CN112687842A - 一种双极性电极及电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种双极性电极，包括复合双极性集流体、正极材料、负极材料和两个导电密封膜；复合双极性集流体包括基膜以及涂覆在基膜两侧的第一导电层、第二导电层，正极材料、负极材料分别贴附在第一导电层、第二导电层上；导电密封膜包括密封导电层和聚合物层，两个导电密封膜分别设置在复合双极性集流体两端并且导电密封膜的密封导电层两端分别与第一导电层、第二导电层连接，聚合物层包裹在密封导电层外侧并且聚合物层位于密封导电层两侧均设有留白区，聚合物层两侧的留白区分别与第一导电层、第二导电层连接。本发明引入导电密封膜，能够将复合双极性集流体两侧的第一导电层、第二导电层连接，减小复合双极性集流体的内阻。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种双极性电极及电池。
背景技术
双极性电池是在复合双极性集流体两边面分别涂覆不同极性的活性物质，并通过单元串联叠加的方式构成电池，这种电池具有高电压、高能量密度、过流能力高的特点。作为双极性电池的重要组成部分，复合双极性集流体一般采用的是将铜箔、铝箔直接复合得到的铜铝复合箔，但是铜铝复合箔的厚度都较大，无法实现轻质化的要求。因此一种在绝缘聚合物膜两表面复合金属箔材所得到的复合双极性集流体应运而生，由于复合双极性集流体是以绝缘聚合物膜为基膜的，其在重量上更有优势，但是这种基膜是绝缘的，无法形成电子通道。
此外，在双极性电池中，每个电池单元内都进行独立的电化学反应，如果电池单元的密封性不好，很容易引起电解液的泄露，进而造成相邻电池单元之间的液接，影响电池的整体性能。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种双极性电极及电池。
本发明提出的一种双极性电极，包括复合双极性集流体、正极材料、负极材料和两个导电密封膜；复合双极性集流体包括基膜以及涂覆在基膜两侧的第一导电层、第二导电层，正极材料、负极材料分别贴附在第一导电层、第二导电层上；导电密封膜包括密封导电层和聚合物层，两个导电密封膜分别设置在复合双极性集流体两端并且导电密封膜的密封导电层两端分别与第一导电层、第二导电层连接，聚合物层包裹在密封导电层外侧并且聚合物层位于密封导电层两侧均设有留白区，聚合物层两侧的留白区分别与第一导电层、第二导电层连接。
优选的，密封导电层通过焊接的方式与第一导电层、第二导电层连接。
优选的，密封导电层的厚度为0.01-5μm；优选的，密封导电层的厚度为0.5-1.5μm。
优选的，密封导电层的导电材料为金、银、铜、铝、锌、铁、镍、石墨颗粒中的一种或多种；优选的，在聚合物层上采用真空蒸镀、磁控溅射、离子镀、电沉积或涂布导电材料方式形成密封导电层。
优选的，聚合物层的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺中的一种，聚合物层的厚度为1-30μm；优选的，聚合物层的厚度为5-15μm。
优选的，复合双极性集流体的厚度为1-50μm；优选的，复合双极性集流体的厚度为3-20μm。
优选的，复合双极性集流体的基膜的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺中的一种；基膜的厚度为1-20μm；优选的，基膜的厚度为3-8μm。
优选的，第一导电层的材质为金属铝，第二导电层的材质为金属铜、镍中的一种或两种；优选的，在基膜上通过真空蒸镀、磁控溅射、离子镀或电沉积方式形成第一导电层、第二导电层；优选的，第一导电层、第二导电层的厚度为0.01-5μm并且第一导电层的厚度大于或等于第二导电层的厚度。
优选的，正极材料与第一导电层之间设置有厚度为0.01-2μm的第一导电涂层，负极材料与第二导电层之间设置有厚度为0.01-2μm的第二导电涂层；优选的，第一导电涂层、第二导电涂层的材质为导电炭黑、石墨烯、碳纳米管、乙炔黑中的一种或多种。
本发明还提出一种双极性电池，包括隔膜、电解液、导电密封膜、正极集流板、负极集流板、铝塑膜，还包括多个如权利要求1-9中任一项所述的双极性电极，多个双极性电极依次并排堆叠，任意相邻两个双极性电极端部的导电密封膜的聚合物层通过热压的方式形成一体。
本发明提出的一种双极性电极，引入导电密封膜，能够将复合双极性集流体两侧的第一导电层、第二导电层连接，从而解决了复合双极性集流体两侧导电层不导通的问题，减小复合双极性集流体的内阻。本发明提出的一种双极性电池，导电密封膜作为密封构件，能够有效将每个电池单元密封起来，防止了单个电池单元电解液的渗漏以及与相邻电池单元的电解液连接。
附图说明
图1为本发明提出的一种双极性电极的一种结构示意图；
图2为本发明提出的一种双极性电极的另一种结构示意图；
图3为本发明提出的一种双极性电极中导电密封膜的结构示意图；
图4为本发明提出的一种双极性电池的结构示意图。
具体实施方式
参照图1-图4，本发明提出一种双极性电极及电池，包括复合双极性集流体1、正极材料2、负极材料3和两个导电密封膜4；其中：
复合双极性集流体1包括基膜11以及涂覆在基膜11两侧的第一导电层12、第二导电层13，正极材料2、负极材料3分别贴附在第一导电层12、第二导电层13上。导电密封膜4包括密封导电层41和聚合物层42，两个导电密封膜4分别设置在复合双极性集流体1两端并且导电密封膜4的密封导电层41两端分别与第一导电层12、第二导电层13连接，聚合物层42包裹在密封导电层41外侧并且聚合物层42位于密封导电层41两侧均设有留白区，聚合物层42两侧的留白区分别与第一导电层12、第二导电层13连接。
本发明导电密封膜4的引入，能够将复合双极性集流体1两侧的第一导电层12、第二导电层13连接，减小复合双极性集流体1的内阻。
在本实施方式中，密封导电层41通过焊接的方式与第一导电层12、第二导电层13连接。焊接方式超声波焊接、激光焊接或脉冲焊接中的一种，优选超声波焊接。焊接的实现形式可以是点焊或者滚焊，焊印至少有两排，焊印的宽度W≥3mm。
在本实施方式中，密封导电层41的厚度为0.01-5μm，优选为0.5-1.5μm。密封导电层41的导电材料为金、银、铜、铝、锌、铁、镍、石墨颗粒中的一种或多种。在聚合物层42上采用真空蒸镀、磁控溅射、离子镀、电沉积或涂布导电材料方式形成密封导电层41。
在本实施方式中，聚合物层42的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺中的一种，聚合物层42的厚度为1-30μm，优选为5-15μm。
在本实施方式中，复合双极性集流体1的厚度为1-50μm，优选为3-20μm。
在本实施方式中，复合双极性集流体1的基膜11的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺中的一种，这样的基膜11具有更小的重量，有利于电池能量密度的提升，且所形成的复合双极性集流体1具有良好的机械强度，能够保证电极极片的稳定性。基膜11的厚度影响着其机械强度，当基膜11厚度太小时，其机械强度会受到影响；当基膜11厚度太大时，对电池能量密度的提升不利。本实施例中基膜11的厚度为1-20μm；优选的，基膜11的厚度为3-8μm。
第一导电层12和第二导电层13的极性是相对的，一般来说第一导电层12的材质为金属铝，第二导电层13的材质为金属铜、镍中的一种或两种。在基膜11上通过真空蒸镀、磁控溅射、离子镀或电沉积方式形成第一导电层12、第二导电层13。
导电层的厚度直接影响着复合双极性集流体1的导电性，当导电层的厚度较大时，复合双极性集流体1的导电性会得到提升，但是对电池能量密度的提升却不利。当导电层的厚度较小时，复合双极性集流体1的导电性会变差。第一导电层12和第二导电层13的厚度可以相同或者不同。第一导电层12、第二导电层13的厚度为0.01-5μm并且第一导电层12的厚度大于或等于第二导电层13的厚度。
在具体实施方式中，形成正极材料2和负极材料3层使用的材料为锂离子电池制造过程中所使用的常规材料，正极材料2包括正极活性材料、导电材料和粘结剂，根据不同需要，还可以有相应的添加剂，正极活性材料可以是锰酸锂、钴酸锂、铁酸铁锂、三元材料等中的一种。负极材料3包括负极活性材料、导电材料和粘结剂，根据不同需要，还可以有相应的添加剂，负极活性材料可以是钛酸锂、石墨、硅碳负极、锂金属等中的一种。
在具体实施方式中，正极材料2与第一导电层12之间设置有厚度为0.01-2μm的第一导电涂层，负极材料3与第二导电层13之间设置有厚度为0.01-2μm的第二导电涂层。导电涂层能够降低复合双极性集流体1和正极材料2层或负极材料3层之间的电阻，提高电子的传导效率。第一导电涂层、第二导电涂层的材质为导电炭黑、石墨烯、碳纳米管、乙炔黑中的一种或多种。
参照图4，本发明还提出一种双极性电池，包括隔膜5、电解液、导电密封膜4、正极集流板6、负极集流板7、铝塑膜8，还包括多个上述双极性电极，多个双极性电极依次并排堆叠，任意相邻两个双极性电极端部的导电密封膜4的聚合物层42通过热压的方式形成一体。其中隔膜5、电解液、密封胶体、正极集流板6、负极集流板7、铝塑膜8等均为双极性电池制造过程中所使用的常规材料，研究人员可以根据实际需求进行选择。导电密封膜4将每个电池单元密封起来，防止了单个电池单元电解液的渗漏以及与相邻电池单元的电解液连接。
下面结合具体实施例进行进一步阐述本发明。
实施例
1.双极性电极的制备
复合双极性集流体的选取：基膜的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，选用厚度为8μm，第一导电层为镀铝层，厚度为0.8μm，第二导电层为镀铜层，厚度为0.8μm，镀层是通过真空蒸镀的方式形成的。
取三元活性材料NCM622、导电剂CNTs、粘结剂PVDF按照97.3:1.5:1.2的比例加入到有机溶剂NMP中，均匀搅拌后得到正极浆料。将石墨、导电剂SP、粘结剂CMC、SBR按照96.4:0.7:1.4:1.5的比例加入到去离子水中，均匀搅拌后得到负极浆料。
将正极浆料均匀涂覆在复合双极性集流体第一导电层表面，再将负极浆料均匀地涂覆在在复合双极性集流体第二导电层表面，正极单面面密度为195.1g/m2，负极单面面密度为110.5g/m2。在100℃烘箱内进行12小时真空烘烤。然后在进行辊压、分切、激光切或模切便得到双极性电极极片。
选取导电密封膜，聚合物层选择为PET膜，厚度为12μm，密封膜导电层为镀铝层，是通过真空蒸镀的方式形成的，其厚度为0.75μm。将密封膜导电层朝里形成U型状，包裹住复合双极性集流体的导电层，两者通过超声波焊接连接在一起。焊接通过滚焊的方式进行，焊印有两排，焊印的宽度为5mm。此时导电密封膜的聚合物层在密封膜导电层的外侧，且聚合物层的边缘留白区与分别与复合双极性集流体的第一导电层和第二导电层连接。
2.双极性电池的制备
将焊接有导电密封膜的双极性电极、隔膜相互交替进行叠片，双极性电极上的正极材料层、隔膜、电解液和相邻双极性电极上的负极材料层形成一个电池单元，每个电池包括四个这样的电池单元。导电密封膜的聚合物层与相邻的导电密封膜的聚合物层相接触，电池单元内注入电解液后，相邻的密封胶体受热压后粘结在一起，将每个电池单元密封起来。正负极分别由正极集流板和负极集流体板分别从铝塑膜包装中引出，随后经过封装、化成等工序，完成电池的制备。
各实施例中复合双极性集流体的参数如表1所示，可以看出当使用导电密封膜将复合双极性集流体两侧的导电层连接后，复合双极性集流体的方阻是降低的，且第一导电层的厚度越大，复合双极性集流体的方阻就越小。
表1
使用编号3的集流体进行电极和电池的制作，将制作好的电池进行常温循环测试，倍率为1C，电压范围为12.0-16.8V。在循环过程中对电池的密封性进行评测：对循环一定次数的电池进行拆解，观察电池内部边缘密封部位是否发生发生电解液的泄露。结果表明，使用3号集流体制作的电池，在进行1000次的循环后，电池内部边缘密封部位依然保持良好的密封性，并没有发现电解液的泄露。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双极性电极，其特征在于，包括复合双极性集流体、正极材料、负极材料和两个导电密封膜；复合双极性集流体包括基膜以及涂覆在基膜两侧的第一导电层、第二导电层，正极材料、负极材料分别贴附在第一导电层、第二导电层上；导电密封膜包括密封导电层和聚合物层，两个导电密封膜分别设置在复合双极性集流体两端并且导电密封膜的密封导电层两端分别与第一导电层、第二导电层连接，聚合物层包裹在密封导电层外侧并且聚合物层位于密封导电层两侧均设有留白区，聚合物层两侧的留白区分别与第一导电层、第二导电层连接。
2.根据权利要求1所述的双极性电极，其特征在于，密封导电层通过焊接的方式与第一导电层、第二导电层连接。
3.根据权利要求1所述的双极性电极，其特征在于，密封导电层的厚度为0.01-5μm；优选的，密封导电层的厚度为0.5-1.5μm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的双极性电极，其特征在于，密封导电层的导电材料为金、银、铜、铝、锌、铁、镍、石墨颗粒中的一种或多种；优选的，在聚合物层上采用真空蒸镀、磁控溅射、离子镀、电沉积或涂布导电材料方式形成密封导电层。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的双极性电极，其特征在于，聚合物层的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺中的一种，聚合物层的厚度为1-30μm；优选的，聚合物层的厚度为5-15μm。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的双极性电极，其特征在于，复合双极性集流体的厚度为1-50μm；优选的，复合双极性集流体的厚度为3-20μm。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的双极性电极，其特征在于，复合双极性集流体的基膜的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺中的一种；基膜的厚度为1-20μm；优选的，基膜的厚度为3-8μm。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的双极性电极，其特征在于，第一导电层的材质为金属铝，第二导电层的材质为金属铜、镍中的一种或两种；优选的，在基膜上通过真空蒸镀、磁控溅射、离子镀或电沉积方式形成第一导电层、第二导电层；优选的，第一导电层、第二导电层的厚度为0.01-5μm并且第一导电层的厚度大于或等于第二导电层的厚度。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的双极性电极，其特征在于，正极材料与第一导电层之间设置有厚度为0.01-2μm的第一导电涂层，负极材料与第二导电层之间设置有厚度为0.01-2μm的第二导电涂层；优选的，第一导电涂层、第二导电涂层的材质为导电炭黑、石墨烯、碳纳米管、乙炔黑中的一种或多种。
10.一种双极性电池，包括隔膜、电解液、导电密封膜、正极集流板、负极集流板、铝塑膜，其特征在于，还包括多个如权利要求1-9中任一项所述的双极性电极，多个双极性电极依次并排堆叠，任意相邻两个双极性电极端部的导电密封膜的聚合物层通过热压的方式形成一体。
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