可加热线缆结构的固态锂离子电池及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种可加热线缆结构的固态锂离子电池及其制备方法和用途，所述制备方法通过分别制备包括电加热聚合物层的线性复合负极组件和线性复合正极组件，将线性复合正极组件缠绕在线性复合负极组件的外表面，或将线性复合负极组件缠绕在线性复合正极组件的外表面，得到所述可加热线缆结构的固态锂离子电池；通过使用固态电解质制备锂离子电池，提升电池的安全性能，又在电池中引入电加热聚合物膜层，将电池加温，解决了室温下固态锂离子电池无法正常工作的问题，同时，使用简洁的层状线缆型结构，使得电池具有很好的柔性，可应用于各种可弯折电子设备中。于各种可弯折电子设备中。于各种可弯折电子设备中。

【技术实现步骤摘要】
可加热线缆结构的固态锂离子电池及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于锂离子电池领域，尤其涉及一种可加热线缆结构的固态锂离子电池及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]便携式电子设备、电动汽车、智能电网都与锂离子电池密切相关，因为锂离子电池具有无记忆效应、循环寿命长、能量密度高等优点。然而，使用有机液体电解质的锂离子电池也有一些不利的特点，包括有机液体电解质系统的泄漏、高挥发性、易燃性以及锂枝晶的生长，这可能导致电池性能的退化，甚至发生一些不可预知的危险安全事故。为了解决安全问题并提高耐用性，已经考虑了许多策略，使用固态电解质。固态聚合物电解质，采用聚合物基体和锂盐合成，具有灵活性、与电极粘附性好、成本低、重量轻、可扩展性好等优点。然而，需要解决室温下离子电导率低的问题。因此，将锂电池控制在适合的工作温度成为了一个重大的挑战。此外，目前的商业全固态锂离子无法弯曲折叠，因此在可穿戴智能手表等电子设备方面具有难以应用的局限性。
[0003]CN111740170B公开了一种由铝线、硫化锂/碳复合正极极片、复合固态电解质、和铜线构成的线缆结构全固态锂硫电池，虽然线缆结构的锂硫电池易于折叠，卷曲，但是并没有解决电池工作温度的问题；此外，CN107369865A公开了一种具备自加热功能的锂离子二次电池，该专利技术可以在低温时通过使金属箔短路，瞬间产生较大的电流，从而使得金属箔发热的方式提高电池温度，但是该方法容易造成发生热失控带来的重大安全风险，同时，该专利技术并没有解决液体电解质系统的锂离子电池带来的安全问题。
[0004]CN108107940A公开了一种可调节温度的集成控制系统。该温度系统包括控制器以及若干温度传感器，控制器通过温度传感器的所反馈的温度，进行加热装置的开启与关闭，从而保护电池温度，从而实现对电池的温度的控制。显然，该方法并且结构复杂、集成度不高，空间利用率低下，工艺复杂，成本较高。
[0005]CN112333861A公开了一种可变功率的电池加热膜及锂离子电池，包括上、下绝缘包覆层和设置在上、下绝缘包覆层中间的加热层，所述加热层包含多个加热回路，该专利技术也是采用容易热失控的电阻丝，同时，该专利技术的加热方式多为外部加热，这就会导致电池内部温度不均匀，从而无法发挥电池的全部性能。
[0006]为了更好地利用固态电解质的优势，需要研究具有新结构的固态锂离子电池来解决现有问题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的固态锂离子电池低温下无法运行，现有的电池加热方式存在安全风险、电池材料不能弯曲折叠等问题，本专利技术提出了可加热线缆结构的固态锂离子电池及其制备方法和用途，通过在线缆结构的复合负极材料中包覆电加热聚合层，在低温下加热电池从而将固态锂电池控制在适合的工作温度，同时由于复合负极部分和复合正极部
分均为线缆型，易于弯折，适合用于小型可折叠式电子设备。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种可加热线缆结构的固态锂离子电池，所述固态锂离子电池包括线性复合负极组件和线性复合正极组件；所述固态锂离子电池中线性复合正极组件整个包围线性复合负极组件并沿所述线性复合负极组件的外表面卷绕组成或所述固态锂离子电池中线性复合负极组件整个包围线性复合正极组件并沿所述线性复合正极组件的外表面卷绕组成。
[0010]由于传统液态锂离子电池安全性差，本专利技术提供的可加热线缆结构的固态锂离子电池采用固态电解质避免充电过程中安全事故的发生；进一步地在电池中含有电加热聚合物层以解决室温下固态电解质离子电导率较低的问题；同时电池的正负极均为层状线缆型结构，适合用于可弯折电子设备。
[0011]优选地，所述线性复合负极组件和线性复合正极组件的横截面的形状没有特殊限定，例如可以是圆形、椭圆形或多边形。
[0012]优选地，所述线性复合负极组件和线性复合正极组件沿中心轴方向上无限延伸。
[0013]本专利技术中，可以是线性复合正极组件卷绕在线性复合负极组件外部，也可以是线性复合负极组件卷绕在线性复合正极组件外部，但是线性复合负极组件的容量高，所以做成了线状，而线性复合正极组件的容量低，所以采用线性复合正极组件绕线式地分布在线性复合负极组件的外部，可以更好地实现容量匹配，此外，本专利技术中的线性复合负极组件一般薄于线性复合正极组件，如果线性复合负极组件在芯层，在弯曲编织时更不易开裂。
[0014]优选地，所述线性复合负极组件由内向外依次包括：铜线、电加热聚合物层、第一铜集流体层、聚合物封装层、第二铜集流体层和硅碳负极材料层。
[0015]优选地，所述线性复合正极组件由内向外依次包括：铝线、磷酸铁锂碳复合正极层和聚合物固态电解质层。
[0016]传统液态锂离子电池很难实现高能量密度和安全性兼得，而固态电池的固态电解质则替代了传统锂离子电池中的液体电解质和隔膜，突破了能量密度和安全性的双重限制；由于固态电解质结构简单且具有较好的绝缘性，因此可以避免短路之后的热失控问题，安全性和稳定性更高，有着广泛的应用前景；然而，无论何种介质体系，常温下固态电解质的导锂能力均不出色，相比于液态电解质差了多个数量级，这导致固态电解质的导电率低，由此，本专利技术通过在固态锂离子电池中设置电加热聚合物层的方法，可以有效解决固态电解质在室温下导电性能较差的问题。
[0017]优选地，所述电加热聚合物层的原料包括：聚合物、导电碳、无机填料和溶剂。
[0018]优选地，所述电加热聚合物层的原料按照重量份计包括：聚合物50～80份，例如可以是50份、60份、70份或80份，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；导电碳15～35份，例如可以是15份、20份、25份、30份或35份，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；无机填料5～10份，例如可以是5份、6份、7份、8份、9份或10份，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；和溶剂200～400份，例如可以是200份、250份、300份、350份或400份，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0019]优选地，所述电加热聚合物层的厚度为20～50μm，例如可以是20μm、25μm、30μm、35
μm、40μm、45μm或50μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0020]优选地，电加热聚合物层的原料中所述聚合物包括热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚醚砜或聚苯并咪唑中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为热塑性聚氨酯弹性体橡胶和聚醚砜的组合、热塑性聚氨酯弹性体橡胶和聚苯并咪唑的组合或聚苯并咪唑和聚醚砜的组合等，但并不仅限于所列举的组合，该范围内其他未列举的组合同样适用。
[0021]优选地，电加热聚合物层的原料中所述导电碳包括导电炭黑、石墨或导电碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为导电炭本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可加热线缆结构的固态锂离子电池，其特征在于，所述固态锂离子电池包括线性复合负极组件和线性复合正极组件，所述线性复合负极组件包括电加热聚合物层；所述固态锂离子电池中线性复合正极组件整个包围线性复合负极组件并沿所述线性复合负极组件的外表面卷绕组成或所述固态锂离子电池中线性复合负极组件整个包围线性复合正极组件并沿所述线性复合正极组件的外表面卷绕组成。2.根据权利要求1所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述线性复合负极组件由内向外依次包括：铜线、电加热聚合物层、第一铜集流体层、聚合物封装层、第二铜集流体层和硅碳负极材料层；优选地，所述线性复合正极组件由内向外依次包括：铝线、磷酸铁锂碳复合正极层和聚合物固态电解质层。3.根据权利要求1或2所述的固态锂离子电池，其特征在于，所述电加热聚合物层的原料包括：聚合物、导电碳、无机填料和溶剂；优选地，所述电加热聚合物层的原料按照重量份计包括：聚合物50～80份、导电碳15～35份、无机填料5～10份和溶剂200～400份；优选地，所述电加热聚合物层的厚度为20～50μm；优选地，所述电加热聚合物层的原料中聚合物包括热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚醚砜或聚苯并咪唑中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述电加热聚合物层的原料中导电碳包括导电炭黑、石墨或导电碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述无机填料包括二氧化硅、氧化铝、氧化钛、氮化硅、碳化硅、氮化硼或碳化硼中的任意一种或至少两种的组合；优选地，电加热聚合物层的原料中所述溶剂包括N
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甲基吡咯烷酮、N,N
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二甲基甲酰胺或N,N
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二甲基乙酰胺中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述第一铜集流体层的材质包括铜；优选地，所述第一铜集流体层的厚度为2～10μm；优选地，所述聚合物封装层的原料包括聚合物；优选地，聚合物封装层的原料中所述聚合物包括热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚醚砜或聚苯并咪唑中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述第二铜集流体层的材质包括铜；优选地，所述第二铜集流体层的厚度为2～10μm；优选地，所述硅碳负极材料层的原料包括硅碳复合材料、导电碳、粘结剂和溶剂；优选地，所述硅碳负极材料层的原料按照重量份计为：硅碳复合材料60～80份、导电碳10～20份、粘结剂10～20份和溶剂200～400份；优选地，所述硅碳负极材料层的厚度为10～60μm；优选地，所述硅碳复合材料的原料为硅单质和石墨；优选地，所述硅单质的质量分数为硅碳复合材料的10～50wt％；优选地，所述硅碳负极材料层的原料中导电碳包括导电炭黑、石墨或导电碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述硅碳负极材料层的原料中粘结剂包括聚丙烯酸、聚偏氟乙烯或丁苯橡胶
乳液中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述硅碳负极材料层的原料中溶剂包括N
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甲基吡咯烷酮和/或N,N
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二甲基甲酰胺；优选地，所述磷酸铁锂碳复合正极层的原料包括磷酸铁锂、导电碳、粘结剂和溶剂；优选地，所述磷酸铁锂碳复合正极层的原料按照重量份计为：磷酸铁锂70～80份、导电碳10～15份、粘结剂10～15份和溶剂200～400份；优选地，所述磷酸铁锂碳复合正极层的厚度为20～100μm；优选地，所述磷酸铁锂碳复合正极层的原料中导电碳包括导电炭黑、石墨或导电碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述磷酸铁锂碳复合正极层的原料中粘结剂包括聚丙烯酸、聚偏氟乙烯或丁苯橡胶乳液中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述磷酸铁锂碳复合正极层的原料中溶剂包括N
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甲基吡咯烷酮和/或N,N
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二甲基甲酰胺；优选地，所述聚合物固态电解质层的原料包括聚合物、锂盐和溶剂；优选地，所述聚合物固态电解质层的原料按照重量份计为：聚合物80～90份、锂盐10～20份和溶剂200～400份；优选地，所述聚合物固态电解质层的厚度为50～200μm；优选地，所述聚合物固态电解质层的原料中聚合物包括聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈或聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述锂盐包括高氯酸锂、双三氟甲磺酰亚胺锂或六氟磷酸锂中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述聚合物固态电解质层的原料中溶剂包括N
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甲基吡咯烷酮和/或N,N
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二甲基甲酰胺。4.一种如权利要求1～3任一项所述的可加热线缆结构的固态锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：分别制备包括电加热聚合物层的线性复合负极组件和线性复合正极组件，将线性复合正极组件缠绕在线性复合负极组件的外表面，或将线性复合负极组件缠绕在线性复合正极组件的外表面，得到所述可加热线缆结构的固态锂离子电池。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述线性复合负极组件的制备方法包括以下步骤：(1)铜丝浸入电加热聚合物浆料，通过限位孔后固化得到表面具有电加热聚合物层的铜丝；(2)所述表面包裹电加热聚合物层的铜丝经过一次化学镀铜，得到表面具有第一铜集流体层的铜丝；(3)所述表面具有第一铜集流体层的铜丝浸入聚合物封装涂料通过限位孔后固化得到表面具有聚合物封装层的铜丝；(4)所述表面具有聚合物封装层的铜丝经过二次化学镀铜，得到表面具有第二铜集流体层的铜丝；(5)所述表面具有第二铜集流体层的铜丝浸入硅碳负极浆料通过限位孔后固化得到所
述线性复合负极。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述电加热聚合物浆料的原料包括聚合物、导电碳、无机填料和溶剂；优选地，所述电加热聚合物浆料的原料按照重量份计为：聚合物50～80份、导电碳15～35份、无机填料5～10份和溶剂200～400份；优选地，步骤(1)中所述聚合物包括热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚醚砜或聚苯并咪唑中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)中所述导电碳包括导电炭黑、石墨或导电碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述无机填料包括二氧化硅、氧化铝、氧化钛、氮化硅、碳化硅、氮化硼或碳化硼中的任意一种或至少两种的组合；优选地，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国光，夏阳，王启跃，王占洲，蒋易晟，张昊阳，
申请(专利权)人：横店集团东磁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：