于150mAh/g，負(fù)極碳的單克容量大于300mAh/g。
本發(fā)明的制備方法中鋰離子電池的結(jié)構(gòu)為卷繞式或疊層式。卷繞式結(jié)構(gòu)的電池芯體形成的方式為將正負(fù)極極片分切后，在導(dǎo)電基體上引出復(fù)合極耳，在極耳與導(dǎo)電基體的聯(lián)接部位加上結(jié)緣膠帶，然后在正負(fù)極之間置入隔膜，按照一定的方向轉(zhuǎn)繞成電池芯，卷繞成的電池芯的極耳位于電池芯體中心兩邊位置，卷繞完畢用特殊膠帶固定。疊層電池芯的組裝方式為將正極極片和負(fù)極極片利用沖裁工具沖裁成一定大小的小片，然后將正負(fù)極極片間夾入隔膜，層層疊片，形成電池芯后，用特定膠帶固定，最后引出極耳。該方式有效的降低了電池內(nèi)部短路的可能性，提高了電池的安全性能。
本發(fā)明的制備方法中電池芯成型時采用的機(jī)器可以是平板液壓機(jī)，電池芯體置于工作平臺上，利用程序施壓的方式對電池芯體進(jìn)行施壓，施壓過程中，可以加溫也可以不加溫。加壓成型提高了極片與極片之間的緊密程度，降低了電池的內(nèi)阻，能夠防止電池的變形，制備出的電池芯體具有充放電過程中不扭曲的優(yōu)點。
在本發(fā)明的制備工藝的電池組裝過程中，在對電池進(jìn)行真空干燥及注入有機(jī)電解液后，可以對電池進(jìn)行第三邊假封口，然后再對電池進(jìn)行化成，最后進(jìn)行真空熱封口，形成完整的電池。假封口的采用有效地避免了外界水氣和氧氣對電池性能和電解液的影響，充分利用了電解液，提高了電池活性物質(zhì)的利用率，避免了最初電池化成過程中產(chǎn)生的氣體對電池性能的影響。
本發(fā)明還提供了一種采用上述方法制得的袋式鋰離子電池。
本發(fā)明袋式鋰離子電池的制備方法制備的袋式鋰離子電池，綜合了硬殼鋰離子電池及聚合物鋰離子電池的優(yōu)點，具有形狀可變、重量輕、比能大、電池性能好的優(yōu)點，有效地避免了電池的變形、電池內(nèi)部短路，提高了電池的安全性能，是一種操作簡單、對環(huán)境要求不高、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高的制備袋式鋰離子電池的制備方法。


圖1a是本發(fā)明的袋式鋰離子電池的制備方法工藝流程圖；圖1b是圖1a的續(xù)圖；圖2是采用本發(fā)明制備的袋式鋰離子電池的外觀圖；圖3是本發(fā)明采用的袋式鋰離子電池外殼的外觀圖；圖4是按照本發(fā)明的袋式鋰離子電池的制備方法制備的電池芯體的示意圖；圖5是本發(fā)明的制備方法中采用的電極引出端子的剖面圖；圖6是本發(fā)明的制備方法中采用的電極極耳絕緣膠帶的示意圖；圖7是采用本發(fā)明的制備方法制備的電池芯體中正負(fù)極組合單元圖。
如圖1a、圖1b所示袋式鋰離子電池的制備工藝包括極片的制備、電池芯體的制備、電池殼體的成型、電池注液、化成、封口等步驟。
將電池的活性材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、溶劑按照一定的比例混合成均勻的漿料，將電極漿料均勻的涂覆在導(dǎo)電基體的兩面，然后經(jīng)過烘干、碾壓、分切，制成電極極片。在電極極片上焊上導(dǎo)電極耳后，將電池的正極與負(fù)極之間加入隔膜，組裝成電池芯，電池芯經(jīng)過壓縮成型，置于鋁塑膜的凹槽中，進(jìn)行兩邊封口，然后真空除濕、注液，第三邊假封口，對電池進(jìn)行充電化成，最后進(jìn)行第三邊封口，形成成品電池。
圖2是本工藝制備的袋式鋰離子電池的外觀圖。袋式電池的外包裝是鋁塑復(fù)合膜。電池的正負(fù)極極片分切后，焊上帶有熱熔膠2的導(dǎo)電極耳1a，b，熱熔膠2的材料為聚丙烯或聚乙烯，將正極與負(fù)極之間用隔膜分開，卷繞成圖4所示的電池芯7，經(jīng)過壓縮成形后，放入圖3所示的鋁塑殼體的凹槽5中，進(jìn)行兩邊熱封形成電池的邊4，然后經(jīng)過干燥、注液、化成等步驟形成電池3。
如圖3所示，本發(fā)明技術(shù)工藝的鋰離子電池包裝袋采用沖壓模具在鋁塑復(fù)合膜6上利用機(jī)械沖壓的原理將鋁塑復(fù)合膜6進(jìn)行拉伸，形成凹槽5，在拉伸時，為防止鋁塑復(fù)合膜6遭到破壞，要對鋁塑膜進(jìn)行保護(hù)。拉出的凹槽5用于放置電池芯體7，然后通過折疊，熱封形成袋式電池外殼。
如圖4所示，本發(fā)明技術(shù)工藝制備的鋰離子電池的電池芯體由正極極片、負(fù)極極片和隔膜組成。隔膜在正極片和負(fù)極片之間，然后按照一定的放置順序進(jìn)行卷繞形成電池主體7，電池主體7上有終止膠帶8，用于電池主體的固定，在正、負(fù)極極片的基體上附加有電極的引出端1a，b作為極耳，極耳上帶有熱熔膠2，卷繞后的電池芯體的兩個極耳位于電池芯體中心兩邊的位置。
如圖5所示，本發(fā)明中使用的正負(fù)極引出端子由電流引出體1a，b和熱熔膠2兩部分組成。電流引出體1a，b的材料為金屬鋁或金屬鎳，熱熔膠的材料可以是聚丙烯，也可以是聚乙烯。
如圖6所示，本發(fā)明中使用的電池極耳絕緣膠帶由絕緣基材14和粘結(jié)膠15兩部組成。絕緣基材14是經(jīng)過特殊處理的耐高溫、耐熱、穩(wěn)定性好的聚酰亞胺類薄膜，粘結(jié)膠15是特別配制的耐鋰離子電池電解液的膠水。
如圖7所示，本發(fā)明制備的電池中，正極片由正極膜10和導(dǎo)電基體11組成，負(fù)極片由負(fù)極膜12和導(dǎo)電基體13組成，在正極基體11和負(fù)極基體13上引出導(dǎo)電極耳1a，b，導(dǎo)電極耳與負(fù)極基體的聯(lián)接部分用絕緣膠帶保護(hù)，在正極與負(fù)極之間用隔膜9隔開，形成負(fù)極/隔膜/正極極/隔膜/負(fù)極相間的結(jié)構(gòu)。
正極的制備將89份(重量比)的LiCoO2、6份的導(dǎo)電石墨混合均勻后，加入5份已被有機(jī)溶劑氮甲基吡咯烷酮(NMP)溶解的粘結(jié)劑PVDF，采用機(jī)械攪拌成均勻的正極漿料，然后涂布在如圖7所示的導(dǎo)電基體鋁箔11上，經(jīng)過烘干，碾壓，裁減成一定尺寸的正極片。極片厚度為170μm。
負(fù)極的制備將94份的負(fù)極材料MCMB與6份已被有機(jī)溶劑氮甲基吡咯烷酮(NMP)溶解的粘結(jié)劑PVDF中，在攪拌釜中攪拌成均勻的負(fù)極漿料，然后涂布在圖7所示的導(dǎo)電基體銅箔13上，經(jīng)過烘干、碾壓、裁減，制成一定尺寸的負(fù)極片。極片厚度為170μm。
如圖4所示將裁減好的正負(fù)極極片焊上電池極耳1a，b后，在電池的正負(fù)極之間放入隔膜9，按照一定的順序卷繞成電池芯7，然后用膠帶8固定電池芯7。卷繞成的電池芯中，電池極耳1a，b位于電池芯體的中心兩側(cè)。
將卷繞成的電池芯放在平板液壓機(jī)上，通過一定的程控過程，對電池芯進(jìn)行成型，特定程控過程的實施有效的對電池芯進(jìn)行了壓縮成型，讓電池芯體的正極11、隔膜9、負(fù)極13有效的接觸，降低了電池的內(nèi)阻，電池芯體7不會變形。
根據(jù)電池芯體7的尺寸，設(shè)計合適的沖槽模具，對電池的外包裝殼鋁塑復(fù)合膜6進(jìn)行沖槽，沖出來的凹槽5深度為4mm。
將壓縮成型的電池芯7放入殼體槽5中，進(jìn)行兩邊封口，然后將電池進(jìn)行真空干燥后，注入有機(jī)電解液1M LiPF6EC-DEC-DMC有機(jī)電解液，真空吸收，進(jìn)行假封口，然后經(jīng)過化成后，進(jìn)行最后電池封口成型。
此時組裝的電池重量為17.5克，厚度為6mm，容量為700mAh，重量比能為148Wh/Kg，大電流放電時1C5A放電能放出95％以上的容量，電池循環(huán)500次以后不變形、不氣脹，有良好的循環(huán)性能。
負(fù)極的制備將90份的負(fù)極材料石墨、5份導(dǎo)電劑乙炔黑與5份已被有機(jī)溶劑氮甲基吡咯烷酮(NMP)溶解的粘結(jié)劑PVDF中，在攪拌釜中攪拌成均勻的負(fù)極漿料，然后涂布在導(dǎo)電基體銅箔13上，經(jīng)過烘干、碾壓、裁減，制成一定尺寸的負(fù)極小片，極片上有極耳引出端。極片厚度為120μm。
將裁減好的正負(fù)極極片之間置入隔膜，采用層層疊片的方式組裝電池芯7，然后用膠帶固定電池芯7，焊上電池極耳1a，b，電池極耳分別位于電池芯體的兩側(cè)。
將電池芯7放在平板液壓機(jī)上，通過一定的程控過程，對電池芯7進(jìn)行壓縮固定成型，讓電池芯體的正極11、隔膜9、負(fù)極13有效的接觸，降低了電池的內(nèi)阻，電池芯體不會變形。
根據(jù)電池芯體7的尺寸，設(shè)計合適的沖槽模具，對電池的外包裝殼鋁塑復(fù)合膜6進(jìn)行沖槽，沖出來的凹槽5深度為2mm。
將壓縮成型的電池芯7放入殼體槽5中，進(jìn)行兩邊封口，然后將電池進(jìn)行真空干燥后，注入有機(jī)電解液1M LiPF6EC-DEC-DMC有機(jī)電解液，真空吸收，進(jìn)行假封口，然后經(jīng)過化成后，進(jìn)行最后電池封口成型。
此時組裝的電池重量為4.5克，厚度為3mm，容量為200mAh，重量比能為164Wh/Kg，大電流放電時1C5A放電能放出95％以上的容量，電池多次循環(huán)以后不變形、不氣脹。
權(quán)利要求
1.一種袋式鋰離子電池的制備方法，包括如下步驟(1)正極極片的制備將正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電物質(zhì)、粘結(jié)劑、溶劑攪拌、混合成均勻漿料，然后將其涂布在導(dǎo)電基體上，經(jīng)干燥、碾壓成形，分切；(2)負(fù)極極片的制備將負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、溶劑攪拌、混合成均勻漿料，然后將其涂布在導(dǎo)電基體上，經(jīng)干燥、碾壓成形，分切；(3)電池芯體的制備在正極及負(fù)極的導(dǎo)電基體上焊接極耳，在極耳與導(dǎo)電基體的聯(lián)接部位加絕緣膠帶，在正、負(fù)極間置入隔膜，繞成或疊成電池芯體，用特定膠帶固定；(4)將具有延展、拉伸、定型功能的材料作為電池的外殼材料，通過模具的強力壓延和拉伸作用，形成可容納電池芯體的凹槽；(5)電池芯體成型將組裝成功的電池芯體置入壓力機(jī)上通過芯施壓的方式對電池芯體進(jìn)行壓縮定型；(6)電池組裝將成型的電池芯體置入包裝袋的凹槽中，進(jìn)行兩邊熱熔封口，真空干燥，注入液態(tài)有機(jī)電解液，進(jìn)行化成、封口，形成電池。
2.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于所述的電池外殼的材料為鋁塑復(fù)合膜，該膜由內(nèi)到外包括粘接層、鋁膜層、外保護(hù)層；粘結(jié)層的主要成分是聚乙烯或聚丙烯，保護(hù)層為多層結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于所述的正極極耳為鋁帶。
4.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于所述的負(fù)極極耳為鎳帶。
5.如權(quán)利要求3或4所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于所述的極耳上帶有熱熔膠，熱熔膠材料為聚乙烯或聚丙烯。
6.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于在所述的導(dǎo)電基體與極耳的焊接處有絕緣膠帶。
7.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于在所述的電池組裝過程中注入電解液后先假焊然后化成。
8.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于，正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電物質(zhì)、粘結(jié)劑的重量配方為活性物質(zhì)70-90％，導(dǎo)電劑25-5％，粘結(jié)劑3-7％。
9.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于，負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電物質(zhì)、粘結(jié)劑的重量配方為活性物質(zhì)80-95％，導(dǎo)電劑0-15％，粘結(jié)劑5-12％。
10.如權(quán)利要求1或8所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于所述的正極極片的活性材料從LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2中選取。
11.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于所述的負(fù)極活性材料從MCMB、人工石墨和天然石墨中選取。
12.如權(quán)利要求1、8或9所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于所述的導(dǎo)電劑從乙炔黑、導(dǎo)電石墨中選?。凰龅恼辰Y(jié)劑為聚偏氟乙烯系列。
13.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于所述的液態(tài)有機(jī)電解液為1M LiPF6的EC、DEC、DMC溶液及他們的混合液。
14.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于在正、負(fù)極極片制備過程中烘干時采用程序控溫進(jìn)行分段加溫。
15.如權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池的制備方法，其特征在于在正、負(fù)極極片制備過程中的漿料混合采用研磨式混合。
16.一種權(quán)利要求1所述的袋式鋰離子電池制備方法制備的袋式鋰離子電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及袋式鋰離子電池的制備方法及由該方法制得的電池。袋式鋰離子電池由帶有凹槽的鋁塑復(fù)合膜包裝袋、正極片、負(fù)極片、隔膜、極耳和電解液組成，袋式鋰離子電池的制備方法由電池芯容器的形成、正負(fù)極極片的制備、電池芯的制備成型、電池注液、封口、化成等工藝組成，該制備方法具有操作簡單、對環(huán)境要求不高、能降低電池的成本，同時采用該工藝方法能制備不同形狀、不同厚度的鋰離子電池。由該工藝方法生產(chǎn)的袋式鋰離子電池具有能量密度高、重量輕、電池的體積小、能大電流放電、循環(huán)性能好的特點，同時電池的安全性能也得到提高。
文檔編號H01M10/38GK1457113SQ0313705
公開日2003年11月19日 申請日期2003年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者萬傳云, 王志偉, 付春水, 蘇盛, 甘健龍, 張清順, 江志裕, 丁曦明, 陳永心, 陳米茂 申請人:福建南平南孚電池有限公司