固態複合鋰電池芯極片及使用該極片的鋰電池芯的製作方法

2023-12-03 22:55:09 2

本實用新型涉及一種電池芯，尤指一種可在高、低溫時保持性能穩定以確保使用安全的固態複合鋰電池芯極片及使用該極片的鋰電池芯。

背景技術：

目前鋰離子電池芯由於具有重量輕，比鋼/鋁殼電池安全係數更高、不易爆炸等原因，因此在部分領域得到快速發展，但其實質上也是更換了包裝的液態鋰離子電池芯。其中，當電池芯處於充電狀態、放電狀態、短路或高溫環境下而使得電池液的溫度升高到達大約75~80℃以上的高溫時，電解質溶液內諸如碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)之類的有機溶劑及部分雜質將會產生諸如氫氣、氧氣及二氧化碳之類的空氣，而形成氣脹及漏液的現象，如此一來，不但會造成電池芯的性能下降，甚至於會產生爆炸現象，而有安全上的疑慮。

並且，一般鋰電池芯內的電極片的工藝大致分為堆棧及卷繞兩種方式，兩者方式都是在陰極片及陽極片之間夾置隔膜紙之後，再重複堆棧或卷繞而成，並在放進殼體之後，注入電解液，最後打鋼珠封口以成型一鋰電池芯。然而，隔膜紙與電解液均不耐高溫、低溫，當電池液的溫度升高到達大約75~80℃以上的高溫時，不但會有氣脹爆炸的危險，且會有在低溫下無法運作的問題。

技術實現要素：

有鑑於此，為了提供一種有別於現有技術的結構，並改善上述的缺點，發明人積多年的經驗及不斷的研發改進，遂有本實用新型的產生。

本實用新型的一目的在於提供一種固態複合鋰電池芯極片及使用該極片的鋰電池芯，將固態電解質塗層與各塗層、片體依序層疊，或將層疊之後的結構卷繞成型，以藉由固態電解質塗層的導電性能穩定及耐高溫、低溫的特性，使在高溫時，能防止產生氣脹、漏液的問題，以確保使用安全，並在低溫環境中能正常運作。

為達上述的目的，本實用新型提供的固態複合鋰電池芯極片包括：一陰極集電片、一第一陰極活性物質塗層、一第一固態電解質塗層、一第一陽極活性物質塗層、一第一導電層、一第一陽極集電片、一第二陰極塗層、一第二固態電解質塗層、一第二陽極塗層、一第二導電層以及一第二陽極集電片。其中，該陰極集電片由一陰極極耳及一陰極集電部組成，陰極集電部具有反向且相對應的第一面及第二面；第一陰極活性物質塗層的一面結合於陰極集電部的第一面上，第一固態電解質塗層、第一陽極活性物質塗層及第一導電層依序層疊於第一陰極活性物質塗層的另一面上；該第一陽極集電片由一第一陽極極耳及一第一陽極集電部組成，第一陽極集電部的一面結合於第一導電層的另一面上。而第二陰極塗層的一面結合於陰極集電部的第二面上，第二固態電解質塗層、第二陽極塗層及第二導電層依序層疊於第二陰極塗層的另一面上；該第二陽極集電片由一第二陽極極耳及一第二陽極集電部組成，第二陽極集電部的一面結合於第二導電層的另一面上。

實施時，陰極集電部的第一面及第二面分別呈長方形。

實施時，第一陽極極耳及第二陽極極耳共同組成一陽極極耳組，陽極極耳組與陰極極耳位於反向的位置。

實施時，本實用新型還包括一第一絕緣層及一第二絕緣層，第一絕緣層結合於陰極集電部的第一面上，第一絕緣層鄰接第一陰極活性物質塗層；而第二絕緣層結合於陰極集電部的第二面上，第二絕緣層鄰接第二陰極塗層。

本實用新型提供的鋰電池芯以長條形的固態複合鋰電池芯極片由第一端朝向第二端的方向卷繞而成，其中，第一端的第一陽極集電部上結合一第一絕緣膠層，第一端的第二陽極集電部上結合一第二絕緣膠層，第二端的第一陽極集電部上結合一第三絕緣膠層，第二端的第二陽極集電部上結合一第四絕緣膠層。

本實用新型不但可以有效提高作業效率以降低製造及組裝成本，在高溫時防止產生氣脹、漏液的問題以確保使用安全，且可在低溫環境中能正常運作以提升效能。並且，在加工作業上相當簡便，在使用上相當具有彈性。

附圖說明

圖1為本實用新型的固態複合鋰電池芯極片的較佳實施例的組件分解圖；

圖2為本實用新型的固態複合鋰電池芯極片的較佳實施例的立體外觀示意圖；

圖3為圖2的A-A』剖面示意圖；

圖4為本實用新型的鋰電池芯的較佳實施例展開時的立體外觀示意圖；

圖5為本實用新型的鋰電池芯的較佳實施例卷繞成型之後的立體外觀示意圖。

附圖標記說明

1 固態複合鋰電池芯極片 11 陰極集電片

111 陰極極耳 112 陰極集電部

113 第一面 114 第二面

12 第一陰極活性物質塗層 13 第一絕緣層

14 第一固態電解質塗層 15 第一陽極活性物質塗層

16 第一導電層 17 第一陽極集電片

171 第一陽極極耳 172 第一陽極集電部

18 第二陰極塗層 19 第二絕緣層

20 第二固態電解質塗層 21 第二陽極塗層

22 第二導電層 23 第二陽極集電片

231 第二陽極極耳 232 第二陽極集電部

24 陽極極耳組 3 鋰電池芯

31 第一端 32 第二端

311 第一絕緣膠層 312 第二絕緣膠層

321 第三絕緣膠層 322 第四絕緣膠層。

具體實施方式

為進一步了解本實用新型，以下根據較佳的實施例，配合附圖、圖號，將本實用新型的具體構成內容及其所達成的功效詳細說明如下：

請參閱圖1~3所示，其為本實用新型的固態複合鋰電池芯極片1的較佳實施例，包括分別呈長條形片狀的一陰極集電片11、一第一陰極活性物質塗層12、一第一絕緣層13、一第一固態電解質塗層14、一第一陽極活性物質塗層15、一第一導電層16、一第一陽極集電片17、一第二陰極塗層18、一第二絕緣層19、一第二固態電解質塗層20、一第二陽極塗層21、一第二導電層22以及一第二陽極集電片23。

該陰極集電片11為鋁箔片，該陰極集電片11由一長條形陰極極耳111及一陰極集電部112組成，其中，該陰極集電部112具有反向且相對應的第一面113及第二面114，第一面113及第二面114分別呈長方形。

第一陰極活性物質塗層12及第二陰極塗層18分別為鋰硫化合物塗層，也可為LiMnO2、LiMn2O4、LiCoO2、Li2Cr2O7、Li2CrO4、LiNiO2、LiFeO2、LiNixCo1-xO2、LiFePO4、LiMn0.5Ni0.5O2、LiMn1/3Co1/3Ni1/3O2、LiMc0.5Mn1.5O4其中的一種或上述物質的組合。

第一絕緣層13及第二絕緣層19分別為絕緣膠或絕緣漆，第一絕緣層13結合於陰極集電部112的第一面113上，並與第一陰極活性物質塗層12鄰接；第二絕緣層19結合於陰極集電部112的第二面114上，並與第二陰極塗層18鄰接。

第一固態電解質塗層14及第二固態電解質塗層20分別為固態分子聚電解質塗層，而該固態分子聚電解質為陶瓷氧化合物，也可為耐高溫、低溫的高分子聚合物，例如：具有由以下通式I表示的重複單元E 1：

其中，該重複單元E 1具有兩個與該重複單元E 1中的兩個個N原子鍵結的側基，L 1及L 2；

L 1及L 2 獨立地表示基團R 1－SO3 M，

R 1表示烴；

M表示選自由Li＋、Na＋、H＋及K＋組成的群的陽離子；

R 3 表示基團H或SO3 M；

且x表示大於10的整數。

第一陽極活性物質塗層15及第二陽極塗層21為鋰金屬混合氧化物(lithium mixed metal oxide) 塗層，也可分別由商用矽粉末球磨後而成，且在矽材料表面包覆碳膜。第一導電層16及第二導電層22分別為導電膠或導電漆。而第一陽極集電片17及第二陽極集電片23分別為鋁箔片或銅箔片其中的一種，且第一陽極集電片17由長條形第一陽極極耳171及第一陽極集電部172組成，第二陽極集電片23由長條形第二陽極極耳231及第二陽極集電部232組成。

上述第一陰極活性物質塗層12的一面結合於陰極集電部112的第一面113上，第一固態電解質塗層14、第一陽極活性物質塗層15及第一導電層16依序層疊於第一陰極活性物質塗層12的另一面上，而第一陽極集電片17的第一陽極集電部172的一面結合於第一導電層16的另一面上。另外，第二陰極塗層18的一面結合於陰極集電部112的第二面114上，第二固態電解質塗層20、第二陽極塗層21及第二導電層22依序層疊於第二陰極塗層18的另一面上，而第二陽極集電片23的第二陽極集電部232的一面結合於第二導電層22的另一面上。

本實用新型的固態複合鋰電池芯極片1層疊的各組件經上述順序層疊並輥壓之後，即可成型為一片體，並使第一陽極極耳171及第二陽極極耳231共同組成一陽極極耳組24，且陽極極耳組24與陰極極耳111位於反向的位置，以單獨輸出電流，而經裁切並堆棧之後，則可提供更大的電流容量。

請同時參閱圖4、5所示，本實用新型的鋰電池芯3的固態複合鋰電池芯極片1呈長條形，固態複合鋰電池芯極片1具有反向的第一端31及第二端32，其中，第一端31的第一陽極集電部172上結合一第一絕緣膠層311，第一端31的第二陽極集電部232上結合一第二絕緣膠層312，第二端32的第一陽極集電部172上結合一第三絕緣膠層321，第二端32的第二陽極集電部232上結合一第四絕緣膠層322。第一絕緣膠層311、第二絕緣膠層312、第三絕緣膠層321及第四絕緣膠層322分別為絕緣膠或絕緣漆。

鋰電池芯3由長條形固態複合鋰電池芯極片1的第一端31朝向第二端32的方向卷繞而成，可以使鋰電池芯3呈軟包形、圓柱形或方形，而由於各個絕緣膠層的配置，則可在長條形固態複合鋰電池芯極片1卷繞之後，能有效防止短路現象。

因此，本實用新型具有以下的優點：

1、本實用新型將固態電解質塗層與各塗層、片體依序層疊，以同時取代現有的隔膜紙與電解液，因此，不但可以有效提高作業效率以降低製造及組裝成本、在高溫時防止產生氣脹、漏液的問題以確保使用安全，且可在低溫環境中能正常運作以提升效能。

2、本實用新型的極片可以單片、堆棧使用，或在輥壓成長片狀之後，再卷繞使呈軟包形、圓柱形或方形等各種形體的鋰電池芯，因此，在加工作業上相當簡便，而在使用上相當具有彈性。

綜上所述，依上文所揭示的內容，本實用新型確可達到預期的目的，提供一種不但能使電池的性能穩定以確保使用安全，且可彈性加工以製成不同形體使用的固態複合鋰電池芯極片及使用該極片的鋰電池芯，極具產業上利用的價值，特依法提出實用新型專利申請。