CN105406008B - 一种固态聚合物锂离子电池电芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态聚合物锂离子电池电芯，由电池电芯固聚而成，所述电池电芯包括正极片和负极片，所述正极片和所述负极片之间设置有隔膜，所述隔膜包括多孔基材和涂覆于所述多孔基材两侧的复合材料层，所述复合材料层由PMMA和三氧化二铝混合后经涂覆而成，所述PMMA和所述三氧化二铝的重量比为2:3。本发明的复合材料层可增加正极片、负极片与隔膜之间的粘合性能，同时有效提升固态聚合物锂离子电池电芯的安全性能。本发明还提供一种该固态聚合物锂离子电池电芯的制备方法，通过整形夹具对锂离子电池电芯进行固聚处理，增加了锂离子电池电芯的硬度。
Description
技术领域
本发明属于电池领域，具体涉及一种固态聚合物锂离子电池电芯及其制备方法，适用于各类数码产品所应用固态聚合物电池的生产技术领域。
背景技术
固态聚合物电池一直是数码产品使用的高端产品，其优越的电性能一直受到，随着环境问题的日益显著，固态聚合物锂离子电池作为一直比能量高，循环寿命长且环境污染小的新型能源，在一些高端数码产品上，运用领域也已经逐渐取代常规的聚合物电池，但是常规的固态聚合物锂离子电池在外观硬度方面，尤其是电池内部的极片与隔膜直接的聚合效果，一直是电池制造商所困惑的问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种固态聚合物锂离子电池电芯，该固态聚合物锂离子电池电芯具有优良的外观硬度和内部粘合性能。
本发明的另一个目的在于提供一种上述固态聚合物锂离子电池电芯的制备方法，以进一步提升固态聚合物锂离子电池电芯的外观硬度和内部粘合性能，可进一步提高锂离子电池倍率、循环寿命及安全性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种固态聚合物锂离子电池电芯，由锂离子电池电芯固聚而成，所述锂离子电池电芯包括正极片和负极片，所述正极片和所述负极片之间设置有隔膜，所述隔膜包括多孔基材和涂覆于所述多孔基材两侧的复合材料层，所述复合材料层由PMMA和三氧化二铝混合后经涂覆而成，所述PMMA和所述三氧化二铝的重量比为2:3。
作为固态聚合物锂离子电池电芯的优选方案，所述多孔基材的孔隙率为42~47%。
作为固态聚合物锂离子电池电芯的优选方案，所述复合材料层的厚度为1.5μm。
本发明还提供一种上述固态聚合物锂离子电池电芯的制备方法，该制备方法提供整形夹具，并采用所述整形夹具对锂离子电池电芯进行固聚处理。
上述制备方法包括以下步骤：
S100、按重量比将所述PMMA和所述三氧化二铝的混合物涂覆于所述多孔基材的表面，制得所述隔膜；
S200、将所述隔膜置于所述正极片和所述负极片之间，通过卷芯制得所述锂离子电池电芯；
S300、将充电处理后的电池电芯装填在所述整形夹具上进行整形处理，制得整形后的电池电芯；
S400、将装有整形后的锂离子电池电芯的整形夹具依次进行烘烤、冷却处理，制得所述固态聚合物锂离子电池电芯。
所述烘烤的温度为85℃，所述烘烤的时间为4h。
所述冷却的温度为不大于10℃，所述冷却的时间为2h。
上述制备方法中所用到的所述整形夹具包括相互平行的底板和顶板，所述底板的四角对称设置有四个支撑杆，所述底板通过所述支撑杆与所述顶板连接，所述顶板和所述底板之间且邻近所述顶板设置有可沿所述支撑杆移动的压合组件，所述顶板中心设置有选择性对所述压合组件施压的施压部，所述压合组件与所述底板之间可拆卸设置有夹板，夹板可沿所述支撑杆的方向运动。
具体地，所述压合组件包括两块平行且间隔设置的第一压板和第二压板，所述第一压板和所述第二压板的四角分别设置有与所述支撑杆相配合的连接孔，所述第一压板和所述第二压板之间均匀设置有若干弹性限位装置。
具体地，所述弹性限位装置包括限位柱，所述限位柱穿过所述第一压板并与所述第二压板连接，所述限位柱上套设有弹簧，所述第一压板可沿所述限位柱移动。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在正极片和负极片之间设置隔膜，隔膜包括多孔基材和涂覆于所述多孔基材两侧的复合材料层，复合材料层由重量比为2:3的PMMA和三氧化二铝混合后经涂覆而成，该复合材料层可增加正极片、负极片与隔膜之间的粘合性能，同时有效提升固态聚合物锂离子电池电芯的安全性能。本发明还提供一种该固态聚合物锂离子电池电芯的制备方法，通过整形夹具对锂离子电池电芯进行固聚处理，增加了固态聚合物锂离子电池电芯的硬度。
附图说明
图1为本发明实施例所述的固态聚合物锂离子电池电芯的剖视图。
图2为本发明实施例所述的整形夹具的结构示意图。
图3为本发明实施例所述的整形夹具装上充电后的锂离子电池电芯的示意图。
图1中 ：
100、正极片；200、负极片；300、隔膜；310、多孔基材；320、复合材料层。
图2、3中：
1、底板；2、顶板；3、支撑杆；4、压合组件；41、第一压板；42、第二压板；43、弹性限位装置；431、限位柱；432、弹簧；5、施压部；6、夹板；
400、充电锂离子电池电芯。
具体实施方式
下面结合附图1~2并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
图1为本发明实施例提供的固态聚合物锂离子电池电芯的示意图。如图1所示，本实施例提供一种固态聚合物锂离子电池电芯，由锂离子电池电芯固聚而成，锂离子电池电芯包括正极片100和负极片200，正极片100和负极片200之间设置有隔膜300，隔膜300包括多孔基材310和涂覆于多孔基材310两侧的复合材料层320，复合材料层320由PMMA和三氧化二铝混合后经涂覆而成，PMMA和三氧化二铝的重量比为2:3。本发明在正极片100和负极片200之间设置隔膜300，隔膜300包括多孔基材310和涂覆于多孔基材310两侧的复合材料层320，复合材料层320由PMMA和三氧化二铝混合后经涂覆而成，该复合材料层320可有效增加正极片、负极片与隔膜之间的粘合性能，同时有效提升固态聚合物锂离子电池电芯的安全性能。
多孔基材310的孔隙率为42~47%；本实施例的多孔基材310是采用湿法中的双拉工艺制得的高孔隔膜用基材，其可以与复合材料层完美地粘合在一起。
本实施例中的复合材料层320的厚度为1.5μm。
本实施例还提供一种固态聚合物锂离子电池电芯的制备方法，提供整形夹具，采用整形夹具对锂离子电池电芯进行固聚处理。通过采用整形夹具对锂离子电池电芯进行固聚整形处理，使整形后制得的固态聚合物锂离子电池电芯具有良好的外观硬度。
上述制备方法具体包括以下步骤：
S100、按重量比将PMMA和三氧化二铝的混合物涂覆于多孔基材的表面，制得隔膜；
本步骤中PMMA和三氧化二铝的重量比为（1~8）：（1~10），优选为2:3。PMMA为颗粒状材料，其粘结性能强，能很好的黏结到隔膜上，又不会堵塞隔膜孔径，提升了离子穿梭性能，改善了PVDF涂覆后孔隙率不均匀问题，在一定程度上可提升电池倍率及循环性能；三氧化二铝作为一种无机物，具有很高的热稳定性及化学惰性，在180℃以上还能保持完整的形状，且氧化纯度高，无杂质，与电解液有很好的相容性及浸润性，氧化铝层可中和电解液中游离的HF，有效的提升电池安全性能问题；提升电池酸碱性，及安全性能；本步骤中，按重量比将PMMA和三氧化二铝混合搅拌均匀，然后采用双面涂覆工艺将该混合物涂覆于孔隙率为42~47%的多孔基材310的表面。常规的PVDF涂覆隔膜，虽然有良好的电化学稳定性，良好的电解液亲和性，以及优秀的机械性能使得PVDF很适合用来作为固体电池使用隔膜做涂覆材料，但是PVDF中晶区的存在限制离子的传导性，导致影响固态聚合物锂离子电池的循环寿命及倍率性能。而本发明将PMMA和三氧化二铝混涂，PMMA和三氧化二铝之间可产生协同作用，作为上述复合材料层320，可以进一步增强隔膜与正极片、负极片之间的粘结强度，同时提高锂离子电池电芯的安全性能。
S200、将隔膜置于正极片和负极片之间，通过卷芯制得锂离子电池电芯；卷芯制得锂离子电池电芯本发明技术领域的现有技术，在此不再赘述。
S300、将充电处理后的锂离子电池电芯装填在整形夹具上进行整形处理，制得整形后的锂离子电池电芯；
本步骤中所采用的整形夹具的结构如图2、3所示。该整形夹具包括相互平行的底板1和顶板2，底板1的四角对称设置有四个支撑杆3，底板1通过支撑杆3与顶板2连接，顶板2和底板1之间且邻近顶板2设置有可沿支撑杆3移动的压合组件4，顶板2中心设置有选择性对压合组件4施压的施压部5，压合组件4与底板1之间可拆卸设置有夹板6，夹板6可沿支撑杆的方向运动。该整形夹具中，支撑杆3的设置需要根据产品进行选择，一般来说在保证支撑强度的前提下，支撑杆3的数量要尽可能的少。底板1和顶板2分别与支撑杆3的两端固定连接，用于限定压合组件4的移动位移。本实施例中的支撑杆3的数量为四个，四个支撑杆3竖直排列，可以保证其具有足够的支撑强度。压合组件4在施压部5的作用下可沿支撑杆3向下移动，对设置于夹板6之间以及夹板6与底板1之间的充电锂离子电池电芯进行施压，将其压紧。
压合组件4包括两块平行且间隔设置的第一压板41和第二压板42，第一压板41和第二压板42的四角分别设置有与支撑杆3相配合的连接孔（图中未示出），第一压板41和第二压板42之间均匀设置有若干弹性限位装置43。本实施例中的第二压板42上的连接孔与支撑杆3连接的位置还设置有定位部（图中未示出），在压合组件4没有受到施压部5的压力时，该定位部可以使第二压板42固定在支撑杆3上。第一压板41和第二压板42可以将其受到的施压部5的压力均匀地向底板1一侧传递。弹性限位装置43对压合组件4受到的压力起缓冲的作用，防止实力不均而导致充电锂离子电池电芯整形失败。
上述弹性限位装置43包括限位柱431，限位柱431穿过第一压板41并与第二压板42连接，限位柱431上套设有弹簧432，第一压板41可沿限位柱431移动。在本实施例中，限位柱431为弹簧432的运动提供支撑，避免弹簧432受到压力时侧翻而产生非垂直方向的变形。弹簧432则主要用于对上述施压部5施加的压力进行均分和缓冲，防止由于实力不均而导致整形失败。本实施例中的限位柱431沿竖直方向设置，其数量为八个，八个限位柱431均匀地固定在第二压板42上，另一端穿过第一压板41，弹簧432的数量也为八个，分别套设与每一根限位柱431上，第一压板41可沿竖直方向可移动地安装于该限位柱431上，此外，第一压板41的四角与四个支撑杆3活动连接，从而保证能够将施压部5施加的压力向限位柱431和弹簧432进行传递。
施压部5的设置情况多种多样，原则是能够对压合组件4施加所需要的压力。在本实施例中，施压部5与顶板2通过螺纹连接，需要施压部5施压的时候，通过旋转施压部5，使得施压部5向下移动，从而对压合组件4进行施压。
装有充电处理后的锂离子电池电芯400后的整形夹具如图3所示。锂离子电池电芯400的装填方法如下：
在底板1上平铺第一层充电锂离子电池电芯400，然后将第一片夹板6压在第一层充电锂离子电池电芯400上；接着在第一片夹板上平铺第二层充电锂离子电池电芯，然后将第二片夹板压在第二层充电锂离子电池电芯400上，重复操作，铺上最后一层充电锂离子电池电芯400后，将压合组件4压在最后一层充电锂离子电池电芯400上，通过施压部5对压合组件4施压，压力首先传递到第一压板41，通过限位柱431和弹簧432的缓冲，将压力平均平稳地传送给第二压板42，再由第二压板42传给最后一层充电锂离子电池电芯400，并依次传递到底板1，通过均匀的压力对充电锂离子电池电芯400进行整形。
S400、将装有整形后的充电里锂离子电池电芯400的整形夹具依次进行烘烤、冷却处理，制得所述固态聚合物锂离子电池电芯；
将整形夹具和夹在其中的充电锂离子电池电芯400一起移动到高温烘烤周转车上，温度设置85℃，烘烤4小时，转入冷却房中，冷却至10℃以下，保持2小时，即完成聚合，制得固态聚合物锂离子电池电芯。
将采用上述实施例的方法制备出来的固态聚合物锂离子电池电芯和市售的常规固态电池进行拆解，发现以下现象：
市售的常规固态电池：负极面只有部分聚合，正极面完全没有聚合；
本发明的固态聚合物锂离子电池电芯：正极与隔膜紧密聚合，负极料完全与隔膜粘合在一起。
上述现象说明采用本发明的制备方法制得的固态聚合物锂离子电池电芯内部具有优良的粘合性能。
此外，本发明的整形夹具能够有效地使电池电芯的内部发生固聚，可以使固态聚合物锂离子电池电芯的强度达到铝壳电芯的强度。本发明的整形夹具实用性强，适用于所有类型的电池电芯。
本发明的上述实施例只是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。在上述说明的基础上，还可以就具体实施结构做其他不同形式的变化，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (2)
1.一种固态聚合物锂离子电池电芯，其特征在于，由锂离子电池电芯固聚而成，所述锂离子电池电芯包括正极片和负极片，所述正极片和所述负极片之间设置有隔膜，所述隔膜包括多孔基材和涂覆于所述多孔基材两侧的复合材料层，所述复合材料层由PMMA和三氧化二铝混合后经涂覆而成，所述PMMA和所述三氧化二铝的重量比为2∶3；
所述多孔基材的孔隙率为42～47％，所述复合材料层的厚度为1.5μm。
2.一种权利要求1所述的固态聚合物锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于，提供整形夹具，采用所述整形夹具对所述锂离子电池电芯进行固聚处理；
所述整形夹具包括相互平行的底板和顶板，所述底板的四角对称设置有四个支撑杆，所述底板通过所述支撑杆与所述顶板连接，所述顶板和所述底板之间且邻近所述顶板设置有可沿所述支撑杆移动的压合组件，所述顶板中心设置有选择性对所述压合组件施压的施压部，所述压合组件与所述底板之间可拆卸设置有夹板，夹板可沿所述支撑杆的方向运动；
所述压合组件包括两块平行且间隔设置的第一压板和第二压板，所述第一压板和所述第二压板的四角分别设置有与所述支撑杆相配合的连接孔，所述第一压板和所述第二压板之间均匀设置有若干弹性限位装置；
所述弹性限位装置包括限位柱，所述限位柱穿过所述第一压板并与所述第二压板连接，所述限位柱上套设有弹簧，所述第一压板可沿所述限位柱移动；
其具体制备步骤为：
S100、按重量比将所述PMMA和所述三氧化二铝搅拌均匀，将其混合物涂覆于所述多孔基材的表面，制得所述隔膜；
S200、将所述隔膜置于所述正极片和所述负极片之间，通过卷芯制得所述锂离子电池电芯；
S300、将充电处理后的锂离子电池电芯装填在所述整形夹具上进行整形处理，制得整形后的锂离子电池电芯；
S400、将装有整形后的锂离子电池电芯的整形夹具依次进行烘烤、冷却处理，制得所述固态聚合物锂离子电池电芯；
所述烘烤的温度为85℃，所述烘烤的时间为4h；
所述冷却的温度为不大于10℃，所述冷却的时间为2h。
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