高能安全聚合物锂离子电池及其生产工艺制造技术

本发明专利技术提供一种胶态聚合物锂离子电池的结构设计和制备方法。该胶态聚合物锂离子电池主要由四种复合元件构成：正、负电极片、聚合物／电解质／聚乙－丙烯隔膜复合体和塑料／金属箔复合膜作为软外包装。经过液相沉积工艺在正、负电极片和隔膜表面上形成聚合物粘性微粒，再经过电池芯的刚化反应与聚合物电解质的胶化反应使电池芯形成一个具有自身机械强度和刚性的整体。从而减缓或削除电极片与隔膜的脱落与分离，以及电池的充涨问题；提高电池质量和一致性。本发明专利技术胶态聚合物锂离子电池可提供更高能量密度和更安全性能。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】现代移动式电子设备和通信设备中大量使用的可充电电池(蓄电池或称为二次电池)已经历了三代发展过程第一代为镍镉蓄电池(重量比能量密度50Wh/kg)，第二代为镍金属氢蓄电池(重量比能量密度80Wh/kg)，第三代为锂离子蓄电池(重量比能量密度130Wh/kg)。锂离子电池自1990年问世和1993年规模生产以来，以其它蓄电池(镍镉和镍金属氢)所不可比拟的卓越性能和外型优势迅速占领了许多市场领域，得到了迅猛的发展。锂离子蓄电池作为高技术新产品已广泛地应用于手机、笔记本电脑、手持电脑、个人数字助理(PDA)、小型摄像机、数字照相机、便携式DVD/VCD和MP3播放机等，已成为各种现代移动通讯设备和电子设备不可缺少的部件。为移动中办公、管理企业和从事各种商务活动提供了许多方便。但是，随着技术的更新和发展，市场对移动设备电源提出了更高的要求，例如更薄、更轻、任意形状、更高能量密度、更安全和更低价格。锂离子电池不仅在薄、轻、任意形状和能量密度方面都不能满足要求。而且，由于锂离子电池中使用易燃和腐蚀性液体作为电解质，其安全性能一直令生产厂商和用户担心。电池漏液造成电子器件腐蚀和损坏的事故也时有发生。此外，锂离子电池的制造工艺复杂，成本高、价格贵，例如，需要使用昂贵的激光焊接机封接电池外壳。因此，研发新一代电池势在必行。自从1994年起，美国等工业发达国的电池公司开始研发聚合物锂离子电池，例如美国彪阔公司(Bell Communication Research Inc.)、长寿电池公司(Ultralife Battery Inc)、畏伦斯公司(Valence Inc)、韩国的三星和日本的日立等公司先后在专利中宣称，专利技术了一种新型锂离子电池，即聚合物锂离子电池。该电池采用金属网(或金属箔)作电极的基片，电极膜涂布在金属网上，固体聚合物电解质代替了液体电解质，叠片式电池芯代替了卷绕式电池芯，铝泊/塑料复合软外包装代替了金属(铝或钢)壳。此类聚合物锂离子电池的优点是外型尺寸变化容易和简便，可以根据用户的要求度身订造电池，对于3mm以下的超簿型电池更加有利。专利还宣称，由于采用固态或胶体电解质而使电池漏液所造成环境污染和部件腐蚀等问题得到缓解和避免。但是，此类聚合物锂离子电池在生产和应用中存在如下缺点(1)此类聚合物锂离子电池生产工艺流程复杂，操作时间很长，技术不成熟和质量难以控制。例如，聚合物电解质中含有造孔剂，该造孔溶剂的萃出，仅一道工序就需要数十分钟。因此，其生产成本很高，成品率很低，其工艺技术难以应用于低成本、大规模生产中。(2)电池中的电解质并非单相聚合物胶体，而是聚合物-电解液的固液二相共存体。从工艺过程来看，聚合物与造孔剂按7∶3的比例制成隔膜片(此时造孔剂是以子相形式存在聚合物隔膜(母相)之中)，放置在正负极之间，经120℃热压后，再于50-85℃温度下和经过40分钟真空作业把造孔剂从隔膜中萃出。造孔剂被萃出后，在聚合物隔膜母体中留下约30％的微孔。这些微孔在下一道活化工序中吸入电解液。因此，电解质是以聚合物-电解液的固液二相共存状态存在于电池芯中，聚合物与电解液之间没有化学键合，只有物理吸附。如果软外包装壳密封有缺陷，电解液仍可流出壳外。此类聚合物锂离子电池在使用中的漏液和腐蚀现象仍然存在。(3)由于此类聚合物电解质在电池中作为隔膜使用，而且其粘接性很差，正、负电极片与隔膜容易分离和脱落。因此，电池芯是松散的，没有自身强度和刚性，而外壳又是软塑料包装。在充放电过程中产生的气体容易造成电池的膨胀和变形等问题。(4)聚合物电解质隔膜的厚度约为50-200微米，远远超过液体锂电池中隔膜的厚度(20微米)。使正、负电极片的间距加大，导致电池内阻增高。其后果是电池在室温大电流条件下的充放电性能降低和低温条件下放电能力远远低于液体锂电池。(5)聚合物电解质隔膜没有液体锂电池中使用的聚乙烯/丙烯复合隔膜所具有的热熔保护机制。液体锂电池在过充、过放和过热等条件下，聚乙烯/丙烯复合隔膜会因电芯发热到熔点温度(130℃)而熔化，使隔膜中的所有微孔通道都被关闭，从而阻隔了电解液的流通，即形成无限大内阻和开路，最终使电池安全冷却下来，而不发生喷液、失火或爆炸等现象。然而，由于聚合物电解质隔膜不具有热熔保护效应，与液体锂离子电池相比，其安全性反而降低。本专利技术的目的在于提供一种新型电池设计和工艺操作方法来制备胶态聚合物锂离子电池。此新型设计的特点是超能、安全和低价。新工艺方法的特点是，工艺流程和生产设备简单、每道工序作业时间短、操作成本低、生产率高、过程容易控制、成品率高。采用本专利技术工艺方法生产出的聚合物锂离子电池与现有技术生产的聚合物锂离子电池和液体锂离子电池相比，具有超高能量密度、更好的安全性能和更低的生产成本。本专利技术所提供的技术方向是通过粘微粒液相沉积和电解质胶化反应，使胶体聚合物电解质加聚乙-丙烯隔膜带的复合体不仅起到电解质(电子绝缘和离子导体)的作用，而且有强力粘合效应。具体而言，是以聚合物微粒和胶态聚合物电解质作为粘结剂，将正电极/隔膜/负电极三者紧密粘结在一起，使电芯(卷绕式或叠层式)形成一个坚实的和独立的整体。电池的塑料/铝箔复合膜软外包装只是一个把电池芯与外部环境隔离的介质，而不是一个刚性壳体，不需要为电池芯提供任何刚性和强度支持。当电池在充放电的过程中，电池芯本身不会发生膨胀、松散和变形，始终保持自身的强度和刚性。按照本专利技术所提供的电池设计与工艺技术条件进行的生产操作，可以解决的问题和达到的目标分述如下(1)提高聚合物锂离子电池的安全性能在现有的生产工艺设计中，聚合物锂离子电池都是用固态聚合物电解质作为隔膜。也就是说，聚合物电解质有双重作用既是隔膜(电子绝缘体)又是电解液的载体(锂离子导体)。然而，聚合物电解质的机械强度不好，温度系数很大。在室温下，固态聚合物电解质尚可起到电子绝缘体的作用，将电芯中的正、负极分隔开来。但是，当温度升高时或是电池受到一定的外压时，此类聚合物电解质就会迅速软化，其机械性能变差，以至无法保持原有隔膜的形状和厚度、即无法继续将电芯中的正、负电极分隔开来。因此，电芯中某些部位的正、负电极会相互接触形成短路，造成电芯局部过热。局部电芯过热，会导致更大面积的聚合物电解质软化变形、融解收缩，致使更大面积的正、负电极短路，电池温度会更快地上升。最后，此类连锁滚动反应将导致电池喷液失火燃烧。本专利技术所提供的结构设计将会有效地克服上述问题。在本专利技术的聚合物锂离子电池中，胶态聚合物电解质与复合聚乙-丙烯隔膜共存，胶态聚合物电解质是以连续状态存在于复合聚乙-丙烯隔膜的表面和微孔之中，并与正、负电极表面相接触。在本专利技术所提供的工艺技术条件下，胶态聚合物电解质作为电解质而言只有一种功能锂离子导体。隔膜(电子绝缘体)的功能是由复合聚乙-丙烯膜带来完成的。由于复合聚乙-丙烯膜带具有良好的高温机械特性，上述的局部短路现象发生的概率大大减小。更重要的是，复合聚乙-丙烯膜带的熔融温度在120-150℃之间，在此温度下隔膜带中的微孔结构会因熔融而被封密起来，导致包含在微孔中的胶态电解质被封密和隔离开来，即锂离子导体失效。也就是行业技术术语常说的隔膜热阻效应(热熔保护效应、热开关效应)。在此情行下，电池芯成为一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种胶态聚合物锂离子电池的结构设计，主要由四种复合元件构成： １ａ．负电极复合元件是由活性物质＋导电剂＋粘结剂组成的混合体涂布在金属铜箔表面上； １ｂ．正电极复合元件是由活性物质＋导电剂＋粘结剂组成的混合体涂布在金属铝箔表面上； １ｃ．隔膜复合元件是由聚合物粘性微粒＋胶态电解质组成的混合体沉积在聚乙－丙烯隔膜带两个表面上； １ｄ．外包装复合元件是多层聚乙烯膜＋聚丙烯膜贴在铝箔的表面上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄穗阳，
申请(专利权)人：黄穗阳，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]