本發(fā)明涉及聚合物鋰離子電池用電極的制備，特別涉及一種多孔態(tài)聚合物鋰離子動力電池及其制備方法。

背景技術(shù)：
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隨著鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，對電池的使用要求越來越高，尤其對動力型電池而言，其安全性能、高低溫性能、倍率性能等提出了更高的要求。在純電動汽車上使用時，還要求電池具有綜合性能，如滿足有效地延長續(xù)航里程，在不同地域和溫度下都可以續(xù)航，在不同路況下也可以行使，在出現(xiàn)意外時保證安全可靠。另外在特種行業(yè)和環(huán)境如水下、地下、太空等，都要求鋰離子電池具備更好更高的綜合性能。動力型電池的設(shè)計，首先應(yīng)以安全性為核心，還要兼顧其他綜合性能，對此本發(fā)明對電池材料、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝等進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析，提出了合理可行的鋰離子電池制造方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明針對目前鋰離子電池存在的缺點和不足，提出了一種能夠有效提高電池安全性、充放電效率、延長電池使用壽命的多孔態(tài)聚合物鋰離子動力電池及制造方法。

一種多孔態(tài)聚合物鋰離子動力電池，電芯的基本單元是以負(fù)極板/隔離膜/正極板、或負(fù)極板/隔離膜/正極板/隔離膜/負(fù)極板、或正極板/隔離膜/負(fù)極板/隔離膜/正極板的層狀結(jié)構(gòu)方式有序堆疊而成，且每一個單元通過熱壓復(fù)合或用粘結(jié)劑室溫復(fù)合為一體的模塊化單元，以防止電池活性物質(zhì)的脫落，同時有利于電芯的組裝。

正極板和負(fù)極板集流體均采用具有菱形網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀集流體，正極板集流體為40-70μm厚的鋁基網(wǎng)狀正極集流體，負(fù)極板集流體為30-60μm厚的銅基網(wǎng)狀負(fù)極集流體，正極集流體和負(fù)極集流體經(jīng)除油清洗，進(jìn)行表面印刷導(dǎo)電處理、烘干待用。

每個單元采用的正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)分別通過熱壓法鑲嵌在各自的正極集流體和負(fù)極集流體中，以保證活性物質(zhì)和集流體間的結(jié)合力，同時降低接觸電阻。

每個基本單元的兩個側(cè)面電極的活性物質(zhì)經(jīng)熱壓鑲嵌到集流體的單面，以減少接觸電阻，無活性物質(zhì)的金屬集流體一側(cè)朝外，以利于散熱，中間電極的活性物質(zhì)經(jīng)熱壓鑲嵌到集流體的雙面。

隔離膜是通過將骨架材料、填料、增塑劑、阻燃劑、偶聯(lián)劑真空攪拌均勻后輥刮涂敷成膜，其中骨架材料采用聚偏氟乙烯、填料采用二氧化硅或三氧化二鋁、增塑劑采用鄰苯二甲酸二丁酯或鄰苯二甲酸二辛酯、偶聯(lián)劑采用乙烯基三硅烷、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷中的一種或兩種，各組分質(zhì)量百分比為：聚偏氟乙烯70%～80%、填料15%～17%、增塑劑4%～6%、偶聯(lián)劑1%～3%、阻燃劑0.01%～1%。

正極膜層主要成分由所需比例的鋰鎳鈷錳氧化物、乙炔黑、納米碳纖維、PVDF組成，負(fù)極膜層主要成分由所需比例的石墨、MCMB、乙炔黑、PVDF、添加劑組成，其中正極板將正極所需物料在酮類溶劑中負(fù)壓攪拌均勻后，在正極集流體上涂敷制成，負(fù)極板將負(fù)極所需物料在有機溶劑中攪拌均勻后，在負(fù)極集流體上涂敷制成。

一種多孔態(tài)聚合物鋰離子動力電池的制造方法，主要制造步驟如下：

步驟1：將正極集流體用鋁箔（35~75μm）及負(fù)極集流體用銅箔（25~65μm）加工成菱形網(wǎng)眼的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，菱形內(nèi)長度0.8~1.2mm、內(nèi)寬度0.2~0.4mm、菱筋寬度0.1~0.2mm，經(jīng)磙壓整平后，其厚度略薄5μm；

步驟2：加工后的正極板和負(fù)極板用的網(wǎng)狀集流體分別在各自的預(yù)處理液中除去油脂和氧化膜，烘干后再進(jìn)行表面印刷導(dǎo)電處理，處理完畢烘干備用；

步驟3：分別準(zhǔn)備正極和負(fù)極漿料，其中正極漿料中含10%~30%（wt）的鋰鎳鈷錳氧化物、2%~5%（wt）的乙炔黑、0%~3%（wt）的納米碳纖維、3%~8%（wt）的PVDF，其余的是酮類溶劑；負(fù)極漿料中含10%~20%（wt）的石墨、3%~5%（wt）的MCMB、3%~6%（wt）的的乙炔黑、3%~8%（wt）的PVDF、0.2%~0.8%（wt）的添加劑，其余為有機溶劑；

步驟4：將正極漿料和負(fù)極漿料分別均勻涂敷在正極和負(fù)極網(wǎng)狀集流體的一面，經(jīng)烘干即可獲得正極膜和負(fù)極膜，再經(jīng)高溫磙壓處理，可以得到和集流體結(jié)合牢固的正極膜和負(fù)極膜的預(yù)制體，兩極之間的電極要進(jìn)行雙面涂敷，集流體兩面的膜層厚度需要控制一致；

步驟5：對正極膜和負(fù)極膜預(yù)制體進(jìn)行相分離處理，將經(jīng)高溫?zé)釅禾幚砗笮纬傻恼?、?fù)極膜預(yù)制體置于萃取溶劑中，采用階梯濃度差法進(jìn)行萃取分理，使正極板、負(fù)極板上均形成三維、高曲度、高繞度通透的微孔，其中萃取溶劑采用甲醇或乙醇，三級階梯萃取室自上而下萃取劑濃度及相分離時間分別為：一級溶劑室萃取劑濃度90%-93%，相分離時間30-50min；二級溶劑室萃取劑濃度94%-97%，相分離時間40-60min；三級溶劑室萃取劑濃度95%-99.5%，相分離時間50-70min，萃取過程中溫度為30-40℃，萃取體系真空度-0.06Mpa，微波振動頻率為40±5HZ；

步驟6：制備隔離膜，通過將骨架材料、填料、增塑劑、阻燃劑、偶聯(lián)劑按比例配料并經(jīng)真空攪拌混料和輥刮涂后成膜，其中骨架材料采用聚偏氟乙烯，填料采用二氧化硅或三氧化二鋁，增塑劑采用鄰苯二甲酸二丁酯或鄰苯二甲酸二辛酯，偶聯(lián)劑采用乙烯基三硅烷、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷中選一種或兩種，各組分質(zhì)量百分比為：聚偏氟乙烯70%-80%，二氧化硅或三氧化二鋁15%-17%，增塑劑4%-6%，偶聯(lián)劑1%-3%，隔離膜厚度為2-100μm；

步驟7：將正極板、負(fù)極板以及隔離膜按負(fù)極板/隔離膜/正極板、或負(fù)極板/隔離膜/正極板/隔離膜/負(fù)極板、或正極板/隔離膜/負(fù)極板/隔離膜/正極板的層狀結(jié)構(gòu)模式有序堆疊，其中外層極板為單面涂敷層極板，且無涂敷層的集流體的一側(cè)朝外，中間極板為雙面涂敷層極板，將其在溫度100-150℃、壓力0.2-0.5Mpa熱壓復(fù)合制得一體化的模塊式電芯單元；

步驟8：對電芯單元采用脈沖高壓檢測裝置進(jìn)行微短檢測和處理毛刺，脈沖電壓600~1200V、脈沖頻率200~1000HZ；

步驟9：將經(jīng)高壓檢測后的電芯單元按電芯所需容量進(jìn)行并聯(lián)電焊組裝電芯，正極片與正極耳相接，負(fù)極片與負(fù)極耳相接，電芯容量根據(jù)需要將1~20片單元并聯(lián)可以得到0.1Ah~100Ah之間任意容量的電芯，其厚度在0.4~10mm之間；

步驟10：將電芯采用三層防腐防水的Al塑包裝膜進(jìn)行包裝，經(jīng)烘烤處理，在恒溫恒濕干燥條件下注入電解液，即可得到單體電池；

步驟11：將單體電池經(jīng)真空擱置數(shù)小時使電池充分吸收電解液后，再進(jìn)行3次高溫老化處理、充放電化成處理，最終完成真空封口后制得多孔態(tài)聚合物鋰離子動力電池。

本發(fā)明的有益效果在于：

（1）從熱源著手有效解決了電池的產(chǎn)熱發(fā)熱問題。電池產(chǎn)熱發(fā)熱主要來自于物理產(chǎn)熱和化學(xué)產(chǎn)熱：在物理產(chǎn)熱上主要考慮電流流過時集流體和活性物質(zhì)本身的導(dǎo)電率和其本身的不均勻和工藝缺陷造成的電流不均勻所形成的極化產(chǎn)熱，化學(xué)產(chǎn)熱主要來自化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)熱。為很好的解決產(chǎn)熱，本發(fā)明首先從電池材料的設(shè)計上下功夫，盡可能做到接觸電阻小，電流分布均勻。采用網(wǎng)狀集流體，不僅能使承載電流均勻，而且活性物質(zhì)和集流體接觸面積增大，結(jié)合牢固，接觸電阻小，同時考慮到正極材料導(dǎo)電性差的問題，在正極漿料中添加較多的導(dǎo)電劑，以增加正極的導(dǎo)電能力，網(wǎng)狀集流體涂敷活性物質(zhì)以前，表面的油脂和氧化膜除凈后，進(jìn)行導(dǎo)電化處理，以降低接觸電阻。并且為解決化學(xué)和電化學(xué)產(chǎn)熱問題，正、負(fù)極板均設(shè)計成三維多孔結(jié)構(gòu)，增加離子躍遷通道，提高吸液率保液率，增大鋰離子交換的比表面積，縮短交換時間和路徑，同時使反應(yīng)表面積大大增加，電池工作時真實電流密度較小，因而產(chǎn)生的熱也很小，解決大電流放電產(chǎn)熱問題。本發(fā)明采用的所有電池單元外嵌集流體作為散熱面，散熱性能好，即使用大電流放電時產(chǎn)生一定的熱量，但很快就會散熱，不會發(fā)生熱失控問題。

（2）采用外嵌集流體有序疊片工藝技術(shù)經(jīng)熱壓復(fù)合制成電芯單元片有效控制了因電池在多次充放電時收縮膨脹引起的脫粉現(xiàn)象，延長電池使用壽命，整體電芯單元片設(shè)計為網(wǎng)絡(luò)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，有機無機材料復(fù)合膜和正負(fù)極板設(shè)計均利用了高分子材料高溫低聚合特性，反應(yīng)放熱低，采用網(wǎng)狀集流體設(shè)計高溫熔斷迅速，局部高溫強氧化形成保護(hù)膜，因為骨架材料熱穩(wěn)定性好，熱擴散快，即使電池遭到穿刺切斷也不會影響電池使用，并不著火不爆炸，因電池壞損局部產(chǎn)生高溫高熱在局部發(fā)生急劇氧化高溫聚合，但高熱不擴散，由高分子材料聚合消耗能的釋放，并形成低聚產(chǎn)物氧化，因為電解液存在形式為吸附在多孔里面，不影響電池整體工作性能，表面干態(tài)，有效控制熱失控條件和誘導(dǎo)因素，解決安全性能問題。

（3）本發(fā)明中使用的電解液因自由流動的電解液，規(guī)避了富液型電池存在的因電解液浸泡充放電產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化電解液介質(zhì)因充放電循環(huán)脫粉雜質(zhì)增加，導(dǎo)致電池壽命衰減和安全隱患問題。

（4）本發(fā)明針對每一個電芯單元進(jìn)行高壓DC600-1200V脈沖檢測，100%檢測判斷，有效解決因隔膜缺陷或者毛刺存在帶來的微短隱患，大大提高了極板耐壓耐流及絕緣等級，提高了電池使用的安全性。

附圖說明：

附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中殼體1、電芯2、正極耳3、負(fù)極耳4。

具體實施方式：

實施例：如圖1所示一種多孔態(tài)聚合物鋰離子動力電池，包括殼體1、電芯2以及電解液，殼體1外設(shè)有與電芯2相接的正極耳3和負(fù)極耳4，其特征在于電芯2由兩個以上的電極單元片并聯(lián)焊接而成，電解液包括鋰鹽、有機溶劑，其中鋰鹽采用LiPF6，溶劑采用碳酸酯、羧酸酯、醚中的三種、四種、五種等多元體系混合物溶劑，電芯的基本單元是以負(fù)極板/隔離膜/正極板、或負(fù)極板/隔離膜/正極板/隔離膜/負(fù)極板、或正極板/隔離膜/負(fù)極板/隔離膜/正極板的層狀結(jié)構(gòu)方式有序堆疊而成，且每一個單元通過熱壓復(fù)合或用粘結(jié)劑室溫復(fù)合為一體的模塊化單元，以防止電池活性物質(zhì)的脫落，同時有利于電芯的組裝。

正極板和負(fù)極板集流體均采用具有菱形網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀集流體，正極板集流體為40-70μm厚的鋁基網(wǎng)狀正極集流體，負(fù)極板集流體為30-60μm厚的銅基網(wǎng)狀負(fù)極集流體，正極集流體和負(fù)極集流體經(jīng)除油清洗，進(jìn)行表面印刷導(dǎo)電處理、烘干待用。

每個單元采用的正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)分別通過熱壓法鑲嵌在各自的正極集流體和負(fù)極集流體中，以保證活性物質(zhì)和集流體間的結(jié)合力，同時降低接觸電阻。

每個基本單元的兩個側(cè)面電極的活性物質(zhì)經(jīng)熱壓鑲嵌到集流體的單面，以減少接觸電阻，無活性物質(zhì)的金屬集流體一側(cè)朝外，以利于散熱，中間電極的活性物質(zhì)經(jīng)熱壓鑲嵌到集流體的雙面。

隔離膜是通過將骨架材料、填料、增塑劑、阻燃劑、偶聯(lián)劑真空攪拌均勻后輥刮涂敷成膜，其中骨架材料采用聚偏氟乙烯、填料采用二氧化硅或三氧化二鋁、增塑劑采用鄰苯二甲酸二丁酯或鄰苯二甲酸二辛酯、偶聯(lián)劑采用乙烯基三硅烷、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷中的一種或兩種，各組分質(zhì)量百分比為：聚偏氟乙烯70%～80%、填料15%～17%、增塑劑4%～6%、偶聯(lián)劑1%～3%、阻燃劑0.01%～1%。

正極膜層主要成分由所需比例的鋰鎳鈷錳氧化物、乙炔黑、納米碳纖維、PVDF組成，負(fù)極膜層主要成分由所需比例的石墨、MCMB、乙炔黑、PVDF、添加劑組成，其中正極板將正極所需物料在酮類溶劑中負(fù)壓攪拌均勻后，在正極集流體上涂敷制成，負(fù)極板將負(fù)極所需物料在有機溶劑中攪拌均勻后，在負(fù)極集流體上涂敷制成。

一種多孔態(tài)聚合物鋰離子動力電池的制造方法，主要制造步驟如下：

步驟1：將正極集流體用鋁箔（35~75μm）及負(fù)極集流體用銅箔（25~65μm）加工成菱形網(wǎng)眼的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，菱形內(nèi)長度0.8~1.2mm、內(nèi)寬度0.2~0.4mm、菱筋寬度0.1~0.2mm，經(jīng)磙壓整平后，其厚度略薄5μm；

步驟2：加工后的正極板和負(fù)極板用的網(wǎng)狀集流體分別在各自的預(yù)處理液中除去油脂和氧化膜，烘干后再進(jìn)行表面印刷導(dǎo)電處理，處理完畢烘干備用；

步驟3：分別準(zhǔn)備正極和負(fù)極漿料，其中正極漿料中含10%~30%（wt）的鋰鎳鈷錳氧化物、2%~5%（wt）的乙炔黑、0%~3%（wt）的納米碳纖維、3%~8%（wt）的PVDF，其余的是酮類溶劑；負(fù)極漿料中含10%~20%（wt）的石墨、3%~5%（wt）的MCMB、3%~6%（wt）的的乙炔黑、3%~8%（wt）的PVDF、0.2%~0.8%（wt）的添加劑，其余為有機溶劑；

步驟4：將正極漿料和負(fù)極漿料分別均勻涂敷在正極和負(fù)極網(wǎng)狀集流體的一面，經(jīng)烘干即可獲得正極膜和負(fù)極膜，再經(jīng)高溫磙壓處理，可以得到和集流體結(jié)合牢固的正極膜和負(fù)極膜的預(yù)制體，兩極之間的電極要進(jìn)行雙面涂敷，集流體兩面的膜層厚度需要控制一致；

步驟5：對正極膜和負(fù)極膜預(yù)制體進(jìn)行相分離處理，將經(jīng)高溫?zé)釅禾幚砗笮纬傻恼⒇?fù)極膜預(yù)制體置于萃取溶劑中，采用階梯濃度差法進(jìn)行萃取分理，使正極板、負(fù)極板上均形成三維、高曲度、高繞度通透的微孔，其中萃取溶劑采用甲醇或乙醇，三級階梯萃取室自上而下萃取劑濃度及相分離時間分別為：一級溶劑室萃取劑濃度90%-93%，相分離時間30-50min；二級溶劑室萃取劑濃度94%-97%，相分離時間40-60min；三級溶劑室萃取劑濃度95%-99.5%，相分離時間50-70min，萃取過程中溫度為30-40℃，萃取體系真空度-0.06Mpa，微波振動頻率為40±5HZ；

步驟6：制備隔離膜，通過將骨架材料、填料、增塑劑、阻燃劑、偶聯(lián)劑按比例配料并經(jīng)真空攪拌混料和輥刮涂后成膜，其中骨架材料采用聚偏氟乙烯，填料采用二氧化硅或三氧化二鋁，增塑劑采用鄰苯二甲酸二丁酯或鄰苯二甲酸二辛酯，偶聯(lián)劑采用乙烯基三硅烷、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷中選一種或兩種，各組分質(zhì)量百分比為：聚偏氟乙烯70%-80%，二氧化硅或三氧化二鋁15%-17%，增塑劑4%-6%，偶聯(lián)劑1%-3%，隔離膜厚度為2-100μm；

步驟7：將正極板、負(fù)極板以及隔離膜按負(fù)極板/隔離膜/正極板、或負(fù)極板/隔離膜/正極板/隔離膜/負(fù)極板、或正極板/隔離膜/負(fù)極板/隔離膜/正極板的層狀結(jié)構(gòu)模式有序堆疊，其中外層極板為單面涂敷層極板，且無涂敷層的集流體的一側(cè)朝外，中間極板為雙面涂敷層極板，將其在溫度100-150℃、壓力0.2-0.5Mpa熱壓復(fù)合制得一體化的模塊式電芯單元；

步驟8：對電芯單元采用脈沖高壓檢測裝置進(jìn)行微短檢測和處理毛刺，脈沖電壓600~1200V、脈沖頻率200~1000HZ；

步驟9：將經(jīng)高壓檢測后的電芯單元按電芯所需容量進(jìn)行并聯(lián)電焊組裝電芯，正極片與正極耳相接，負(fù)極片與負(fù)極耳相接，電芯容量根據(jù)需要將1~20片單元并聯(lián)可以得到0.1Ah~100Ah之間任意容量的電芯，其厚度在0.4~10mm之間；

步驟10：將電芯采用三層防腐防水的Al塑包裝膜進(jìn)行包裝，經(jīng)烘烤處理，在恒溫恒濕干燥條件下注入電解液，即可得到單體電池；

步驟11：將單體電池經(jīng)真空擱置數(shù)小時使電池充分吸收電解液后，再進(jìn)行3次高溫老化處理、充放電化成處理，最終完成真空封口后制得多孔態(tài)聚合物鋰離子動力電池。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。