一种锂离子电池及其制备方法.pdf

本发明公开了一种锂离子电池及其制备方法，锂离子电池包括电池外壳、环状电极、柱状电极、隔膜袋、电解液、导电棒、极耳和电池盖，所述环状电极、柱状电极分别由正极活性物质混合粉、负极活性物质混合粉压制形成；所述电池外壳由导电材料制成；所述环状电极设置在所述电池外壳的内部，所述环状电极的外壁与所述电池外壳的内壁紧密接触；所述柱状电极包裹于所述隔膜袋中，置于所述环状电极的内部；所述电解液注在所述环状电极、隔膜袋和柱状电极之间；所述导电棒插入所述柱状电极内部，所述极耳一端与所述导电棒的顶端连接，另一端与所述电池盖连接。本发明的锂离子电池，电池的容量和能量密度均较高。

权利要求书1.  一种锂离子电池，其特征在于：包括电池外壳、环状电极、柱状电极、隔膜袋、电解液、导电棒、极耳和电池盖，所述环状电极、柱状电极分别由正极活性物质混合粉、负极活性物质混合粉压制形成；所述电池外壳由导电材料制成；所述环状电极设置在所述电池外壳的内部，所述环状电极的外壁与所述电池外壳的内壁紧密接触；所述柱状电极包裹于所述隔膜袋中，置于所述环状电极的内部；所述电解液注在所述环状电极、隔膜袋和柱状电极之间；所述导电棒插入所述柱状电极内部，所述极耳一端与所述导电棒的顶端连接，另一端与所述电池盖连接。2.  根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述导电棒为尖刺状的导电针。3.  根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其特征在于：所述导电棒由铝或铜制作而成。4.  根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述环状电极是由正极活性物质混合粉压制而成，所述柱状电极由负极活性物质混合粉压制而成；或者，所述环状电极由负极活性物质混合粉压制而成，所述柱状电极由正极活性物质混合粉压制而成。5.  根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极活性物质混合粉包括正极活性物质、导电剂和粘结剂。6.  根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极活性物质为钴酸锂、钴镍锰酸锂、钴镍酸锂、尖晶石锰酸锂、层状锰酸锂、磷酸亚铁锂中的一种或者多种的混合。7.  根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述负极活性物质混合粉包括负极活性物质、导电剂和粘结剂。8.  根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于：所述负极活性物质为石墨、硅碳材料、钛酸锂中的一种或者多种的混合。9.  根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述隔膜袋为聚乙烯或聚丙烯材质的多孔膜，厚度为0.01～0.5mm。10.  一种锂离子电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)分别制备正极活性物质混合粉和负极活性物质混合粉，分别将相应活性物质混合粉压制成环状电极和柱状电极；2)制备电池外壳、隔膜袋、电解液、导电棒、极耳和电池盖；所述电池外壳由导电材料制成；3)将所述环状电极置于所述电池外壳内，所述环状电极的外壁与所述电池外壳的内壁紧密接触；将所述柱状电极包裹于所述隔膜袋中，置于所述环状电极的内部；4)将所述导电棒插入所述柱状电极的内部；5)将所述极耳的一端与所述导电棒的顶端连接，另一端与所述电池盖连接；6)经过干燥、注液、化成、分容步骤后制得所述锂离子电池成品；其中，注液时将电解液注入所述环状电极、隔膜袋和柱状电极之间。

说明书一种锂离子电池及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及电池，特别是涉及一种锂离子电池及其制备方法。
【背景技术】
锂离子电池分为以下种类：圆柱金属壳(如18650电池)、方型金属壳电池、聚合物电池、塑胶壳电池等，其共同特点都是先将活性材料制浆、涂覆在集流体上制成正极片、负极片。集流体一般采用铜箔(铜网)或铝箔(铝网)。然后将正极片、负极片裁切成型，接着通过卷绕或叠片方式将正极片、负极片、隔膜组合成一定形状的电芯，最后将电芯封装于电池外壳内，注液、充电而成。
上述制备过程制得的电池结构存在容量低的缺点。比如目前的钴镍酸锂/石墨组成的4.2V圆柱18650电池(直径18mm，高度65mm)的最高容量是3100mAh，能量密度为694Wh/L，基本上已达到最大极限，难以有进一步的提升。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种锂离子电池及其制备方法，电池的容量和能量密度均较高。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种锂离子电池，包括电池外壳、环状电极、柱状电极、隔膜袋、电解液、导电棒、极耳和电池盖，所述环状电极、柱状电极分别由正极活性物质混合粉、负极活性物质混合粉压制形成；所述电池外壳由导电材料制成；所述环状电极设置在所述电池外壳的内部，所述环状电极的外壁与所述电池外壳的内壁紧密接触；所述柱状电极包裹于所述隔膜袋中，置于所述环状电极的内部；所述电解液注在所述环状电极、隔膜袋和柱状电极之间；所述导电棒插入所述柱状电极内部，所述极耳一端与所述导电棒的顶端连接，另一端与所述电池盖连接。
一种锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：1)分别制备正极活性物质混合粉和负极活性物质混合粉，分别将相应活性物质混合粉压制成环状电极和柱状电极；2)制备电池外壳、隔膜袋、电解液、导电棒、极耳和电池盖；所述电池外壳由导电材料制成；3)将所述环状电极置于所述电池外壳内，所述环状电极的外壁与所述电池外壳的 内壁紧密接触；将所述柱状电极包裹于所述隔膜袋中，置于所述环状电极的内部；4)将所述导电棒插入所述柱状电极的内部；5)将所述极耳的一端与所述导电棒的顶端连接，另一端与所述电池盖连接；6)经过干燥、注液、化成、分容步骤后制得所述锂离子电池成品；其中，注液时将电解液注入所述环状电极、隔膜袋和柱状电极之间。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的锂离子电池及其制备方法，电池采用环状电极和柱状电极，两个电极分别直接由活性物质混合粉压制而成，无需普通锂电池用的集流体铜箔和铝箔。两个电极与其它组件配合设置，通过各自特定的方式实现各自电极性。整个电池采用完全不同的结构，无需使用大量的铜箔(或铜网)、铝箔(或铝网)作为集流体，同时仅使用少量隔膜，从而节省了大量的空间，可充填更多的活性物质，有效提升活性物质在电池中所占空间的比例，从而大大提高电池的能量密度。经验证，本发明的电池制成钴镍酸锂/石墨组成的4.2V圆柱18650电池(直径18mm，高度65mm)时，可充填入正极钴镍酸锂22克、负极石墨12.5克，电池的容量可达到3960mAh，能量密度达到887Wh/L，远高于现有的18650型号电池的最大极限。
【附图说明】
图1是本发明具体实施方式中锂离子电池的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式中锂离子电池的电池外壳的结构示意图；
图3是本发明具体实施方式中锂离子电池的环状电极的结构示意图；
图4是本发明具体实施方式中锂离子电池的柱状电极的结构示意图；
图5是本发明具体实施方式中锂离子电池的导电针的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的构思，是从电池结构方面改进来改善电池的容量性能。经研究，传统的结构中，铜箔(或铜网)、铝箔(或铝网)、隔膜这些非活性材料占用了大量空间，造成电池中活性材料占据的电池空间占比低，从而限制了电池的能量密度。本发明即从结构方面改进，提出一种完全不同于现有传统的电池结构，活性材料直接堆积于壳体内，没有铜箔或铝箔充当的集流体，也只用少量的隔膜，进而提升活性物质在电池中的空间占比，提升容量和能量密度。
如图1所示，为本具体实施方式中锂离子电池的结构示意图。锂离子电池包括电 池外壳1、环状电极2、柱状电极3、隔膜袋5、电解液(图中未示出)、导电棒6、极耳4和电池盖(图中未示出)。
参考图2～5所示的各组件的结构，电池外壳1的形状为圆柱形。在其它实施例中，也可为方形，从而制成方形电池。电池外壳1由导电材料制成，以便后续与环状电极接触后导电作为环状电极的集流体。本具体实施例中，电池外壳1采用金属外壳。
环状电极2为具有一定高度、厚度的环状结构，环状结构内部空心、上下贯通。柱状电极3为具有一定高度、厚度的实心柱状体。环状电极2和柱状电极3分别由正极活性物质混合粉、负极活性物质混合粉压制形成。如环状电极2是由正极活性物质混合粉压制而成，则柱状电极3由负极活性物质混合粉压制而成。通过后续组件的装配连接，电池外壳1将带正电，电池盖将带负电。如环状电极2是由负极活性物质混合粉压制而成，则柱状电极3由正极活性物质混合粉压制而成。通过后续组件的装配连接，电池外壳1将带负电，电池盖将带正电。正极活性物质混合粉由正极活性物质、导电剂和粘结剂混合得到，负极活性物质混合粉由负极活性物质、导电剂和粘结剂混合得到。正极活性物质可为钴酸锂、钴镍锰酸锂、钴镍酸锂、尖晶石锰酸锂、层状锰酸锂、磷酸亚铁锂中的一种或者多种的混合。负极活性物质可为石墨、硅碳材料、钛酸锂中的一种或者多种的混合。
上述环状电极2设置在电池外壳1的内部，环状电极2的外壁与电池外壳1的内壁紧密接触，从而环状电极2通过外壳1作为其集流体传导电流。柱状电极3由一定厚度的隔膜袋5包裹，置于环状电极2的内部。隔膜袋5为袋状结构，可为聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)材质的多孔膜，厚度为0.01～0.5mm。柱状电极3的内部插入导电棒6，极耳4一端与导电棒6的顶端连接，另一端与电池盖(图中未示出)连接，从而柱状电极3通过插入的导电棒作为其集流体传导电流。电解液注在环状电极2、隔膜袋5和柱状电极3之间。导电棒6由铝或铜等金属材料制作而成。优选地，导电棒6为尖刺状的导电针，通过针状结构插入柱状电极3中，可使电极柱3与导电针紧密接触，从而降低得到的电池的内阻。
通过上述结构设置，从而电池外壳带与环状电极相同极性的电，电池盖带与柱状电池相同极性的电，实现电池的功能。由于整个电池采用全新的结构设置，无需铜箔或者铝箔作为集流体，也只用少量的隔膜，大部分空间均由正极活性物质和负极活性物质填充占据，有效提升了活性物质在电池中所占空间的比例，从而大大提高电池的 能量密度。
如下，设置多个实验例进一步验证电池的容量性能。
实施例1：圆柱钢壳电池18650，负极石墨环在外侧，正极钴酸锂柱在中心，中间是袋式隔膜。正极的组成为钴酸锂26克、导电碳黑0.26～1.3克(正极活性物质质量的1～5％)、聚偏氟乙烯(PVDF)0.26～1.3克(正极活性物质质量的1～5％)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)，搅拌、压制成圆柱状。负极的组成为人造石墨12克、导电碳黑SP粉0.12～0.6克(负极活性物质质量的1～5％)、聚偏氟乙烯(PVDF)0.12～0.6克(负极活性物质质量的1～5％)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)，搅拌、压制成圆环状。在柱状正极外套上PP隔膜袋，装入环状负极内，然后组装到钢壳内。通过真空干燥、再插入铝制金属针(通过极耳焊接于帽盖上)，注液，密封；化成充电、分容而成。其中外壳带负电，帽盖带正电，电池4.2V～3V间0.2C放电容量为3770mAh，能量密度为844Wh/L。
实施例2：圆柱铝壳电池18650，正极钴酸锂环在外侧，负极石墨柱在中心，中间是袋式隔膜。正极的组成为钴酸锂26克、导电碳黑0.26～1.3克、PVDF0.26～1.3克和NMP，搅拌、压制成圆环状；负极的组成为人造石墨12克、导电碳黑SP粉0.12～0.6克、PVDF0.12～0.6克和NMP，搅拌、压制成圆柱状。在柱状负极外套上PP隔膜袋，装入环状正极内，然后组装在铝壳内。通过真空干燥、再插入铜制金属针(通过极耳焊接于帽盖上)，注液，密封；化成充电、分容而成。其中外壳带正电，帽盖带负电，电池4.2V～3V间0.2C放电容量为3770mAh。能量密度为844Wh/L。
实施例3：方型铝壳电池2250120，正极尖晶石锰酸锂环(方型)在外侧，负极石墨柱(方型)在中心，中间是袋式隔膜。正极的组成为尖晶石锰酸锂220克、导电碳黑2.2～11克、PVDF2.2～11克和NMP，搅拌、压制成方型环状。负极的组成为人造石墨68克、导电碳黑SP粉0.68～3.4克、PVDF0.68～3.4克和NMP，搅拌、压制成长方体柱状。在柱状负极外套上PE隔膜袋，装入环状正极内，组装在铝壳内。通过真空干燥、再插入铜制金属针(通过极耳焊接于帽盖上)，注液，密封；化成充电、分容而成。其中外壳带正电，帽盖带负电，电池4.2V～3V间0.2C放电容量为23.1Ah，能量密度为647Wh/L。
实施例4：圆柱钢壳电池18650，负极石墨环在外侧，正极钴镍酸锂柱在中心，中间是袋式隔膜。正极的组成为钴镍酸锂22克、导电碳黑0.22～1.1克、PVDF0.22～1.1克、NMP，搅拌、压制成圆柱状。负极的组成为人造石墨12.5克、导电碳黑SP粉0.125～0.625克、PVDF0.125～0.625克、NMP，搅拌、压制成圆环状。在柱状正极外套上PP隔膜袋，装入环状负极内，然后组装到钢壳内。通过真空干燥、再插入铝制金属针(通过极耳焊接于帽盖上)，注液，密封；化成充电、分容而成。其中外壳带负电，帽盖带正电，电池4.2V～3V间0.2C放电容量为3960mAh，能量密度为887Wh/L。
通过上述实施例的验证，各电池的放电容量和能量密度均远高于现有传统的18650型号电池的最大极限(最高容量为3100mAh，能量密度为694Wh/L)。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。