一種噴漆式鋰離子電池及其製備方法
2023-12-02 16:49:46 1
專利名稱：一種噴漆式鋰離子電池及其製備方法
技術領域：
本發明涉及鋰離子電池製造技術領域，特別涉及一種噴漆式鋰離子電池及其製備·方法。
背景技術：
一直以來能源和環境就是人類進入21世紀必須面對的兩個嚴峻問題，開發新能源和清潔可再生能源是今後世界經濟中最具決定性影響的技術領域之一。鋰離子電池滿足了電源小型化、輕量化、長工作時間、長壽命、無記憶效應和對環境無公害等要求。鋰離子電池的工作原理是在正極和負極之間交換電荷。同其它可充電式電池相t匕，鋰電子電池更輕，輸出功率和蓄電量更大，也更安全。目前，鋰離子電池以其良好的電性能和安全性能廣泛應用於數碼產品、電動工具和儲能電源等各個領域。電極是鋰離子電池的基本組成部分，由正極和負極組成。主要成分即活性物質，是直接參加電化學反應的物質。鋰離子電池的正極活性物質是鋰脫嵌化合物，目前已使用有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元(鎳鈷錳酸鋰)、磷酸亞鐵鋰等。負極活性物質主要有石墨化碳材料、無定形碳材料、氮化物、矽基材料、新型合金和其他材料。次要成分不直接參加電極反應，但可以改善電池的導電性能和加工性能。主要有集流體、粘接劑和導電劑等。傳統包裝的鋰離子電池是把這些活性物質層包在活性碳罐或其它可攜式容器中。因此，傳統鋰離子電池需要佔用較多的固定空間，無法方便、靈活地在各種電子產品中應用。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的是提供一種噴漆式鋰離子電池及其製備方法，其可以通過將鋰離子電池的主要成分噴塗到需要使用鋰離子電池的各種電子產品表面，在電子產品表面完成鋰離子電池的製備，因此可以顯著節約鋰離子電池佔用的空間，可以方便、靈活地在各種電子產品中應用，有利於開拓鋰離子電池市場的應用前景，具有重大的生產實踐意義。為此，本發明提供了一種噴漆式鋰離子電池，包括正電流集流層、正極活性物質層、高分子聚合物隔離層、負極活性物質層和負電流集流層。所述負電流集流層噴塗在需要用電的電子產品表面，所述正電流集流層、正極活性物質層、高分子聚合物隔離層和負極活性物質層從上到下依次噴塗在所述負電流集流層的上方。其中，所述正電流集流層為將單壁碳納米管與炭黑粒子散布在N-甲基吡咯烷酮NMP溶劑中後再進行噴塗後所形成的塗層；
所述正極活性物質層為採用正極活性物質噴塗形成的塗層；
所述高分子聚合物隔離層3為將聚甲基丙烯酸甲酯或者二氧化矽分散到聚偏二氟乙稀樹脂後嗔塗形成的塗層；所述負極活性物質層為採用負極活性物質噴塗形成的塗層；
所述負電流集流層可以為導電銅漆用乙醇稀釋後噴塗形成的塗層。其中，所述負極活性物質為人造石墨；所述正極活性物質為鈷酸鋰。此外，本發明還提供了一種噴漆式鋰離子電池的製備方法，用於將鋰離子電池噴塗製備在需要用電的電子產品表面，包括步驟
第一步分別製作形成鋰離子電池的電流集流層、正極活性物質層、高分子聚合物隔離層、負極活性物質層和負電流集流層所需要噴塗的漿料；
第二步分別檢測所製作漿料的黏度是否達到預設黏度標準；
第三步當所有漿料的黏度達到預設黏度標準時，依次將負電流集流層、負極活性物質層、高分子聚合物隔離層、正極活性物質層和正電流集流層的漿料噴塗在所述電子產品表面，形成鋰離子電池的電流集流層、正極活性物質層、高分子聚合物隔離層、負極活性物質層和負電流集流層；
第四步將電解液均勻塗灑在所述電流集流層、正極活性物質層、高分子聚合物隔離層、負極活性物質層和負電流集流層表面，並且在預設溫度下靜置預設時間，使得電解液充分浸潤所述電流集流層、正極活性物質層、高分子聚合物隔離層、負極活性物質層和負電流集流層，從而在所述電子產品表面製備獲得鋰離子電池。其中，還包括步驟
第五步將充放電測試儀與鋰離子電池相連接，實時測試鋰離子電池的充放電性能。其中，製備正極活性物質層的漿料的具體步驟為採用鈷酸鋰作為正極活性材料，聚偏氟乙烯PVDF為粘結劑，炭黑為導電劑，將混磨後的鈷酸鋰和炭黑漿料均勻分散在粘結劑溶液中。其中，製備正電流集流層的漿料的具體步驟為混合純化的單壁碳納米管與炭黑粒子，散布在N-甲基吡咯烷酮溶液中，製備形成漿料。其中，製備負極活性物質層漿料的具體步驟為採用人造石墨作為負極活性材料，聚偏氟乙烯為粘結劑，碳纖維VGCF為導電劑，將混磨好的人造石墨和碳纖維分散在粘結劑溶液中。其中，製備負電流集流層漿料的具體步驟為採用導電銅漆，用乙醇稀釋後，形成漿料。其中，製備高分子聚合物隔離層漿料的具體步驟為將聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化矽分散到聚偏二氟乙烯樹脂，形成高分子聚合物隔離層漿料。由以上本發明提供的技術方案可見，與現有技術相比較，本發明提供了一種噴漆式鋰離子電池及其製備方法，其可以通過將鋰離子電池的主要成分噴塗到需要使用鋰離子電池的各種電子產品表面，在電子產品表面完成鋰離子電池的製備，因此可以顯著節約鋰離子電池佔用的空間，可以方便、靈活地在各種電子產品中應用，有利於開拓鋰離子電池市場的應用前景，具有重大的生產實踐意義。
圖1為本發明提供的一種噴漆式鋰離子電池的結構示意簡 圖2為本發明提供的一種噴漆式鋰離子電池的製備方法的流程圖；圖3為本發明提供的一種噴漆式鋰離子電池的製備方法所製備的鋰離子電池在常溫下的充放電循環曲線示意 圖4為本發明提供的一種噴漆式鋰離子電池的製備方法所製備的鋰離子電池在高溫下的充放電循環曲線示意圖。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步的詳細說明。
參見圖1，本發明提供了一種噴漆式鋰離子電池，噴塗在需要用電的電子產品6表面，所述鋰離子電池包括正電流集流層1、正極活性物質層2、高分子聚合物隔離層3、負極活性物質層4和負電流集流層5。在本發明中，具體實現上，本發明的鋰離子電池為層狀結構分布所述正電流集流層1、正極活性物質層2、高分子聚合物隔離層3、負極活性物質層4和負電流集流層5。具體為所述負電流集流層5噴塗在所述電子產品6的表面，所述正電流集流層1、正極活性物質層2、高分子聚合物隔離層3和負極活性物質層4從上到下依次噴塗在所述負電流集流層5的上方。在本發明中，具體實現上，所述正電流集流層I可以為將單壁碳納米管與炭黑粒子散布在N-甲基吡咯烷酮NMP溶劑中後再進行噴塗後所形成的塗層。在本發明中，具體實現上，所述正極活性物質層2可以為採用正極活性物質噴塗形成的塗層，所述正極活性物質包括鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料或磷酸亞鐵鋰，具體優選為鈷酸鋰。在本發明中，具體實現上，所述高分子聚合物隔離層3 (即隔膜層)可以為將聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化矽分散到聚偏二氟乙烯樹脂後噴塗形成的塗層。在本發明中，具體實現上，所述負極活性物質層4可以為採用負極活性物質噴塗形成的塗層，所述負極活性物質可以為人造石墨。在本發明中，具體實現上，所述負電流集流層5可以為將導電銅漆用乙醇稀釋後噴塗形成的塗層。需要說明的是，對於本發明提供的鋰離子電池，其通過噴塗方式需要用電的電子產品6表面，理論上可以把任何物體表面變成鋰離子電池。本發明可以為鋰離子儲能電源提供新的設計思路。參見圖2，為了製備上述本發明提供的鋰離子電池，本發明還提供了一種鋰離子電池的製備方法，用於將鋰離子電池噴塗製備在需要用電的電子產品6表面，該方法包括以下步驟
第一步分別製作形成鋰離子電池的電流集流層1、正極活性物質層2、高分子聚合物隔離層3、負極活性物質層4和負電流集流層5所需要噴塗的漿料；
第二步分別檢測所製作漿料的黏度是否達到預設黏度標準；
第三步當所有漿料的黏度達到預設黏度標準時，依次將負電流集流層5、負極活性物質層4、高分子聚合物隔離層3、正極活性物質層2和正電流集流層I的漿料噴塗在所述電子產品6表面，形成鋰離子電池的電流集流層1、正極活性物質層2、高分子聚合物隔離層3、負極活性物質層4和負電流集流層5 ；
第四步將電解液均勻塗灑在所述電流集流層1、正極活性物質層2、高分子聚合物隔離層3、負極活性物質層4和負電流集流層5表面，並且在預設溫度下(一般為45°C的高溫)靜置預設時間(6個小時)，使得電解液充分浸潤所述電流集流層1、正極活性物質層2、高分子聚合物隔離層3、負極活性物質層4和負電流集流層5，從而在所述電子產品6表面製備獲得鋰離子電池。具體實現上，為了測試本發明製備的鋰離子電池的充放電性能，本發明在第四步之後還包括步驟
第五步將充放電測試儀與鋰離子電池相連接，實時測試鋰離子電池的充放電性能。
在本發明中，在第一步中，將單壁碳納米管與炭黑粒子散布在N-甲基吡咯烷酮溶劑中，製作獲得正電流集流層I的漿料；
製備正極活性物質層的漿料的具體步驟為採用鈷酸鋰作為正極活性材料，聚偏氟乙烯PVDF為粘結劑，炭黑為導電劑，將混磨後的鈷酸鋰和炭黑均勻分散在粘結劑溶液中。製備正電流集流層的漿料的具體步驟為混合純化的單壁碳納米管與炭黑粒子，散布在N-甲基吡咯烷酮溶液中，製備形成漿料；
製備負極活性物質層漿料的具體步驟為採用人造石墨作為負極活性材料，聚偏氟乙烯為粘結劑，碳纖維VGCF為導電劑，將混磨好的人造石墨和碳纖維分散在粘結劑溶液中。製備負電流集流層漿料的具體步驟為採用導電銅漆，用乙醇稀釋後，形成漿料； 製備高分子聚合物隔離層漿料的具體步驟為將聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化矽分散到
聚偏二氟乙烯樹脂，即可形成高分子聚合物隔離層漿料。在第二步中，所述預設黏度標準可以根據用戶和電池廠家的需要進行設定。下面結合實施例對本發明提供的鋰離子電池的製備方法作進一步詳細的描述。1、漿料製作
首先，製備正極活性物質層漿料採用鈷酸鋰作為正極活性材料，聚偏氟乙烯為粘結齊U，炭黑為導電劑，將混磨後的鈷酸鋰和炭黑均勻分散在粘結劑溶液中。製備正電流集流層的漿料混合純化的單壁碳納米管與炭黑粒子，散布在N-甲基吡咯烷酮溶液中，製備形成漿料；
製備負極活性物質層漿料採用人造石墨作為負極活性材料，聚偏氟乙烯為粘結劑，碳纖維為導電劑，將混磨好的人造石墨和碳纖維分散在粘結劑中。製備負電流集流層漿料採用導電銅漆，用乙醇稀釋後，形成漿料；
製備高分子聚合物隔離層漿料將聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化矽分散到聚偏二氟乙烯樹脂，即可形成高分子聚合物隔離層漿料。2、塗料測試分別取少量的正極活性物質漿料和負極活性物質漿料測試黏度及固含量，一般黏度標準5000±1000 ；
3、噴塗將上述五種塗料分別代表鋰離子電池的五個組件，在乾燥和無氧條件下通過噴槍把上述混合好的塗料依次塗布在需要用電的電子產品表面，形成電池塗層，參見圖1所示；
4、注液電解液以六氟磷酸鋰為鋰鹽，碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯/碳酸二乙酯為有機溶齊IJ。在乾燥和無氧條件下把電液均勻塗灑在上述電池塗層表面，高溫靜置使其充分浸潤；5、充放電測試負電流集流層用銅箔與外界連接，正電流集流層由鋁箔引出，採用充放電測試儀考察電池的充放電循環性能；
充電制式0. 7C電池倍率(C，即表示電池充放電時電流大小的比率)恆流充電至4. 2V，恆壓充電至O. 05C ；
充電後休眠10分鐘；
放電制式0. 5C恆流放電至3. OV ；
放電後休眠15分鐘；
本發明通過控制電池正負極塗層質量，通過在不同材質的電子產品基體上製作成電池，進行性能測試，考察該電池製作工藝的可行性及高低溫充放電性能。
實施例1:
在乾燥無氧的條件下，以不鏽鋼板為基材，按照上述電池製作工藝把電池塗料依次噴塗在不鏽鋼板表面，所述負電流集流層5、負極活性物質層4、高分子聚合物隔離層3、正極活性物質層2和正電流集流層I的漿料噴塗量比例固定為1:2:1:2:1。形成塗層後稱重，保證塗層質量控制在7. 5±0. 5。最後注液，電解液質量控制在2. O ±O. 2左右。不鏽鋼板基體在噴塗之前表面需要做氧化處理，以提高基體與塗層之間的結合力。實施例2:
在乾燥無氧的條件下，以透明玻璃板為基材，按照上述電池製作工藝把電池塗料依次噴塗在玻璃板表面，所述負電流集流層5、負極活性物質層4、高分子聚合物隔離層3、正極活性物質層2和正電流集流層I的漿料噴塗量比例固定為1:2:1:2:1。形成塗層後稱重，保證塗層質量控制在7. 5±0. 5。最後注液，電解液質量控制在2. O ±O. 2左右。玻璃基體在噴塗之前表面需要做氧化處理，以提高基體與塗層之間的結合力。實施例3
在乾燥無氧的條件下，以陶瓷為基材，按照上述電池製作工藝把電池塗料依次噴塗在陶瓷表面，所述負電流集流層5、負極活性物質層4、高分子聚合物隔離層3、正極活性物質層2和正電流集流層I的漿料噴塗量比例固定為1:2:1:2:1。形成塗層後稱重，保證塗層質量控制在7. 5 ±0.5。最後注液，電解液質量控制在2. O ±0.2左右。陶瓷基體在噴塗之前表面需要做氧化處理，以提高基體與塗層之間的結合力。表I為實施例工藝參數
-1電子產品基材I塗層質量/gI注液量I
實施例1不鏽鋼板7. 5±0. 52. 0±0. 2
實施例玻璃7. 5±0. 52. 0±0. 2
實施例31陶瓷卜.5±0. 5|2. 0±071~
6、電性能測試。(I)常溫循環性能電池製作完成之後，正負集流層接上導線，然後對電池進行常溫循環性能測試。測試環境要求25°C常溫，溼度要求5%RH以下。電池循環過程容量衰減曲線如圖3所示。(2)高溫循環性能電池製作完成之後，正負集流層接上導線，然後對電池進行高溫循環性能測試。測試環境要求45°C高溫，溼度要求5%RH以下。電池循環過程容量衰減曲線圖如圖4所示。從上述循環曲線可以看出，由此工藝製作出來的電池常溫和高溫充放電性能良好。100次循環之後，容量能保持在90%以上，電化學性能比較穩定。基體材料對電池性能影響不大，但需要考慮基體與塗層之間的結合力，以保證電池性能及結構的穩定性。
因此，對於本發明提供的一種鋰離子電池的製備方法，其通過把傳統鋰離子電池五種組成部件(正極集流體、正極活性物質、高分子隔膜、負極集流體、負極活性物質)變成液體，然後在乾燥和無氧條件下通過噴塗方式把這些液體塗在作為目標基體的電子產品上，形成電池。其結構呈層狀結構，每一層都是一種優化的混合物。本發明可以把任何物體表面變成儲能電池，相比傳統鋰離子電池更靈活，可實現各種新的設計，以及可能的集成。綜上所述，與現有技術相比較，本發明提供的一種噴漆式鋰離子電池及其製備方法，其可以通過將鋰離子電池的主要成分噴塗到需要使用鋰離子電池的各種電子產品表面，在電子產品表面完成鋰離子電池的製備。因此可以顯著節約鋰離子電池佔用的空間，可以方便、靈活地在各種電子產品中應用，有利於開拓鋰離子電池市場的應用前景，具有重大的生產實踐意義。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種噴漆式鋰離子電池，其特徵在於，包括正電流集流層(I)、正極活性物質層(2)、 高分子聚合物隔離層(3)、負極活性物質層(4)和負電流集流層(5)；所述負電流集流層(5)噴塗在需要用電的電子產品(6)表面，所述正電流集流層(I )、 正極活性物質層(2)、高分子聚合物隔離層(3)和負極活性物質層(4)從上到下依次噴塗在所述負電流集流層(5)的上方。
2.如權利要求1所述的噴漆式鋰離子電池，其特徵在於，所述正電流集流層(I)為將單壁碳納米管與炭黑粒子散布在N-甲基吡咯烷酮NMP溶劑中再進行噴塗後所形成的塗層；所述正極活性物質層(2)為採用正極活性物質噴塗形成的塗層；所述高分子聚合物隔離層(3)為將聚甲基丙烯酸甲酯或者二氧化矽分散到聚偏二氟乙稀樹脂後嗔塗形成的塗層；所述負極活性物質層(4)為採用負極活性物質噴塗形成的塗層；所述負電流集流層(5 )可以為將導電銅漆用乙醇稀釋後噴塗形成的塗層。
3.如權利要求2所述的噴漆式鋰離子電池，其特徵在於，所述負極活性物質為人造石墨；所述正極活性物質為鈷酸鋰。
4.一種噴漆式鋰離子電池的製備方法，其特徵在於，用於將鋰離子電池噴塗製備在需要用電的電子產品(6)表面，包括步驟第一步分別製作形成鋰離子電池的電流集流層(I)、正極活性物質層(2)、高分子聚合物隔離層(3)、負極活性物質層(4)和負電流集流層(5)所需要噴塗的漿料；第二步分別檢測所製作漿料的黏度是否達到預設黏度標準；第三步當所有漿料的黏度達到預設黏度標準時，依次將負電流集流層(5)、負極活性物質層(4)、高分子聚合物隔離層(3)、正極活性物質層(2)和正電流集流層(I)的漿料噴塗在所述電子產品(6)表面，形成鋰離子電池的電流集流層(I)、正極活性物質層(2)、高分子聚合物隔離層(3 )、負極活性物質層(4 )和負電流集流層(5 );第四步將電解液均勻塗灑在所述電流集流層(I)、正極活性物質層(2)、高分子聚合物隔離層(3)、負極活性物質層(4)和負電流集流層(5)表面，並且在預設溫度下靜置預設時間，使得電解液充分浸潤所述電流集流層(I)、正極活性物質層(2)、高分子聚合物隔離層(3)、負極活性物質層(4)和負電流集流層(5)，從而在所述電子產品(6)表面製備獲得鋰離子電池。
5.如權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，還包括步驟第五步將充放電測試儀與鋰離子電池相連接，實時測試鋰離子電池的充放電性能。
6.如權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，製備正極活性物質層的漿料的具體步驟為採用鈷酸鋰作為正極活性材料，聚偏氟乙烯PVDF為粘結劑，炭黑為導電劑，將混磨後的鈷酸鋰和炭黑均勻分散在粘結劑溶液中。
7.如權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，製備正電流集流層的漿料的具體步驟為混合純化的單壁碳納米管與炭黑粒子，散布在N-甲基吡咯烷酮溶液中，製備形成漿料。
8.如權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，製備負極活性物質層漿料的具體步驟為採用人造石墨作為負極活性材料，聚偏氟乙烯為粘結劑，碳纖維VGCF為導電劑，將混磨好的人造石墨和碳纖維分散在粘結劑溶液中。
9.如權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，製備負電流集流層漿料的具體步驟為採用導電銅漆，用乙醇稀釋後，形成漿料。
10.如權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，製備高分子聚合物隔離層漿料的具體步驟為將聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化矽分散到聚偏二氟乙烯樹脂，形成高分子聚合物隔離層漿料。
全文摘要
本發明公開了一種噴漆式鋰離子電池，其特徵在於，包括正電流集流層(1)、正極活性物質層(2)、高分子聚合物隔離層(3)、負極活性物質層(4)和負電流集流層(5)；所述負電流集流層(5)噴塗在需要用電的電子產品(6)表面，所述正電流集流層(1)、正極活性物質層(2)、高分子聚合物隔離層(3)和負極活性物質層(4)從上到下依次噴塗在所述負電流集流層(5)的上方。本發明公開的一種噴漆式鋰離子電池及其製備方法，其可以通過將鋰離子電池的主要成分噴塗到需要使用鋰離子電池的各種電子產品表面，在電子產品表面完成鋰離子電池的製備。因此可以顯著節約鋰離子電池佔用的空間，可以方便、靈活地在各種電子產品中應用。
文檔編號H01M10/0525GK103000940SQ20121058644
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者黃興華, 杜晨樹, 程君 申請人:天津力神電池股份有限公司