一种锂离子储能器件.pdf

1、(10)申请公布号 CN 104200999 A (43)申请公布日 2014.12.10 CN 104200999 A (21)申请号 201410425979.7 (22)申请日 2014.08.26 H01G 11/24(2013.01) H01G 11/06(2013.01) H01M 4/13(2010.01) H01M 10/0525(2010.01) (71)申请人 中国科学院电工研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村北二条 6 号 (72)发明人 孙现众 马衍伟 张熊 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 关玲 (54) 发明名称

2、一种锂离子储能器件 (57) 摘要 一种锂离子储能器件， 包括壳体、 置于壳体内 部的电芯和含浸于电芯内的电解液， 所述的电芯 是由正极电极片、 负极电极片和置于正极与负极 之间的隔膜通过卷绕或叠片的方式得到的， 所述 的正极电极片包括正极集流体和涂覆于正极集流 体上的正极涂布层， 所述的负极电极片包括负极 集流体和涂覆于负极集流体上的负极涂布层， 所 述的正极电极片含有贯穿正极电极片的穿孔的孔 痕， 所述的负极电极片含有贯穿负极电极片的穿 孔的孔痕。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求

3、书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104200999 A CN 104200999 A 1/1 页 2 1. 一种锂离子储能器件， 包括壳体、 置于壳体内部的电芯和含浸于电芯内的电解液， 所 述的电芯由正极电极片、 负极电极片和置于正极与负极之间的隔膜通过卷绕或叠片的方式 形成 ； 所述的正极电极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极涂布层， 所述的负 极电极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极涂布层， 其特征在于 ： 所述的正极 电极片含有贯穿正极电极片的通孔的孔痕， 所述的负极电极片含有贯穿负极电极片的通孔 的孔痕。 2. 根据权利要求 1 所述的锂离子储能

4、器件， 其特征在于 ： 所述的正极电极片和负极电 极片的通孔的孔痕由针刺的穿孔经辊压后形成。 3. 根据权利要求 2 所述的锂离子储能器件， 其特征在于 ： 所述的正极电极片和负极电 极片的通孔的孔痕的数目为 0.1 10 个每平方毫米。 4. 根据权利要求 2 所述的锂离子储能器件， 其特征在于 ： 所述的正极电极片和负极电 极片的通孔为圆形， 通孔的直径为 0.05 0.5 毫米。 5. 根据权利要求 2 所述的锂离子储能器件， 其特征在于 ： 所述的正极电极片和负极电 极片的通孔为多边形， 通孔外接圆的直径为 0.05 0.5 毫米。 权 利 要 求 书 CN 104200999 A 2

5、 1/3 页 3 一种锂离子储能器件 技术领域 0001 本发明涉及一种电化学储能器件， 尤其涉及一种锂离子储能器件。 背景技术 0002 锂离子储能器件的负极通常首周库伦效率低于 100， 甚至对于某些负极活性材 料首周库伦效率仅 50 70， 从而降低了器件的可逆容量。对负极预嵌锂可以克服这一 缺点。专利 CN 103413692 A 公开了一种锂离子电容器的制造方法， 即采用含有 30 50 开孔率的铝箔和铜箔分别为正极电极片和负极电极片的集流体， 在多孔集流体上涂布电极 涂层， 制成电极片。这里， 孔作为锂离子穿梭的通道。采用这样的电极片可以实现对负极电 极片的预嵌锂。然而， 这种方法

6、存在以下不足 ： (1) 多孔集流体要采用光刻和腐蚀的办法制 造， 工艺复杂、 制造成本高 ； (2) 由于孔的存在降低了多孔集流体的强度， 给涂布工艺带来 不便 ； (3) 电极涂层会阻塞孔隙， 降低锂离子的扩散速率。 发明内容 0003 本发明的目的是提供一种更为方便、 工艺成本更低的锂离子储能器件。 0004 为了解决上述技术问题， 本发明采用以下技术方案 ： 0005 一种锂离子储能器件， 包括壳体、 置于壳体内部的电芯和含浸于电芯内的电解液， 所述的电芯是由正极电极片、 负极电极片和置于正极与负极之间的隔膜通过卷绕或叠片的 方式形成的， 所述的正极电极片包括正极集流体和涂覆于正极集流

7、体上的正极涂布层， 所 述的负极电极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极涂布层， 所述的正极电极片 含有贯穿正极电极片的通孔的孔痕， 所述的负极电极片含有贯穿负极电极片的通孔的孔 痕。 0006 所述的正极电极片和负极电极片所含有的通孔的孔痕是由针刺的穿孔经辊压后 形成的。 0007 所述的正极电极片和负极电极片的通孔的孔痕的数目为0.110个每平方毫米。 0008 所述的正极电极片和负极电极片的通孔为圆形， 穿孔的直径为 0.05 0.5 毫米。 0009 所述的正极电极片和负极电极片的通孔为多边形， 多边形的通孔外接圆的直径为 0.05 0.5 毫米。 0010 本发明所公开的锂离子

8、储能器件包括锂离子混合型电容器和锂离子电池。这里， 锂离子混合型电容器是兼有电容性能和锂离子电池性能的电化学储能器件。 本发明用圆锥 形的针在电极片上穿刺可以得到圆形的孔 ； 用三棱锥型的针在电极片上穿刺可以得到三角 形的孔 ； 用四棱锥型的针在电极片上穿刺可以得到四边形的孔。 同样， 用齿形的针穿刺可以 得到花瓣形状的孔。对于针刺所形成的通孔， 通孔的边缘部分不会从集流体上脱落而仅发 生翘曲， 经过辊压后， 通孔边缘翘起的部分被压平整， 极片涂层部分不会损失， 在电极片上 保留下的孔痕作为锂离子储能器件中的锂离子扩散的通道。 说 明 书 CN 104200999 A 3 2/3 页 4 附图

9、说明 0011 图 1 所示为锂离子混合型电容器的预嵌锂曲线 ； 0012 图 2 所示为锂离子混合型锂离子电容器的充放电曲线。 具体实施方式 0013 以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。 0014 一种锂离子储能器件， 包括壳体、 置于壳体内部的电芯和含浸于电芯内的电解液， 电芯由正极电极片、 负极电极片和置于正极与负极之间的隔膜通过卷绕或叠片的方式形 成。正极电极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极涂布层， 负极电极片包括负 极集流体和涂覆于负极集流体上的负极涂布层， 正极电极片含有贯穿正极电极片的通孔的 孔痕， 负极电极片含有贯穿负极电极片的通孔的孔痕。 0015 电极片的

10、制备一般采用涂布的方法， 正极电极片是将含有正极活性物质、 导电剂 和粘结剂的浆料涂布到正极集流体上， 负极电极片是将含有负极活性物质、 导电剂和粘结 剂的浆料涂布到负极集流体上。通常正极集流体为铝箔或有导电涂层的铝箔， 负极集流体 为铜箔。 本发明采用针刺穿孔在正极电极片和负极电极片上穿孔， 然后对穿孔辊压， 使通孔 的边缘平整。通孔的孔痕是由穿刺的穿孔经辊压后留下的痕迹。通孔贯穿正极电极片和负 极电极片。通孔可以是圆形或多边形。多边形的通孔的外接圆的直径为 0.05 0.5 毫米。 本发明的正极电极片和负极电极片含有通孔孔痕的数目为每平方毫米 0.1 10 个。 0016 电芯是由负极电极

11、片、 正极电极片和隔在两者之间的隔膜叠片或卷绕形成的。将 电芯放入壳体后注液， 采用金属锂电极作为辅助电极对负极预嵌锂， 封口后得到锂离子储 能器件。也可以将电芯和金属锂电极垂直放入盛有电解液的密闭容器内浸渍， 并以金属锂 电极为辅助电极， 在负极电极片的表面预嵌锂 ； 然后将处理过的电芯从密闭容器中取出， 装 入壳体中封口得到锂离子储能器件。 0017 实施例 1 0018 正极电极片的活性材料为活性炭， 正极集流体为电容用腐蚀铝箔 ； 负极电极片的 活性材料为硬碳， 负极集流体为铜箔。 采用圆锥形的针穿刺正极电极片和负极电极片， 得到 含有直径为 0.5 毫米、 数目为 0.1 个 / 每

12、平方毫米的圆孔的电极片， 经辊压后得到含有孔痕 的电极片。隔膜采用 celgard2400。将用叠片方式制成的电芯， 以及金属锂电极放入盛有 电解液的密闭容器中浸渍， 电解液为 1mol/L LiPF6的溶液， 溶剂为体积比为 1:1:1 的碳酸 乙烯酯、 碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的混合溶剂。 以电芯的负极为工作电极、 金属锂电极为对 电极， 用武汉兰电公司 CT2001A 的电池测试仪以恒电流在负极电极片表面预嵌锂。取出电 芯封口得到锂离子混合型电容器。预嵌锂过程如图 1 所示， 横坐标为预嵌锂的比容量， 纵坐 标为负极相对于金属锂电极的电压。以 0.05C 电流预嵌锂， 截止电压为 0.05

13、V， 此时预嵌锂 的量为负极储锂容量的 80。图 2 所示为锂离子混合型锂离子电容器的充放电曲线， 曲线 1 为正极相对于金属锂电极的电压， 曲线 2 为正极与负极之间的电压， 曲线 3 为负极与金属 锂电极之间的电压。 0019 实施例 2 0020 正极电极片的活性材料为质量比为 1:3 的活性炭和镍钴锰酸锂， 正极集流体为 涂布有导电层的铝箔 ； 负极电极片的活性材料为多孔石墨， 负极集流体为铜箔 ； 隔膜为 说 明 书 CN 104200999 A 4 3/3 页 5 celgard2400。采用四棱锥的针穿刺正极电极片和负极电极片， 得到含有直径为 0.1 毫米、 数目为4个/每平方

14、毫米的圆四边形孔的电极片， 经辊压后得到含有孔痕的电极片。 将正极 电极片、 隔膜和负极电极片卷绕后热压制成方形电芯。 将电芯放入铝塑复合膜壳体中， 热封 铝塑复合膜壳体的顶边和第一侧边。再在铝塑复合膜壳体中放入金属锂电极， 金属锂电极 与电芯之间有隔膜隔开， 在手套箱中注入过量电解液， 电解液的组成与实施例 1 相同。然后 热封铝塑复合膜壳体的第二侧边。以负极为工作电极， 以金属锂电极为对电极， 用 CT2001A 电池测试仪以恒电流放电的方式对负极进行预嵌锂操作。预嵌锂的电流密度为 0.1C， 所述 的电流密度基于负极活性材料的质量。预嵌锂后负极的荷电状态为 60。最后， 剪开铝塑 复合膜

15、壳体， 取出金属锂电极， 倒出多余的电解液， 然后真空封口， 得到锂离子混合型电容 器。 0021 实施例 3 0022 正极极片的活性材料为质量比为 1:3 的锰酸锂和镍钴锰酸锂， 正极集流体为铝 箔 ； 负极极片的活性材料为包覆碳的纳米硅， 负极集流体为铜箔 ； 隔膜为 celgard2400。采 用齿形的针穿刺正极电极片和负极电极片， 得到含有孔外接圆直径为0.2毫米、 数目为2个 / 每平方毫米的花瓣形孔的电极片， 经辊压后得到含有孔痕的电极片。将正极电极片、 隔膜 和负极电极片卷绕制成电芯。将电芯和金属锂电极放入盛有电解液的密闭容器中浸渍， 电 解液的组成与实施例 1 相同。将电芯的

16、负极和金属锂电极短接在负极极片表面预嵌锂， 使 预嵌锂的量为负极储锂容量的 30。最后取出电芯封口得到锂离子电池。 0023 实施例 4 0024 正极极片的活性材料为多孔石墨烯， 正极集流体为铝箔 ； 负极极片的活性材料为 多孔石墨， 负极集流体为铜箔 ； 隔膜为聚偏氟乙烯。 采用圆锥形的针穿刺正极电极片和负极 电极片， 得到含有孔径为 0.05 毫米、 数目为 10 个 / 每平方毫米的圆孔的电极片， 经辊压后 得到含有孔痕的电极片。将正极电极片、 隔膜和负极电极片卷绕制成电芯。将电芯和金属 锂电极放入盛有电解液的密闭容器中浸渍， 电解液为 1mol/L LiPF6的溶液， 溶剂为体积比 为 1:1:1 的碳酸乙烯酯、 碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合溶剂。将电芯的负极和金属锂电 极短接在负极极片表面预嵌锂， 使预嵌锂的量为负极储锂容量的 60。最后取出电芯封口 得到锂离子混合型电容器。 说 明 书 CN 104200999 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104200999 A 6