本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，尤其涉及一種聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池。

背景技術(shù)：

隨著環(huán)境污染及能源消耗等問題的日益嚴(yán)重，新能源行業(yè)得到全年世界的普遍關(guān)注。鋰離子電池由于其具有環(huán)境友好、能量密度高、循環(huán)壽命長、價格適宜等優(yōu)點而成為近年來的研究熱點。其在數(shù)碼、儲能、通信、電動車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電動汽車領(lǐng)域，以每年50%的增長速率在推廣。

傳統(tǒng)的鋰離子電池正極材料一般為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸錳鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等電化學(xué)氧化還原電位較高的含鋰化合物，負(fù)極一般使用碳材料，如石墨、硬炭、軟炭等。然而，碳材料的克容量較低，使得電池的能量密度幾乎達(dá)到極限。且循環(huán)過程中隨著SEI膜的不斷破損和修復(fù)，以及溶劑分子的共嵌入等原因，造成電池容量衰減較快。新型負(fù)極材料如硅類負(fù)極、錫負(fù)極等雖然具有較高的克容量，但依然無法避免循環(huán)衰減問題。

同時，現(xiàn)有的鋰離子電池中都包含有隔膜，傳統(tǒng)的隔膜厚度較厚，占據(jù)了大量的體積，間接的影響的了電池的能量密度。并且在電池組裝置需要將正負(fù)極進(jìn)行隔離，較為費時。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池。本發(fā)明使用高分子量的聚酰亞胺作為鋰離子電池負(fù)極材料，依靠聚酰亞胺分子中的?；l(fā)生電化學(xué)氧化-還原反應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)移。使用聚酰亞胺作為負(fù)極材料，不存在石墨類材料首次充電SEI成膜過程中對容量的損耗，也不存在SEI的不斷修復(fù)及溶劑分子共插入而導(dǎo)致電池容量衰減問題。同時本發(fā)明的鋰離子電池不含隔膜，體積小、制作簡單，能量密度高，安全性好。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案為：一種聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池，包括正極、負(fù)極、電解液。所述負(fù)極包括負(fù)極集流體、涂覆于所述負(fù)極集流體表面的聚酰亞胺負(fù)極層、涂覆于所述聚酰亞胺負(fù)極層表面的陶瓷層；所述聚酰亞胺負(fù)極層由聚酰亞胺負(fù)極漿料固化而成；所述聚酰亞胺負(fù)極漿料包括45-90重量份聚酰亞胺、10-30重量份導(dǎo)電劑、0-25重量份粘結(jié)劑、40-80重量份有機(jī)溶劑；其中聚酰亞胺、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的總和為100重量份。

聚酰亞胺為一種特種工程塑料，其具有耐高溫（400℃以上）、耐腐蝕、機(jī)械性能好、合成簡單的優(yōu)點，其分子鏈中含有大量?；鶊F(tuán)，由于?；哂卸嘀匮趸瘧B(tài)，在一定條件下，可以同金屬離子如鋰離子、鈉離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因而聚酰亞胺可以作為鋰離子電池的負(fù)極材料。本發(fā)明以傳統(tǒng)鋰離子電池正極材料為正極，以高分子量聚酰亞胺作為負(fù)極材料，依靠聚酰亞胺分子中的酰基發(fā)生電化學(xué)氧化-還原反應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)移。使用聚酰亞胺作為負(fù)極材料，不存在石墨類材料首次充電SEI成膜過程中對容量的損耗，也不存在SEI的不斷修復(fù)及溶劑分子共插入而導(dǎo)致電池容量衰減問題。

同時，在聚酰亞胺負(fù)極表面均勻涂覆多孔的陶瓷層，陶瓷層替代傳統(tǒng)隔膜，一方面陶瓷層具有較高的孔隙率，可以傳導(dǎo)鋰離子，另一方面陶瓷層起到了高溫阻隔作用，在電芯發(fā)生內(nèi)短路時，陶瓷層依然能夠阻隔正負(fù)極大面積接觸，進(jìn)一步防止電池?zé)崾Э亍４送?，陶瓷層具有較低的厚度，同傳統(tǒng)的隔膜相比，使用陶瓷層將會極大的降低電芯體積，提高電芯體積能量密度。本發(fā)明的聚酰亞胺的克容量可達(dá)180-240mAh/g。

并且，在本發(fā)明中，聚酰亞胺負(fù)極層與陶瓷層相配合，具有額外的有益效果：由于負(fù)極聚酰亞胺負(fù)極層為高分子材料，與陶瓷漿料中的粘結(jié)劑形成較強(qiáng)的結(jié)合力，因而陶瓷層能夠緊密的粘接在聚酰亞胺負(fù)極層上，不會發(fā)生將陶瓷漿料涂覆在傳統(tǒng)負(fù)極上出現(xiàn)的脫落或掉粉等問題。正是由于陶瓷層與聚酰亞胺負(fù)極層能夠緊密的貼合，使得陶瓷層與負(fù)極之間的接觸界面更加緊密，有利降低鋰離子傳導(dǎo)的界面阻抗，提高電池倍率充放電性能。而且聚酰亞胺負(fù)極層由于是塑料材質(zhì)，具有更好的韌性，在電池制作過程中將負(fù)極卷曲或彎折時，不易斷裂，附著在負(fù)極上的陶瓷層也不易脫落。

作為優(yōu)選，所述聚酰亞胺負(fù)極層的厚度為50-200微米；所述聚酰亞胺負(fù)極漿料包括70-83重量份聚酰亞胺、15-20重量份導(dǎo)電劑、2-10重量份粘結(jié)劑、40-80重量份有機(jī)溶劑；其中聚酰亞胺、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的總和為100重量份。

作為優(yōu)選，聚酰亞胺的分子量為50000-2000000。

作為優(yōu)選，聚酰亞胺的分子量為300000-1500000。高分量子的聚酰亞胺的效果更佳。

作為優(yōu)選，所述有機(jī)溶劑為NMP或DMAC；所述導(dǎo)電劑為導(dǎo)電碳黑、導(dǎo)電纖維、碳納米管、石墨烯；所述粘結(jié)劑為SBR、PVDF。

作為優(yōu)選，所述陶瓷層包括金屬氧化物80-97wt%、陶瓷層粘結(jié)劑3-20wt%；陶瓷層的厚度為5-30微米。

作為優(yōu)選，所述金屬氧化物含量為92-97wt%，所述陶瓷層粘結(jié)劑含量為3-8wt%；所述金屬氧化物為氧化鋁或氧化鋯；所述陶瓷層粘結(jié)劑為SBR、CMC、PVDF、PTFE或丙烯酸類粘結(jié)劑；陶瓷層厚度為5-25微米。

作為優(yōu)選，所述負(fù)極集流體為銅箔或涂覆有導(dǎo)電涂層的銅箔。在銅箔上預(yù)涂有導(dǎo)電涂層，導(dǎo)電底涂層可以提高聚酰亞胺與銅箔集流體之間的粘結(jié)效果，并且進(jìn)一步克服聚酰亞胺導(dǎo)電性不佳的缺點。

作為優(yōu)選，所述正極的正極材料選自鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸錳鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰；正極的導(dǎo)電劑選自導(dǎo)電碳黑、導(dǎo)電纖維、碳納米管、石墨烯；正極的粘結(jié)劑選自PVDF、聚丙烯酸類粘結(jié)劑；所述電解液以濃度為1.0-1.2mol/L 的LiPF₆為溶質(zhì)，以EC、PC、EMC、DMC為溶劑。

將聚酰亞胺負(fù)極與上述的正極、電解液等配合，制得的鋰離子電池性能更佳。

一種電動車，含有上述的聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池。

與現(xiàn)有技術(shù)對比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明使用高分子量的聚酰亞胺作為鋰離子電池負(fù)極材料，依靠聚酰亞胺分子中的?；l(fā)生電化學(xué)氧化-還原反應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)移。使用聚酰亞胺作為負(fù)極材料，不存在石墨類材料首次充電SEI成膜過程中對容量的損耗，也不存在SEI的不斷修復(fù)及溶劑分子共插入而導(dǎo)致電池容量衰減問題。同時本發(fā)明的鋰離子電池不含隔膜，體積小、制作簡單，能量密度高，安全性好。

附圖說明

圖1為實施例1鋰離子電池正負(fù)極組裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為鋰離子電池循環(huán)性能測試圖；。

附圖標(biāo)記為：負(fù)極集流體1、聚酰亞胺負(fù)極層2、陶瓷層3、正極集流體4、正極材料層5。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

實施例1

一種聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池，包括正極、負(fù)極、電解液。

如圖1所示，所述負(fù)極包括負(fù)極集流體1、涂覆于所述負(fù)極集流體表面的聚酰亞胺負(fù)極層2、涂覆于所述聚酰亞胺負(fù)極層表面的陶瓷層3。正極包括正極集流體4、涂覆于正極集流體表面的正極材料層5。

所述負(fù)極集流體為涂覆有導(dǎo)電涂層的銅箔。銅箔后10微米，導(dǎo)電涂層單面厚2微米。所述聚酰亞胺負(fù)極層由聚酰亞胺負(fù)極漿料固化而成；所述聚酰亞胺負(fù)極漿料包括83重量份分子量為350000的聚酰亞胺、13重量份導(dǎo)電碳黑、1重量份碳納米管、3重量份PVDF、60重量份NMP，使聚酰亞胺負(fù)極漿料粘度調(diào)節(jié)至8000Cp。其中，所述聚酰亞胺負(fù)極層的厚度為125微米；所述陶瓷層厚度為10微米，包括氧化鋁93wt%、SBR 53wt%、CMC 4wt%。

所述正極的正極材料為磷酸鐵鋰；正極的導(dǎo)電劑為導(dǎo)電碳黑；正極的粘結(jié)劑為PVDF；所述電解液以濃度為1.1mol/L 的LiPF₆為溶質(zhì)，以EC:EMC:DMC=1:1:1為溶劑。

實施例2

一種聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池，包括正極、負(fù)極、電解液。

如圖1所示，所述負(fù)極包括負(fù)極集流體1、涂覆于所述負(fù)極集流體表面的聚酰亞胺負(fù)極層2、涂覆于所述聚酰亞胺負(fù)極層表面的陶瓷層3。正極包括正極集流體4、涂覆于正極集流體表面的正極材料層5。

所述負(fù)極集流體為涂覆有導(dǎo)電涂層的銅箔。所述聚酰亞胺負(fù)極層由聚酰亞胺負(fù)極漿料固化而成；所述聚酰亞胺負(fù)極漿料包括76重量份分子量為500000的聚酰亞胺、18重量份導(dǎo)電碳黑、6重量份SBR、60重量份NMP。其中，所述聚酰亞胺負(fù)極層的厚度為125微米；所述陶瓷層厚度為15微米，包括氧化鋁95wt%、SBR 5wt%。

所述正極的正極材料為鈷酸鋰；正極的導(dǎo)電劑為導(dǎo)電碳黑；正極的粘結(jié)劑為PVDF；所述電解液以濃度為1.1mol/L 的LiPF₆為溶質(zhì)，以EC為溶劑。

實施例3

一種聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池，包括正極、負(fù)極、電解液。

所述負(fù)極包括負(fù)極集流體、涂覆于所述負(fù)極集流體表面的聚酰亞胺負(fù)極層、涂覆于所述聚酰亞胺負(fù)極層表面的陶瓷層。

所述負(fù)極集流體為銅箔。所述聚酰亞胺負(fù)極層由聚酰亞胺負(fù)極漿料固化而成；所述聚酰亞胺負(fù)極漿料包括83重量份分子量為300000的聚酰亞胺、15重量份導(dǎo)電纖維、2重量份PVDF、40重量份DMAC。其中，所述聚酰亞胺負(fù)極層的厚度為50微米；所述陶瓷層厚度為5微米，包括氧化鋯97wt%、CMC 3wt%。

所述正極的正極材料為錳酸鋰；正極的導(dǎo)電劑為導(dǎo)電纖維；正極的粘結(jié)劑為聚丙烯酸類粘結(jié)劑；所述電解液以濃度為1.0mol/L 的LiPF₆為溶質(zhì)，以PC為溶劑。

實施例4

一種聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池，包括正極、負(fù)極、電解液。

所述負(fù)極包括負(fù)極集流體、涂覆于所述負(fù)極集流體表面的聚酰亞胺負(fù)極層、涂覆于所述聚酰亞胺負(fù)極層表面的陶瓷層。

所述負(fù)極集流體為涂覆有導(dǎo)電涂層的銅箔。所述聚酰亞胺負(fù)極層由聚酰亞胺負(fù)極漿料固化而成；所述聚酰亞胺負(fù)極漿料包括70重量份分子量為1500000的聚酰亞胺、20重量份碳納米管、10重量份PVDF、80重量份NMP。其中，所述聚酰亞胺負(fù)極層的厚度為200微米；所述陶瓷層厚度為30微米，包括氧化鋁80wt%、PVDF20wt%。

所述正極的正極材料為磷酸錳鐵鋰；正極的導(dǎo)電劑為碳納米管；正極的粘結(jié)劑為PVDF；所述電解液以濃度為1.2mol/L 的LiPF₆為溶質(zhì)，以EMC為溶劑。

實施例5

一種聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池，包括正極、負(fù)極、電解液。

所述負(fù)極包括負(fù)極集流體、涂覆于所述負(fù)極集流體表面的聚酰亞胺負(fù)極層、涂覆于所述聚酰亞胺負(fù)極層表面的陶瓷層。

所述負(fù)極集流體為涂覆有導(dǎo)電涂層的銅箔。所述聚酰亞胺負(fù)極層由聚酰亞胺負(fù)極漿料固化而成；所述聚酰亞胺負(fù)極漿料包括45重量份分子量為50000的聚酰亞胺、30重量份石墨烯、25重量份SBR、65重量份NMP。其中，所述聚酰亞胺負(fù)極層的厚度為150微米；所述陶瓷層厚度為25微米，包括氧化鋯90wt%、PTFE 10wt%。

所述正極的正極材料為鎳鈷錳酸鋰；正極的導(dǎo)電劑為石墨烯；正極的粘結(jié)劑為聚丙烯酸類粘結(jié)劑；所述電解液以濃度為1.1mol/L 的LiPF₆為溶質(zhì)，以DMC為溶劑。

實施例6

一種聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池，包括正極、負(fù)極、電解液。

所述負(fù)極包括負(fù)極集流體、涂覆于所述負(fù)極集流體表面的聚酰亞胺負(fù)極層、涂覆于所述聚酰亞胺負(fù)極層表面的陶瓷層。

所述負(fù)極集流體為涂覆有導(dǎo)電涂層的銅箔。所述聚酰亞胺負(fù)極層由聚酰亞胺負(fù)極漿料固化而成；所述聚酰亞胺負(fù)極漿料包括90重量份分子量為2000000的聚酰亞胺、10重量份石墨烯、70重量份DMAC。其中，所述聚酰亞胺負(fù)極層的厚度為100微米；所述陶瓷層厚度為10微米，包括氧化鋁95wt%、丙烯酸類粘結(jié)劑5wt%。

所述正極的正極材料為鎳鈷鋁酸鋰；正極的導(dǎo)電劑為石墨烯；正極的粘結(jié)劑為聚丙烯酸類粘結(jié)劑；所述電解液以濃度為1.1mol/L 的LiPF₆為溶質(zhì)，以DMC為溶劑。

實施例7

一種聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池，包括正極、負(fù)極、電解液。

所述負(fù)極包括負(fù)極集流體、涂覆于所述負(fù)極集流體表面的聚酰亞胺負(fù)極層、涂覆于所述聚酰亞胺負(fù)極層表面的陶瓷層。

所述負(fù)極集流體為涂覆有導(dǎo)電涂層的銅箔。所述聚酰亞胺負(fù)極層由聚酰亞胺負(fù)極漿料固化而成；所述聚酰亞胺負(fù)極漿料包括78重量份分子量為350000的聚酰亞胺、20重量份碳納米管、2重量份SBR、50重量份DMAC。其中，所述聚酰亞胺負(fù)極層的厚度為50微米；所述陶瓷層厚度為5微米，包括氧化鋁92wt%、PTFE 7wt%。

所述正極的正極材料為鈷酸鋰；正極的導(dǎo)電劑為碳納米管；正極的粘結(jié)劑為PVDF；所述電解液以濃度為1.1mol/L 的LiPF₆為溶質(zhì)，以DMC為溶劑。

實施例8

一種電動車，含有實施例1的聚酰亞胺負(fù)極高能量密度鋰離子電池。

對比例

對比例與實施例1的區(qū)別在于，對比例的負(fù)極沒有陶瓷涂層，且使用Celgard隔膜。

性能測試

對實施例1的鋰離子電池以及對比例的鋰離子電池進(jìn)行電池循環(huán)壽命測試，測試結(jié)果如圖1所示，實施例1的鋰離子電池在經(jīng)過多次循環(huán)后，電容量保持率相對對比例有較大提升。

本發(fā)明中所用原料、設(shè)備，若無特別說明，均為本領(lǐng)域的常用原料、設(shè)備；本發(fā)明中所用方法，若無特別說明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變換，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。