專利名稱：膠態(tài)聚合物鋰離子電池的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)
現(xiàn)代移動(dòng)式電子設(shè)備和通信設(shè)備中大量使用的可充電電池(蓄電池或稱為二次電池)已經(jīng)歷了四代發(fā)展過(guò)程第一代為鎳鎘電池(重量比能量密度50Wh/kg)，第二代為鎳氫電池(重量比能量密度80Wh/kg)，第三代為液態(tài)鋰離子電池(重量比能量密度130Wh/kg)，第四代為聚合物鋰離子電池(重量比能量密度150Wh/kg)。
使用金屬外殼的液態(tài)鋰離子電池自1990年問(wèn)世和1993年規(guī)模生產(chǎn)以來(lái)，以其它電池(鎳鎘和鎳氫電池)所不可比擬的卓越性能迅速占領(lǐng)了許多市場(chǎng)領(lǐng)域，得到了迅猛的發(fā)展。液態(tài)鋰離子電池作為高技術(shù)新能源產(chǎn)品已廣泛地應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、手提電腦、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、便攜式DVD/VCD/CD和MP3播放機(jī)等，已成為各種現(xiàn)代移動(dòng)通訊設(shè)備和電子設(shè)備不可缺少的部件，為在移動(dòng)中從事各種商務(wù)活動(dòng)例如辦公、管理企業(yè)和在移動(dòng)中娛樂(lè)提供了許多方便。但是，隨著技術(shù)的更新和發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)移動(dòng)設(shè)備電源提出了更高的要求，例如更薄、更輕、任意形狀、更高能量密度、更安全和更低價(jià)格。液態(tài)鋰離子電池不僅在薄、輕、任意形狀和能量密度方面都不能滿足要求。而且，由于液態(tài)鋰離子電池中使用易燃和腐蝕性液體作為電解質(zhì)，其安全性能一直令生產(chǎn)廠商和用戶擔(dān)心。電池漏液造成電子器件腐蝕和損壞的事故也時(shí)有發(fā)生。此外，液態(tài)鋰離子電池的制造工藝復(fù)雜，成本高、價(jià)格貴，例如，需要使用昂貴的激光焊接機(jī)封接電池外殼。在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，第四代聚合物鋰離子電池應(yīng)運(yùn)而生。
自從1994年起，美國(guó)、日本和韓國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)的電池公司開(kāi)始研發(fā)聚合物鋰離子電池，2000年形成批量生產(chǎn)。在聚合物鋰離子電池的各種技術(shù)中，美國(guó)彪闊公司(Bell Communication Research Inc.簡(jiǎn)稱為Bellcore)的Bellcore技術(shù)是一個(gè)典型代表。與液態(tài)鋰離子電池的生產(chǎn)技術(shù)不同，Bellcore技術(shù)采用金屬網(wǎng)作電極的基片，涂布成型的電極膜被壓制在金屬網(wǎng)上，使用聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)的共聚物多孔薄膜作為電池隔膜，電解液被吸附在PVDF-HFP共聚物隔膜的孔隙中，疊片式電池芯代替了卷繞式電池芯，鋁泊/塑料復(fù)合軟外包裝代替了金屬(鋁或不銹鋼)外殼。此類聚合物鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)是外型尺寸變化容易和簡(jiǎn)便，可以根據(jù)用戶的要求度身訂造電池，對(duì)于3mm以下的超簿型電池更加有利。
但是，此類液體電解質(zhì)聚合物鋰離子電池在生產(chǎn)和應(yīng)用中存在如下缺點(diǎn)(1)美國(guó)彪闊公司(Bellcore)在其發(fā)明專利中承認(rèn)，此類聚合物鋰離子電池中的電解質(zhì)是PVDF-HFP共聚物與電解液的固液二相共存體，而并非單相聚合物膠體；電解液與聚合物之間沒(méi)有化學(xué)和電化學(xué)作用，只是物理吸附在聚合物隔膜的孔隙中。從工藝過(guò)程來(lái)看，電池的生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有熱聚合和光聚合化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。制作隔膜片時(shí)，聚合物溶液中PVDF-HFP共聚物與造孔劑(例如鄰苯二甲酸二丁酯)按7∶3的比例(此時(shí)造孔劑是以子相形式存在聚合物隔膜母相之中)涂布在聚酯薄膜上，經(jīng)干燥后制成隔膜片。該隔膜片被放置在正負(fù)極之間，經(jīng)120℃熱壓后，在甲醇等溶劑中溶解造孔劑，再于50-85℃溫度下和經(jīng)過(guò)40分鐘真空作業(yè)把造孔劑從隔膜中萃出來(lái)。造孔劑被萃出后，在聚合物隔膜母體中留下約30％的微孔。這些微孔在下一道活化工序中吸入電解液。因此，電解質(zhì)是以聚合物-電解液的固液二相共存狀態(tài)存在于電池芯中，聚合物與電解液之間沒(méi)有化學(xué)鍵合，只有物理吸附。如果軟外包裝殼密封有缺陷，電解液仍可流出殼外。此類聚合物鋰離子電池在使用中的漏液和腐蝕現(xiàn)象仍然存在。
(2)此類液體電解質(zhì)聚合物鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，操作時(shí)間很長(zhǎng)，技術(shù)不成熟和質(zhì)量難以控制。例如，PVDF-HFP共聚物隔膜中含有造孔劑，該造孔溶劑的萃出，僅一道工序就需要數(shù)十分鐘。因此，其生產(chǎn)成本很高，成品率很低，其工藝技術(shù)難以應(yīng)用于低成本、大規(guī)模生產(chǎn)中。
(3)由于Bellcore技術(shù)是將正電極片/隔膜/負(fù)電極片/隔膜/正電極片制成bi-cell，以每個(gè)bi-cell為基本單元多次疊加制成電池，而bi-cell之間沒(méi)有粘接，容易分離和脫落。因此，電池芯是松散的，沒(méi)有自身強(qiáng)度和剛性，而外殼又是軟塑料包裝。在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的氣體容易造成電池的膨脹和變形等問(wèn)題。
(4)此類聚合物電解質(zhì)隔膜的厚度約為50-200微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)液體鋰電池中隔膜的厚度(20微米)。使正、負(fù)電極片的間距加大，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增高。其后果是電池在室溫大電流條件下的充放電性能降低和低溫條件下放電能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液體鋰電池。
(5)此類聚合物電解質(zhì)隔膜沒(méi)有液體鋰電池中使用的聚乙烯/丙烯復(fù)合隔膜所具有的熱熔保護(hù)機(jī)制。液體鋰電池在過(guò)充、過(guò)放和過(guò)熱等條件下，聚乙烯/丙烯復(fù)合隔膜會(huì)因電芯發(fā)熱到熔點(diǎn)溫度(130℃)而熔化，使隔膜中的所有微孔通道都被關(guān)閉，從而阻隔了電解液的流通，即形成無(wú)限大內(nèi)阻和開(kāi)路，最終使電池安全冷卻下來(lái)，而不發(fā)生噴液、失火或爆炸等現(xiàn)象。然而，由于聚合物電解質(zhì)隔膜不具有熱熔保護(hù)效應(yīng)，與液體鋰離子電池相比，其安全性反而降低。
本發(fā)明的目的在于提供一種新型電池設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝方法來(lái)制備膠態(tài)電解質(zhì)聚合物鋰離子電池。此新型設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是超能、安全和低價(jià)。新工藝方法的特點(diǎn)是，工藝流程和生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、每道工序作業(yè)時(shí)間短、操作成本低、生產(chǎn)率高、過(guò)程容易控制、成品率高。采用本發(fā)明工藝方法生產(chǎn)出的膠態(tài)電解質(zhì)聚合物鋰離子電池與現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的液態(tài)電解質(zhì)聚合物鋰離子電池和液體鋰離子電池相比，具有超高能量密度、更好的安全性能和更低的生產(chǎn)成本。
本發(fā)明所提供的技術(shù)路線是在電解液中加入一定比例的單體和引發(fā)劑組成混合電解質(zhì)溶液，將其引入到正電極/隔膜/負(fù)電極電池芯中。在一定的溫度和時(shí)間條件下，單體和引發(fā)劑發(fā)生熱聚合化學(xué)反應(yīng)，生長(zhǎng)出二維和三維聚合物網(wǎng)絡(luò)，并與電解液產(chǎn)生化學(xué)作用，形成膠體聚合物電解質(zhì)。這種膠體聚合物電解質(zhì)加聚乙-丙烯隔膜帶的復(fù)合體不僅起到電解質(zhì)(電子絕緣和離子導(dǎo)體)的作用，而且有強(qiáng)力粘合效應(yīng)。具體而言，是以膠態(tài)聚合物電解質(zhì)作為粘結(jié)劑，將正電極/隔膜/負(fù)電極三者緊密粘結(jié)在一起，使電池芯(卷繞式或疊片式)形成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的和獨(dú)立的整體。電池的鋁復(fù)合膜軟外包裝只是一個(gè)把電池芯與外部環(huán)境隔離的介質(zhì)，而不是一個(gè)剛性殼體，不需要為電池芯提供任何剛性和強(qiáng)度支持。當(dāng)電池在充放電的過(guò)程中，電池芯本身不會(huì)發(fā)生膨脹、松散和變形，始終保持自身的強(qiáng)度和剛性。
按照本發(fā)明所提供的電池設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)條件進(jìn)行的生產(chǎn)操作，可以解決的問(wèn)題和達(dá)到的目標(biāo)分述如下(1)提高聚合物鋰離子電池的安全性能在現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)中，液體電解質(zhì)聚合物鋰離子電池多數(shù)是用PVDF-HFP共聚物作為隔膜，其機(jī)械強(qiáng)度不好，溫度系數(shù)很大。在室溫下，PVDF-HFP共聚物隔膜尚可起到電子絕緣體的作用，將電芯中的正、負(fù)極分隔開(kāi)來(lái)。但是，當(dāng)溫度升高時(shí)或是電池受到一定的外壓時(shí)，此類PVDF-HFP共聚物隔膜就會(huì)迅速軟化，其機(jī)械性能變差，以至無(wú)法保持原有隔膜的形狀和厚度、即無(wú)法繼續(xù)將電芯中的正、負(fù)電極分隔開(kāi)來(lái)。因此，電芯中某些部位的正、負(fù)電極會(huì)相互接觸形成短路，造成電池芯局部過(guò)熱。局部電池芯過(guò)熱，會(huì)導(dǎo)致更大面積的PVDF-HFP共聚物隔膜軟化變形、融解收縮，致使更大面積的正、負(fù)電極短路，電池溫度會(huì)更快地上升。最后，此類連鎖滾動(dòng)反應(yīng)將導(dǎo)致電池噴液失火燃燒。
本發(fā)明所提供的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)有效地克服上述問(wèn)題。在本發(fā)明的膠態(tài)電解質(zhì)聚合物鋰離子電池中，膠態(tài)聚合物電解質(zhì)與復(fù)合聚乙-丙烯隔膜共存，復(fù)合聚乙-丙烯隔膜是其中的骨架，膠態(tài)聚合物電解質(zhì)是以連續(xù)狀態(tài)存在于復(fù)合聚乙-丙烯隔膜的表面和微孔之中，并與正、負(fù)電極表面相接觸。在本發(fā)明所提供的工藝技術(shù)條件下，膠態(tài)聚合物電解質(zhì)作為電解質(zhì)而言只有一種功能鋰離子導(dǎo)體。隔膜(電子絕緣體)的功能是由復(fù)合聚乙-丙烯膜帶來(lái)完成的。由于復(fù)合聚乙-丙烯膜帶具有良好的高溫機(jī)械特性，上述的局部短路現(xiàn)象發(fā)生的概率大大減小。更重要的是，復(fù)合聚乙-丙烯膜帶的熔融溫度在120-150℃之間，在此溫度下隔膜帶中的微孔結(jié)構(gòu)會(huì)因熔融而被封密起來(lái)，導(dǎo)致包含在微孔中的膠態(tài)電解質(zhì)被封密和隔離開(kāi)來(lái)，即鋰離子導(dǎo)體失效。也就是行業(yè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)常說(shuō)的隔膜熱阻效應(yīng)(熱熔保護(hù)效應(yīng)、熱開(kāi)關(guān)效應(yīng))。在此情行下，電池芯成為一個(gè)絕緣體，無(wú)論外界條件(過(guò)充、過(guò)放、過(guò)熱、過(guò)沖擊)如何變化，本發(fā)明的聚合物鋰離子電池都不會(huì)有任何反應(yīng)。因此，本發(fā)明的聚合物鋰離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最安全的設(shè)計(jì)。
(2)加強(qiáng)電池芯自身的整體機(jī)械強(qiáng)度、避免電池發(fā)生膨脹和變形在液態(tài)鋰離子電池中，電池芯(無(wú)論是卷繞式或是疊片式)是松散和柔軟，不具有自身的機(jī)械強(qiáng)度和剛性。為了保證電池正常穩(wěn)定的充放電循環(huán)工作狀態(tài)和電池性能的一致性，正、負(fù)電極間的距離必須保持最小而且恒定不變。因此，必須借助于剛性金屬(鋁或鋼)殼來(lái)維持電池芯需要的強(qiáng)度。
在現(xiàn)有的液體電解質(zhì)聚合物鋰離子電池工藝技術(shù)中，PVDF-HFP共聚物隔膜是多孔性和呈豆腐狀的，其自身的機(jī)械強(qiáng)度很小，而且，正、負(fù)電極片與PVDF-HFP共聚物隔膜之間的粘結(jié)性很差。因此，此類聚合物電解質(zhì)組成的電池芯，其機(jī)械強(qiáng)度自然不會(huì)好。再加上軟塑料外包裝，沒(méi)有剛性金屬殼支撐，在外力作用下或電極材料充放電過(guò)程中的晶體結(jié)構(gòu)縮脹時(shí)，電池芯會(huì)逐漸變形而失效。在室溫快充條件下，此類聚合物鋰離子電池產(chǎn)品的充漲率很高。在高溫靜置條件下，此類液體電解質(zhì)聚合物鋰離子電池的體積鼓脹率會(huì)大大超過(guò)用戶所允許的范圍。
本發(fā)明認(rèn)真考慮了聚合物鋰離子電池芯的自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而不依賴剛性外殼的強(qiáng)度支撐。在工藝上采用了復(fù)合材料作為電池芯的結(jié)構(gòu)骨架。這種復(fù)合材料的組成是(a)具有織網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)的復(fù)合聚乙-丙烯膜帶；(b)沉積于復(fù)合聚乙-丙烯膜帶表面的膠態(tài)電解質(zhì)聚合物，作為強(qiáng)力粘接劑。本發(fā)明的膠態(tài)電解質(zhì)聚合物鋰離子電池芯中纖維骨架(復(fù)合聚乙-丙烯膜帶)加粘接劑所形成的復(fù)合材料與玻璃鋼(玻璃纖維加環(huán)氧樹(shù)脂)復(fù)合材料相類似，都具有聚合物復(fù)合材料的特點(diǎn)，即輕質(zhì)、高強(qiáng)、韌性和剛性兼而有之。電池芯的基本單元結(jié)構(gòu)為復(fù)合隔膜/正極/復(fù)合隔膜/負(fù)極。此基本單元多次重復(fù)疊加后構(gòu)筑成整體電池芯。由于電池芯的自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、剛性好，本發(fā)明的聚合物鋰離子電池的高溫膨脹率低，變形性小，循環(huán)特性穩(wěn)定。
(3)簡(jiǎn)化工藝流程、縮短工序時(shí)間、降低生產(chǎn)成本為了使聚合物電解質(zhì)有較高的導(dǎo)電率，多數(shù)現(xiàn)有的液體電解質(zhì)聚合物鋰離子電池工藝技術(shù)使用了造孔劑(或稱為增塑劑、增潤(rùn)劑)。也就是說(shuō)，在制備聚合物隔膜時(shí)，使用二相分離技術(shù)母相是聚二氟乙烯之類的聚合物為隔膜主體，子相為鄰苯二甲酸二丁酯。子相以液體微珠形態(tài)分散在母相之中。在50-85℃溫度下烘干數(shù)十分鐘后，子相從母相中脫出蒸發(fā)，而在母相中留下許多微孔。當(dāng)把隔膜浸泡在電解液中時(shí)，液態(tài)電解液被吸附和包溶在聚合物隔膜的微孔中，整體形成二相電解質(zhì)，其鋰離子導(dǎo)電率較高，可達(dá)10-3S/cm。然而，隔膜成型、造孔劑的萃出、疊片熱壓和電解液的吸入需要數(shù)十分鐘至1小時(shí)的時(shí)間來(lái)完成。操作流程復(fù)雜、工序時(shí)間太長(zhǎng)，造成生產(chǎn)率降低，成本上升。
本發(fā)明所提供的工藝技術(shù)完全拋開(kāi)了現(xiàn)有技術(shù)中的聚合物成膜、造孔劑萃出和電解液吸入這樣三個(gè)費(fèi)時(shí)、繁瑣的工藝過(guò)程，而另辟溪徑。僅工序時(shí)間就從原有的數(shù)小時(shí)縮短到幾分鐘。采用本發(fā)明所提供的工藝技術(shù)來(lái)生產(chǎn)聚合物鋰離子電池，不僅工藝流程簡(jiǎn)化、所需設(shè)備減少、工序時(shí)間縮短、生產(chǎn)效率提高、產(chǎn)品成本降低，而且，在產(chǎn)品質(zhì)量控制、性能一致性和成品率提高等方面都有益處。
本發(fā)明所提供的聚合物鋰離子電池生產(chǎn)工藝技術(shù)包括(1)負(fù)電極的制備(1.1)制漿負(fù)電極漿料的組成(wt％)為專用溶劑20-70、粘接劑(1，1-二氟乙烯等)2-20、負(fù)極活性物質(zhì)(石墨類、焦碳類、焦瀝青、碳纖維類，等)10-50。將專用溶劑和粘接劑分別與粉末狀的負(fù)極活性物質(zhì)混合，經(jīng)高速攪拌均勻、真空或靜置除氣后制成漿狀的負(fù)極漿料。
(1.2)涂膜將制成的漿料按照電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，均勻地涂覆在銅金屬箔的正反二個(gè)表面，烘干，制成負(fù)極極片。
(1.3)輥壓將負(fù)極極片在一定壓力下輥壓到指定的厚度，提高極片膜密度和減小極片膜的孔隙率。
(1.4)分切將負(fù)極極片裁切成電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的尺寸，制成負(fù)極帶(片)，并將負(fù)極引線焊接好。
(2)正電極的制備(2.1)制漿正電極漿料的組成(wt％)為專用溶劑20-60、粘接劑(1，1-二氟乙烯等)2-12、導(dǎo)電材料(碳黑、石墨等)作添加劑1-8、粉末狀的正極活性物質(zhì)(鋰鈷氧化物L(fēng)iCoO2、鋰鎳氧化物L(fēng)iNiO2、鋰鈷鎳氧化物L(fēng)iCoNiO2、鋰錳氧化物L(fēng)iMn2O4，或它們的固溶體LiαNiβCoγMnδO2或鋰鐵磷酸鹽LiFePO4等)30-50。將專用溶劑、粘接劑和導(dǎo)電添加劑分別與粉末狀的正極活性物質(zhì)混合，經(jīng)高速攪拌均勻、真空或靜置除氣后制成漿狀的正極漿料。
(2.2)涂膜將制成的漿料按照電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，均勻地涂覆在鋁金屬箔的正反二個(gè)表面，烘干，制成正極極片。
(2.3)輥壓將正極極片在一定壓力下輥壓到指定的厚度，提高極片膜密度和減小極片膜的孔隙率。
(2.4)分切將正極極片裁切成電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的尺寸，制成正極帶(片)，并將負(fù)極引線焊接好。
(3)隔膜將復(fù)合聚乙-丙烯隔膜紙裁切成電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的尺寸，制成隔膜帶(片)。
(4)卷繞式電池芯將上述帶狀元件按負(fù)極/隔膜/正極/隔膜自上而下的順序放好，經(jīng)卷繞制成電池極芯。
(5)疊片式電池芯將上述片狀元件按正極/隔膜/負(fù)極/隔膜/正極自上而下的順序放好，經(jīng)疊片制成電池極芯。
(6)裝配在事先模壓成型的軟包裝殼中放置電池芯，在正負(fù)極引線上配好防漏膜。用熱封接機(jī)把軟包裝殼的三邊緣密封。
(7)單體、引發(fā)劑和電解液混合液?jiǎn)误w可在偏氟乙烯(Vinylidene fluoride)、甲基丙烯酸甲酯(Methyl methacrylate)、丙烯腈(Acrylonitrile)、丙烯酸丁酯(Butyl acrylate)、丙烯酸甲酯(Methylacrylate)、甲基丙烯酸丁酯(Butyl methacrylate)、甲基丙烯酸苯甲酯(benzyl methacrylate)、苊(acenaphthylene)、乙烯基吡啶(vinyl pyridine)、丙烯酰胺(acrylamide)、甲基乙烯基醚(methyl vinyl ether)、乙烯基乙酸酯(vinyl acetate)、六氟丙烯(hexafluoropropylene)和乙烯基吡咯啉(vinyl pyrrolidone)中選用一種或者多種；引發(fā)劑可選用過(guò)氧化苯甲酰(2，2-Azobis-isobutyronitrile)、偶氮二異丁腈(Diisopropyl peroxydi)等。單體和引發(fā)劑按一定比例的混合物后加入到電解液中，經(jīng)攪拌均勻混合。單體和引發(fā)劑的配比為1000∶1～100∶2。電解液是由電解質(zhì)鹽和有機(jī)溶劑組成。電解質(zhì)鹽可選用六氟磷酸鋰LiPF6和四氟硼酸鋰LiBF4等。有機(jī)溶劑可選用碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、碳酸二甲酯DMC、碳酸甲乙脂EMC和碳酸二乙脂DEC等。有機(jī)溶劑的組成可以是二元、三元甚至是多元。電解質(zhì)鹽在有機(jī)溶劑中的濃度為每升0.8～1.5克分子。
(8)注液把事先配制好的單體、引發(fā)劑和電解液混合液按電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的數(shù)量，引入電池芯中。然后，用熱封接機(jī)把軟包外殼的第四邊緣密封。
(9)熱聚合化學(xué)反應(yīng)在65～120℃加熱和加壓條件下，經(jīng)過(guò)60～2500秒，注入到電池芯內(nèi)的單體、引發(fā)劑和電解液混合液會(huì)發(fā)生聚合和凝膠化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成正常的膠態(tài)聚合物電解質(zhì)，把正、負(fù)電極與隔膜緊密地粘接在一起，使電池芯形成一個(gè)具有自身整體強(qiáng)度和剛性的整體。
(10)化成和放置用專用的電池充放電設(shè)備對(duì)成品電池進(jìn)行慢速充電化成，在負(fù)電極表面形成保護(hù)膜.然后放置數(shù)周后，再作放電測(cè)試，對(duì)每一只電池都進(jìn)行檢測(cè)，篩選出合格的成品電池，待出廠。
按照本發(fā)明所提供的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)來(lái)生產(chǎn)制備聚合物鋰離子電池將會(huì)達(dá)到如下技術(shù)效果(1)產(chǎn)品安全性能提高(1.1)與液體鋰離子電池相比在鋰離子電池中使用的有機(jī)電解液是易燃品，揮發(fā)性強(qiáng)、閃燃點(diǎn)低。其閃燃點(diǎn)溫度為90-160℃之間。在電池過(guò)充、過(guò)放產(chǎn)生內(nèi)熱或是外熱源使電池溫度上升到上述的溫度范圍內(nèi)時(shí)，有機(jī)電解液將會(huì)與正負(fù)電極發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，引燃或起爆電池。本發(fā)明所提供的聚合物鋰離子電池中的電解質(zhì)是呈凝膠態(tài)，揮發(fā)性低、閃燃點(diǎn)高，電池引燃或起爆必須在較高的溫度下才有可能發(fā)生。因此，產(chǎn)品的安全性能明顯提高。例如，在過(guò)充條件下，對(duì)于相同的過(guò)充電流，按本發(fā)明技術(shù)生產(chǎn)的聚合物鋰離子電池，其允許過(guò)充電壓將比液體鋰離子電池高10-50％。
(1.2)與現(xiàn)有聚合物鋰離子電池設(shè)計(jì)相比本發(fā)明的聚合物鋰離子電池中使用了具有熱阻效應(yīng)的復(fù)合聚乙-丙烯隔膜帶，其孔隙率為30-50％，膠體電解質(zhì)存在于這些彎轉(zhuǎn)曲折但又前后貫通的微孔之中。常溫下鋰離子可以在這些微孔中正常導(dǎo)通；當(dāng)電池溫度上升到隔膜材料的熔點(diǎn)時(shí)，其中彎曲而貫通的孔隙會(huì)在極短的時(shí)間因熔融而關(guān)閉。電池芯的內(nèi)阻會(huì)因此而迅速升高，甚至變成開(kāi)路狀態(tài)，即內(nèi)電流趨于零。此時(shí)外界的過(guò)充或過(guò)放都對(duì)該電池?zé)o作用。同理，在外來(lái)過(guò)熱和過(guò)沖擊時(shí)，具有熱熔開(kāi)關(guān)效應(yīng)的隔膜也會(huì)有效地保護(hù)電池。在相同的過(guò)充電流條件下，其允許過(guò)充電壓將會(huì)高出10-30％。
(2)電池漏液造成腐蝕的概率減小本發(fā)明的膠態(tài)聚合物鋰離子電池在生產(chǎn)過(guò)程中，由于外界加熱和壓力條件使聚合物與電解液之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，真正形成膠態(tài)電解質(zhì)，無(wú)流動(dòng)液體。因此，電池漏液和腐蝕危害的概率趨于0。
(3)電池內(nèi)阻低和低溫放電性能好由于本發(fā)明膠態(tài)聚合物鋰離子電池中使用了復(fù)合聚乙-丙烯隔膜帶，其厚度只有9～20微米，正負(fù)電極片之間的間距小，膠態(tài)聚合物電解質(zhì)的鋰離子導(dǎo)電率可達(dá)10-3S/cm以上，因此，電池內(nèi)阻低，從而使常溫下的大電流充放性能和低溫條件下放電效率得以明顯改善。
(4)電池能量比密度提高按本發(fā)明生產(chǎn)的膠態(tài)聚合物鋰離子電池，電芯結(jié)構(gòu)緊湊，其正負(fù)極引線各只有一根，體積比能量密度和重量比能量密度比液體鋰離子電池高～30％，比現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的液態(tài)聚合物鋰離子電池高～10％。
(5)產(chǎn)品性能一致性增加在本發(fā)明生產(chǎn)工藝中采用了熱聚合和電解液聚合-凝膠化等新技術(shù)，正負(fù)電極片與隔膜片之間粘結(jié)牢固可靠，因此，電極片從隔膜片上分離的現(xiàn)象減少和避免，電池性能一致性增加。
(6)生產(chǎn)成本下降、成品率提高由于本發(fā)明的一系列新工藝技術(shù)減少了幾個(gè)關(guān)鍵工序的時(shí)間，減少了化學(xué)原料的用量、品種(例如不需要使用造孔劑)和降低了對(duì)材料的要求(例如不要求使用昂貴的金屬網(wǎng)而用金屬箔作為正、負(fù)電極的集電基片)，不需要使用昂貴和復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，提高了產(chǎn)品性能一致性，從而降低了成本，增加了成品率。
通過(guò)參照附圖和詳細(xì)描述本發(fā)明膠態(tài)聚合物鋰離子電池的構(gòu)造和各個(gè)元件，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)，其中

圖1是本發(fā)明膠態(tài)聚合物鋰離子電池的剖面示意圖，其中的電池芯為復(fù)層卷繞式，具有自身機(jī)械強(qiáng)度和剛性，使用柔軟包裝作為外殼。電池芯的卷繞圈數(shù)將按照電池容量等設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)確定。
圖2是本發(fā)明膠態(tài)聚合物鋰離子電池的局部截面細(xì)節(jié)放大圖。
圖3是本發(fā)明膠態(tài)聚合物鋰離子電池的剖面示意圖，其中的電池芯為復(fù)層疊片式，具有自身機(jī)械強(qiáng)度和剛性，使用柔軟包裝作為外殼。電池芯的疊片層數(shù)將按照電池容量等設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)確定。
圖4是按本發(fā)明方法設(shè)計(jì)和制備的一個(gè)膠態(tài)聚合物鋰離子電池的充電和放電曲線。
圖5是按本發(fā)明方法設(shè)計(jì)和制備的一個(gè)膠態(tài)聚合物鋰離子電池的循環(huán)壽命測(cè)試曲線。
下面參照附圖來(lái)解釋本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
參見(jiàn)圖1，它示出了本發(fā)明膠態(tài)聚合物鋰離子電池10的內(nèi)部構(gòu)造，其中有復(fù)層卷繞式電池芯12；電池芯中包括負(fù)電極16和正電極18，以及將正負(fù)電極隔開(kāi)的膠態(tài)聚合物電解質(zhì)/聚乙-丙烯隔膜復(fù)合體20(有關(guān)正、負(fù)電極片和膠態(tài)聚合物電解質(zhì)/聚乙-丙烯隔膜復(fù)合體的局部截面22細(xì)節(jié)放大見(jiàn)圖2)最后是軟外包裝殼26。具體而言，本發(fā)明膠態(tài)聚合物鋰離子電池是由四個(gè)元件構(gòu)成，而每一個(gè)元件都是復(fù)合體(復(fù)合材料)。它們的構(gòu)造是相似的正、負(fù)電極復(fù)合體是由活性物質(zhì)+導(dǎo)電劑+粘結(jié)劑組成的混合體涂布在金屬箔兩個(gè)表面上，隔膜復(fù)合體是由膠態(tài)聚合物電解質(zhì)組成的混合體沉積在聚乙-丙烯隔膜帶兩個(gè)表面上，外包裝復(fù)合體是聚乙烯膜+聚丙烯膜貼在鋁箔的兩個(gè)表面上。
圖2示出了放大的局部截面22細(xì)節(jié)構(gòu)造，其中有膠態(tài)電解質(zhì)28，聚合物網(wǎng)絡(luò)30和聚乙-丙烯隔膜32。膠態(tài)聚合物電解質(zhì)存在于聚乙-丙烯隔膜兩表面和微孔中。膠態(tài)聚合物電解質(zhì)作用于正、負(fù)電極片和聚乙-丙烯隔膜片的表面，將三者牢固地粘結(jié)在一起，形成一個(gè)剛性整體，這是本發(fā)明的膠態(tài)聚合物鋰離子電池優(yōu)于其它技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一。
圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例的另一種電池構(gòu)造40，其中電池芯42采用了疊片式結(jié)構(gòu)。電池芯中包括負(fù)電極44和正電極46，以及將正負(fù)電極隔開(kāi)的膠態(tài)聚合物電解質(zhì)/聚乙-丙烯隔膜復(fù)合體48；最后是軟外包裝殼50。與圖1所示的實(shí)施例相同，此膠態(tài)聚合物鋰離子電池實(shí)施例也是由四個(gè)元件構(gòu)成，而每一個(gè)元件都是復(fù)合體(復(fù)合材料)。它們的構(gòu)造是相似的正、負(fù)電極復(fù)合體是由活性物質(zhì)+導(dǎo)電劑+粘結(jié)劑組成的混合體涂布在金屬箔兩個(gè)表面上，隔膜復(fù)合體是由膠態(tài)聚合物電解質(zhì)組成的混合體沉積在聚乙-丙烯隔膜帶兩個(gè)表面上，外包裝復(fù)合體是聚乙烯膜+聚丙烯膜貼在鋁箔的兩個(gè)表面上。然而，疊片式結(jié)構(gòu)的電池芯可以有兩種不同組合(1)由二片單面膜的正電極作為電池芯的最外層(如圖3所示)。其間的正、負(fù)電極片都是雙面膜。
(2)由二片單面膜的負(fù)電極作為電池芯的最外層(未給出附圖)。其間的正、負(fù)電極片都是雙面膜。與圖1所示的實(shí)施例相比較，此膠態(tài)聚合物鋰離子電池實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)阻低，室溫和低溫下大電流充放電性能好，特別適用于大功率、快充放的設(shè)備，如電力單車和電力汽車。缺點(diǎn)是疊片和引線的生產(chǎn)操作較為復(fù)雜，可能會(huì)降低產(chǎn)率和增加成本。
圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例的膠態(tài)聚合物鋰離子電池電化學(xué)特性。該電池樣品的充電和放電效率達(dá)到99.9％。
圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例的膠態(tài)聚合物鋰離子電池在0.8℃充電和1C放電循環(huán)壽命。該電池樣品經(jīng)過(guò)430次充電和放電循環(huán)后，剩余放電容量仍然達(dá)到初始放電容量的82％。
通過(guò)詳細(xì)描述以下二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，將會(huì)更好地了解本發(fā)明的優(yōu)越性。
實(shí)例一用下列方法來(lái)生產(chǎn)卷繞式膠態(tài)聚合物鋰離子電池。
負(fù)電極帶的制造方法將10克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于二甲基甲酰胺，然后加2.5克丙酮黑，最后加入115克石墨粉。經(jīng)高速攪拌均勻、真空或靜置除氣后制成漿狀的負(fù)極漿料。將負(fù)極漿料涂布在20微米厚的銅箔兩個(gè)表面上。在100℃下干燥除去溶劑二甲基甲酰胺，電極帶的厚度控制在300±10微米。電極帶經(jīng)輥壓后的厚度控制在120±5微米。將負(fù)電極帶切裁成30×340mm2尺寸。然后在未涂膜的起始銅箔面上點(diǎn)焊一條鎳引線。
正電極帶的制造方法將16克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于二甲基甲酰胺，然后加11克丙酮黑，最后加入200克鋰鈷氧化物。經(jīng)高速攪拌均勻、真空或靜置除氣后制成漿狀的正極漿料。將正極漿料涂布在25微米厚的鋁箔兩個(gè)表面上。在100℃下干燥除去溶劑二甲基甲酰胺，電極帶的厚度控制在350±10微米。電極帶經(jīng)輥壓后的厚度控制在140±5微米。將正電極帶切裁成27×310mm2尺寸。然后在未涂膜的起始鋁箔面上點(diǎn)焊一條鋁引線。
卷繞式電池芯的制造方法將正、負(fù)電極帶和聚乙-丙烯隔膜帶按正電極/隔膜/負(fù)電極/隔膜順序排好，放置在卷繞機(jī)上，卷繞成3.2×30×50mm3的電池芯。電池芯共有正、負(fù)電極片10圈。正、負(fù)電極引線長(zhǎng)出電池芯15mm，平行間隔10mm。將電池芯裝入鋁箔復(fù)合膜外包裝袋中，使用熱壓機(jī)封口和封邊，留一個(gè)口用于注液。
單體、引發(fā)劑和電解液混合液的配制電解質(zhì)鹽選用六氟磷酸鋰LiPF6。有機(jī)溶劑為碳酸乙烯酯EC、碳酸二甲酯DMC和碳酸二乙脂DEC三元組成(1∶1∶1)。1.2克分子電解質(zhì)鹽六氟磷酸鋰LiPF6溶解在該有機(jī)溶劑中制備成電解液。單體為甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸甲酯兩種；引發(fā)劑選用過(guò)氧化苯甲酰。單體和引發(fā)劑按1000∶1的比例加入到電解液中，單體在電解液中的濃度為6％，經(jīng)均勻攪拌混合后備用。
電池芯的干燥和膠態(tài)電解質(zhì)的熱聚合方法電池芯在90℃下真空干燥數(shù)小時(shí)后，冷卻到室溫。注入1.9毫升預(yù)先配制好的單體、引發(fā)劑和電解液混合液，熱壓封密注液口。在85℃下加熱，甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸甲酯分別與引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，10分鐘后熱聚合反應(yīng)結(jié)束，單體甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸甲酯生成聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸甲酯共聚物。熱聚合化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理簡(jiǎn)述如下
單體甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸甲酯都有碳雙鍵機(jī)團(tuán)，在引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰和溫度的雙重作用下，單體碳雙鍵機(jī)團(tuán)中的雙鍵打開(kāi)形成自由基。在自由基引導(dǎo)下，甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸甲酯發(fā)生交聯(lián)和共聚。隨著熱聚合化學(xué)反應(yīng)時(shí)間的持續(xù)，甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸甲酯之間的自由基接枝重復(fù)發(fā)生，共聚物的碳鏈不斷延長(zhǎng)，分子量不斷增大，共聚物逐漸構(gòu)筑二維和三維聚合物網(wǎng)絡(luò)，并與電解液中的有機(jī)化合物碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙脂發(fā)生包容、氫鍵等反應(yīng)，使液態(tài)單體、引發(fā)劑和電解液混合液逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)。
電池的化成和排氣再封口方法使用專用的電池充放電設(shè)備對(duì)電池進(jìn)行4.2V/0.2C(CC+CV)慢速充電化成，在負(fù)電極表面形成保護(hù)膜。然后排放在化成過(guò)程中產(chǎn)生的少量氣體，最后封口完成全部制備工藝操作。
實(shí)例二用下列方法來(lái)生產(chǎn)疊片式聚合物鋰離子電池。
負(fù)電極片的制造方法將10克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于二甲基甲酰胺，然后加3克丙酮黑，最后加入115克石墨粉。經(jīng)高速攪拌均勻、真空或靜置除氣后制成漿狀的負(fù)極漿料。將負(fù)極漿料涂布在20微米厚的銅箔兩個(gè)表面上。在100℃下干燥除去溶劑二甲基甲酰胺，電極帶的厚度控制在300±10微米。電極帶經(jīng)輥壓后的厚度控制在130±5微米。將負(fù)電極帶切裁成菜刀形主刀面積為30×50mm2尺寸，刀把面積為5×7mm2尺寸，刀把部分是未涂膜的銅箔，其表面將在后續(xù)工序中點(diǎn)焊上一條鎳引線。
正電極片的制造方法
將19克聚偏1，1-二氟乙烯溶解于二甲基甲酰胺，然后加12克丙酮黑，最后加入200克鋰鈷鎳氧。經(jīng)高速攪拌均勻、真空或靜置除氣后制成漿狀的正極漿料。將80％正極漿料涂布在25微米厚的鋁箔兩個(gè)表面上，剩余20％的漿料涂布在25微米厚的鋁箔單表面上。在100℃下干燥除去溶劑二甲基甲酰胺，雙面涂膜電極帶的厚度控制在350±10微米。電極片經(jīng)輥壓后的厚度控制在160±5微米。單面涂膜電極片的厚度控制在200±7微米。電極片經(jīng)輥壓后的厚度控制在90±3微米。將正電極片切裁成菜刀形主刀面積為27×47mm2尺寸，刀把面積為5×7mm2尺寸，刀把部分是未涂膜的鋁箔，其表面將在后續(xù)工序中點(diǎn)焊上一條鋁引線。
疊片式電池芯的制造方法將正、負(fù)電極片和聚乙-丙烯隔膜片按正電極/隔膜/負(fù)電極/隔膜/……/正電極片的順序排好，共有11個(gè)負(fù)電極片、10個(gè)雙面膜正電極片和2個(gè)單面膜正電極片。構(gòu)成3×30×50mm3的電池芯。11個(gè)負(fù)電極片的刀把銅箔匯集在一起焊在一條鎳引線上。10個(gè)雙面膜正電極片和2個(gè)單面膜正電極片刀把鋁箔匯集在一起焊在一條鋁引線上。正、負(fù)電極引線長(zhǎng)出電池芯15mm，平行間隔10mm。
單體、引發(fā)劑和電解液混合液的配制電解質(zhì)鹽選用六氟磷酸鋰LiPF6。有機(jī)溶劑為碳酸乙烯酯EC、碳酸二甲酯DMC和碳酸甲乙脂EMC三元組成(2∶1∶1)。1.2克分子電解質(zhì)鹽六氟磷酸鋰LiPF6溶解在該有機(jī)溶劑中制備成電解液。單體為偏氟乙烯和六氟丙烯兩種；引發(fā)劑選用過(guò)氧化苯甲酰。單體和引發(fā)劑按1000∶1的比例加入到電解液中，單體在電解液中的濃度為8％，經(jīng)均勻攪拌混合后備用。
電池芯的干燥和膠態(tài)電解質(zhì)的熱聚合方法
電池芯在90℃下真空干燥數(shù)小時(shí)后，冷卻到室溫。注入1.9毫升預(yù)先配制好的單體、引發(fā)劑和電解液混合液，熱壓封密注液口。在85℃下加熱，偏氟乙烯和六氟丙烯分別與引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，10分鐘后熱聚合反應(yīng)結(jié)束，單體偏氟乙烯和六氟丙烯生成聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物。熱聚合化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理簡(jiǎn)述如下單體偏氟乙烯和六氟丙烯都有碳雙鍵機(jī)團(tuán)，在引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰和溫度的雙重作用下，單體碳雙鍵機(jī)團(tuán)中的雙鍵打開(kāi)形成自由基。在自由基引導(dǎo)下，偏氟乙烯和六氟丙烯發(fā)生交聯(lián)和共聚。隨著熱聚合化學(xué)反應(yīng)時(shí)間的持續(xù)，偏氟乙烯和六氟丙烯之間的自由基接枝重復(fù)發(fā)生，共聚物的碳鏈不斷延長(zhǎng)，分子量不斷增大，共聚物逐漸構(gòu)筑二維和三維聚合物網(wǎng)絡(luò)，并與電解液中的有機(jī)化合物碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙脂發(fā)生包容、氫鍵等反應(yīng)，使液態(tài)單體、引發(fā)劑和電解液混合液逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)。在疊片式電池芯的正電極/隔膜/負(fù)電極/隔膜/……/正電極片的每一對(duì)極片中，由于凝膠態(tài)電解質(zhì)的強(qiáng)力粘結(jié)作用，將所有正、負(fù)電極片與聚乙-丙烯隔膜片牢牢地粘結(jié)在一起，形成一個(gè)剛性整體。
電池的化成和排氣再封口方法使用專用的電池充放電設(shè)備對(duì)電池進(jìn)行4.2V/0.2C(CC+CV)慢速充電化成，在負(fù)電極表面形成保護(hù)膜。然后排放在化成過(guò)程中產(chǎn)生的少量氣體，最后封口完成全部制備工藝操作。
權(quán)利要求
1.一種膠態(tài)電解質(zhì)聚合物鋰離子電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由四種復(fù)合元件構(gòu)成1a.負(fù)電極復(fù)合元件是由活性物質(zhì)+導(dǎo)電劑+粘結(jié)劑組成的混合體涂布在金屬銅箔表面上；1b.正電極復(fù)合元件是由活性物質(zhì)+導(dǎo)電劑+粘結(jié)劑組成的混合體涂布在金屬鋁箔表面上；1c.隔膜復(fù)合元件是以聚乙-丙烯隔膜帶骨架加上膠態(tài)聚合物電解質(zhì)組成的混合體；1d.外包裝復(fù)合元件是多層聚乙烯膜+聚丙烯膜貼在鋁箔的表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1a，負(fù)電極復(fù)合元件中的活性物質(zhì)是一種或幾種碳質(zhì)材料的組合，例如天然或合成石墨、石油礁、活性碳、碳纖維等?；钚晕镔|(zhì)也可以是金屬合金或金屬氧化物，例如鋰鋁合金和錫氧化物等。材料的形狀可以是細(xì)粉或纖維。導(dǎo)電劑的比表面積在20-100平方米/克之間。粘結(jié)劑可以是聚合物(例如聚偏氟乙烯)或是合成膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1b，正電極復(fù)合元件中的活性物質(zhì)是一種或幾種鋰插層氧化物的組合，例如鋰鈷氧化物L(fēng)iCoO2、鋰鎳氧化物L(fēng)iNiO2、鋰鈷鎳氧化物L(fēng)iCoNiO2、鋰錳氧化物L(fēng)iMn2O4，或它們的固溶體LiαNiβCoγMδO2(M＝Mn，Ti，Mg，Al and Cr)，以及鋰鐵磷酸鹽LiFePO4等。導(dǎo)電劑比表面積在40-220平方米/克之間。粘結(jié)劑是聚合物(例如聚偏氟乙烯)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1c，隔膜復(fù)合元件中的隔膜帶(片)可以是復(fù)層或單層聚乙-丙烯膜、聚烯烴膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜和聚甲基戊烯膜等。膜厚在5至50微米之間，膜的微孔尺寸在0.1至2微米之間，膜的微孔率在25％至65％之間。膠態(tài)電解質(zhì)中的聚合物是經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)熱聚合化學(xué)反應(yīng)而成的產(chǎn)物，它們是聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚乙烯酯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸苯甲酯、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚環(huán)氧乙烷和聚氨基甲酸酯中的一種或多種。膠態(tài)電解質(zhì)中的電解質(zhì)鹽為六氟磷酸鋰LiPF6、四氟硼酸鋰LiBF4和六草酸硼鋰LiBOB中的一種或多種。膠態(tài)電解質(zhì)中的有機(jī)溶劑為碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、碳酸二甲酯DMC、碳酸甲乙脂EMC和碳酸二乙脂DEC等。有機(jī)溶劑的組成可以是二元、三元甚至是多元。電解質(zhì)鹽在有機(jī)溶劑中的濃度為每升0.8～1.5克分子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1d，外包裝復(fù)合元件中的塑料/金屬箔防潮復(fù)合膜可以是聚乙烯、聚丙烯、聚酯、丙環(huán)基甲酸與金屬箔(例如鋁、鎂或鈦)等材料的復(fù)合多層膜。塑料/金屬箔復(fù)合膜總厚度為80-250微米。
6.一種膠態(tài)電解質(zhì)聚合物鋰離子電池的制造方法，其電池芯可以有二種制造方法卷繞式和疊片式。卷繞式是將權(quán)利要求1的三種復(fù)合元件1a、1b和1c經(jīng)卷繞而成的多圈電池芯體；疊片式是將權(quán)利要求1的三種復(fù)合元件1a、1b和1c經(jīng)重疊而成的多層電池芯體。
7.電池芯中的膠態(tài)聚合物電解質(zhì)是由單體、引發(fā)劑和電解液混合溶液經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)熱聚合化學(xué)反應(yīng)而成的產(chǎn)物。單體可在偏氟乙烯(Vinylidene fluoride)、甲基丙烯酸甲酯(Methyl methacrylate)、丙烯腈(Acrylonitrile)、丙烯酸丁酯(Butyl acrylate)、丙烯酸甲酯(Methylacrylate)、甲基丙烯酸丁酯(Butyl methacrylate)、甲基丙烯酸苯甲酯(benzyl methacrylate)、苊(acenaphthylene)、乙烯基吡啶(vinyl pyridine)、丙烯酰胺(acrylamide)、甲基乙烯基醚(methyl vinyl ether)、乙烯基乙酸酯(vinyl acetate)、六氟丙烯(hexafluoropropylene)和乙烯基吡咯啉(vinyl pyrrolidone)中選用一種或者多種；引發(fā)劑可選用過(guò)氧化苯甲酰(2，2-Azobis-isobutyronitrile)、偶氮二異丁腈(Diisopropyl peroxydi)等。單體和引發(fā)劑按1000∶1～100∶2的比例混合后加入到電解液中，經(jīng)攪拌均勻混合。單體在電解液中的濃度為1～20％。
8.熱聚合化學(xué)反應(yīng)的條件為加熱溫度65～120℃和加壓壓力0～5公斤/平方厘米，熱聚合化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間為10～2500秒。在上述條件下，注入到電池芯內(nèi)的單體、引發(fā)劑和電解液混合液發(fā)生聚合和凝膠化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成正常的膠態(tài)聚合物電解質(zhì)，把正、負(fù)電極與隔膜緊密地粘接在一起，使電池芯形成一個(gè)具有自身整體強(qiáng)度和剛性的整體。
9.經(jīng)權(quán)利要求6、7和8工藝方法制備的電池芯是三種復(fù)合元件1a、1b和1c牢固地粘結(jié)在一起的、具有自身機(jī)械強(qiáng)度和剛性的電池芯。
全文摘要
本發(fā)明提供一種膠態(tài)電解質(zhì)聚合物鋰離子電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法，技術(shù)路線是現(xiàn)場(chǎng)熱聚合化學(xué)反應(yīng)在電解液中加入一定比例的單體和引發(fā)劑組成混合電解質(zhì)溶液，將其引入到電池芯中。在一定的溫度、壓力和時(shí)間條件下，單體和引發(fā)劑發(fā)生熱聚合化學(xué)反應(yīng)，生長(zhǎng)出二維和三維聚合物網(wǎng)絡(luò)，并與電解液產(chǎn)生化學(xué)作用，形成膠體聚合物電解質(zhì)。該膠態(tài)聚合物電解質(zhì)有強(qiáng)力粘合效應(yīng)，將正電極/隔膜/負(fù)電極三者緊密粘結(jié)在一起，使電池芯(卷繞式或疊片式)形成一個(gè)堅(jiān)實(shí)和獨(dú)立的整體。當(dāng)電池在充放電的過(guò)程中，電池芯本身不會(huì)發(fā)生膨脹、松散和變形，始終保持自身的強(qiáng)度和剛性。本發(fā)明膠態(tài)聚合物鋰離子電池可提供更高能量密度和更安全性能。
文檔編號(hào)H01M10/40GK1684298SQ20041002681
公開(kāi)日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2004年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月12日
發(fā)明者黃穗陽(yáng), 黃友林 申請(qǐng)人:黃穗陽(yáng), 黃友林