正负极片相互嵌入式纽扣电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种正负极片相互嵌入式纽扣电池及其制备方法，属于锂电池技术领域。它包括正极壳、正极片、隔膜、负极片、垫片、负极壳及电解液，正极片表面沿其圆周方向设有一圈以上且沿径向分布的第一环形凹槽和第一环形凸起，负极片表面沿其圆周方向设有一圈以上且沿径向分布的第二环形凸起和第二环形凹槽，其中，第一环形凹槽与第二环形凸起呈相互嵌入式配合，第一环形凸起与第二环形凹槽呈相互嵌入式配合。本发明专利技术通过正负极片相互嵌入式设计方式，为电池充放电过程中的体积变化提供缓冲间隙，减小体积变化应力，有利于提高纽扣电池循环性能和使用寿命。

Inter-embedded Button Battery with Positive and Negative Plates and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
正负极片相互嵌入式纽扣电池及其制备方法
本专利技术涉及一种可充放电式电池，属于锂电池
，具体地涉及一种正负极片相互嵌入式纽扣电池及其制备方法。
技术介绍
常用电池根据形状的不同可分为方形电池、圆柱电池、纽扣电池等类型。纽扣电池具有轻薄、微小等特点广泛应用于电子手表、电子天平、电动玩具等小型便携式设备中。目前广泛应用的纽扣电池有AgO电池、Zn-Mn电池、Li-MnO2电池等，然而这类电池容量低、能量密度小、寿命有限且不可循环使用。锂离子纽扣电池具有能量密度大、放电电压高、充放电速度快、体积小、可循环充放电等优点，市场潜力巨大。随着人们对电池新材料、新工艺和新技术的研发，以镍钴锰、镍钴铝三元材料为正极活性物质，锡、硅及其氧化物为负极活性物质的高性能锂电池获得广泛关注。然而一方面高性能活性物质在锂离子纽扣电池的研究和应用较少，另一方面锡、硅基负极在充放电过程中存在巨大的体积变化和快速容量衰减。为了提高锂离子纽扣电池容量和使用寿命，通常是采用对纽扣电池的正负极片材料进行改进，然而材料改进的过程比较慢，并且有时效果并非十分理想；目前鲜有关于纽扣电池正负极片结构的报道。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种正负极片相互嵌入式纽扣电池及其制备方法，通过正负极片相互嵌入式设计方式，为电池充放电过程中的体积变化提供缓冲间隙，减小体积变化应力，有利于提高纽扣电池循环性能和使用寿命。为实现上述目的，本专利技术公开了一种正负极片相互嵌入式纽扣电池，它包括正极壳、正极片、隔膜、负极片、垫片、负极壳及电解液，所述正极片表面沿其圆周方向设有一圈以上且沿径向分布的第一环形凹槽、第一环形凸起，所述负极片表面沿其圆周方向设有一圈以上且沿径向分布的第二环形凸起、第二环形凹槽，所述第一环形凹槽与所述第二环形凸起呈相互嵌入式配合，所述第一环形凸起与所述第二环形凹槽呈相互嵌入式配合。本专利技术采用正负极片内部相互嵌入配合的方式，可为锂电池充放电过程中的体积变化提供缓冲间隙，同时由于内部比表面积增大，还有利于显著改善电解液润湿性能和锂离子传输速率。进一步地，所述第一环形凹槽的纵向截面形状包括方形、梯形或锥形中的至少一种。进一步地，所述第一环形凸起的纵向截面形状包括方形、梯形或锥形中的至少一种。优选的，在正极片与负极片之间还设有隔膜，所述隔膜折叠形成具备凹槽及凸起的结构。优选的，所述隔膜为圆形隔膜，所述圆形隔膜的直径是圆形正极片或圆形负极片直径的1.2～1.5倍。优选的，所述隔膜的材质为聚烯烃材质、陶瓷材质或纤维材质中的一种。进一步地，所述第一环形凹槽、第一环形凸起的高度为正极片厚度的1/3～2/3。进一步地，所述第二环形凸起、第二环形凹槽的高度为负极片厚度的1/3～2/3。进一步地，所述负极片由下至上包括负极金属集流体、涂碳层、负极活性层和锂化层，所述负极活性层由负极活性物质、粘结剂和导电剂组成。进一步地，所述负极活性物质包括石墨、锡基、硅基、硅碳复合材料中的至少一种。优选的，所述粘结剂包括羧甲基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)或聚丙烯酸(PAA)中的一种。优选的，所述导电剂包括导电炭黑、碳纳米管或石墨烯中的一种。优选的，所述负极金属集流体为铜箔。优选的，所述涂碳层为采用微凹版技术涂布碳纳米管或石墨烯浆料，所述涂碳层厚度为1～3um。优选的，所述锂化层为金属锂粉，采用喷涂方式涂覆在负极活性层表面。为了更好的实现本专利技术技术目的，本专利技术还公开了一种上述正负极片相互嵌入式纽扣电池的制备方法，它包括制备正极片、负极片，及将所述正极片、负极片和隔膜及电解液组装在一起；所述负极片的制备过程如下：1)在负极金属集流体表面涂碳，形成涂碳层；2)在所述涂碳层表面首先涂覆厚度为整个负极活性层厚度1/3～2/3的第一负极活性层，然后取同心环状模板置于第一负极活性层表面，向所述同心环状模板的凹槽内部填充负极活性浆料，干燥后，取出同心环状模板，形成第二负极活性层；3)在所述第二负极活性层表面喷涂金属锂粉，得锂化层。优选的，所述同心环状模板的纵向剖面形状包括方形、梯形或锥形中的至少一种。优选的，所述锂化层厚度为0.1～0.5um。进一步地，所述正极片的制备过程如下：取正极活性浆料涂覆在正极集流体表面形成第一正极层，取同心环状模板置于第一正极层表面，向所述同心环状模板的凹槽内部填充正极活性浆料，干燥后，取出同心环状模板，形成第二正极层。优选的，所述同心环状模板的环状结构包括方形、梯形或锥形中的至少一种。优选的，所述粘结剂为偏聚二氟乙烯(PVDF)。优选的，所述导电剂包括导电炭黑、碳纳米管或石墨烯中的一种。优选的，所述正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂(NCM)或镍钴铝酸锂(NCA)中的一种。优选的，所述正极集流体为铝箔或镍箔。进一步，按照正极壳→正极片→电解液→隔膜→电解液→负极片→垫片→负极壳顺序装配，随后在电池封口机上封装，形成所述锂离子纽扣电池。本专利技术的有益效果主要体现在如下几个方面：1、本专利技术设计了一种纽扣锂电池，通过正负极片之间的凹槽、凸起嵌入式配合方式，为锂电池充放电过程中的体积变化提供缓冲区间，减小了电池充放电过程中的体积变化应力，有利于提高纽扣电池循环性能和寿命；2、本专利技术设计的纽扣锂电池，由于正负极片比表面积增大，有利于显著改善电解液润湿性能和锂离子传输速率；3、本专利技术设计的纽扣锂电池中负极片采用涂膜和预锂化设计方式，可显著改善纽扣电池倍率性能和库伦效率；4、本专利技术设计的纽扣锂电池中正负极片之间采用中间隔膜进行“锚定”，有效的抑制了电池过热、过充中的热收缩，提高纽扣电池安全性能；5、本专利技术的电池制备过程中，由于正负极片之间凹槽、凸起的设计方式，使得更易定位及装配，电池的一致性好。附图说明图1为本专利技术纽扣电池的纵向剖面结构示意图；图2为图1中正极片与负极片连接关系结构示意图；图3为图1中正极片与负极片连接关系结构示意图；图4为图1中正极片与负极片连接关系结构示意图；图5为圆形正极片的横向剖面结构示意图；图6为图5中圆形正极片的A-A向剖面结构示意图；图7为圆形负极片的横向剖面结构示意图；图8为图7中圆形负极片的B-B向剖面结构示意图；图9为图1中负极片的层状结构示意图；图10为不同纽扣电池1C放电循环性能。其中，上述附图中各部件标号如下：正极壳1、正极片2(其中：第一环形凹槽2.1、第一环形凸起2.2)、隔膜3、负极片4(第二环形凸起4.1、第二环形凹槽4.2、负极金属集流体4a、涂碳层4b、负极活性层4c、锂化层4d)、垫片5、负极壳6。具体实施方式如图1所示，本专利技术公开了一种纽扣电池，它包括正极壳1、正极片2、隔膜3、负极片4、垫片5、负极壳6及电解液组成，如图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8可知，所述正极片2表面沿其圆周方向设有一圈以上且沿径向分布的第一环形凹槽2.1和第一环形凸起2.2，所述第一环形凹槽2.1与第一环形凸起2.2可交叉分布；所述负极片4表面沿其圆周方向设有一圈以上且沿径向分布的第二环形凸起4.1和第二环形凹槽4.2，所述第二环形凸起4.1与第二环形凹槽4.2可交叉分布；所述第一环形凹槽2.1与所述第二环形凸起4.1呈相互嵌入式配合，所述第一环形凸起2.2与所述第二环形凹槽4.2呈相互嵌入式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种正负极片相互嵌入式纽扣电池，它包括正极壳、正极片、隔膜、负极片、垫片、负极壳及电解液，所述正极片表面沿其圆周方向设有一圈以上且沿径向分布的第一环形凹槽、第一环形凸起，所述负极片表面沿其圆周方向设有一圈以上且沿径向分布的第二环形凸起、第二环形凹槽，所述第一环形凹槽与所述第二环形凸起呈相互嵌入式配合，所述第一环形凸起与所述第二环形凹槽呈相互嵌入式配合。

【技术特征摘要】
1.一种正负极片相互嵌入式纽扣电池，它包括正极壳、正极片、隔膜、负极片、垫片、负极壳及电解液，所述正极片表面沿其圆周方向设有一圈以上且沿径向分布的第一环形凹槽、第一环形凸起，所述负极片表面沿其圆周方向设有一圈以上且沿径向分布的第二环形凸起、第二环形凹槽，所述第一环形凹槽与所述第二环形凸起呈相互嵌入式配合，所述第一环形凸起与所述第二环形凹槽呈相互嵌入式配合。2.根据权利要求1所述正负极片相互嵌入式纽扣电池，其特征在于：所述第一环形凹槽的纵向截面形状包括方形、梯形或锥形中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述正负极片相互嵌入式纽扣电池，其特征在于：所述第一环形凸起的纵向截面形状包括方形、梯形或锥形中的至少一种。4.根据权利要求3所述正负极片相互嵌入式纽扣电池，其特征在于：所述第一环形凹槽、第一环形凸起的高度为正极片厚度的1/3～2/3。5.根据权利要求1或2所述正负极片相互嵌入式纽扣电池，其特征在于：所述第二环形凸起、第二环形凹槽的高度为负极片厚度的1/3～2/3。6.根据权利要求1或2所述正负极片相互嵌入式纽扣电池，其特征在于：所述负极片由下至上包括负极金属集流体、涂碳层、负极活性层和锂化层，所述负极活性层由负极活性物质、粘结剂和导电剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟兵，马卫，张天赐，陈中华，陈刚，江长清，华诚，杨梢，
申请(专利权)人：湖北锂诺新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42