[发明专利]一种锂离子电池电极结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池电极结构及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有比能量高、工作电压高、自放电低、循环寿命好、对环境友好、安全性能较好等优势，因此在移动通讯、笔记本电脑等便携式移动电子设备领域已经得到了广泛的应用，而在动力电池领域，锂离子电池也是目前所有已知化学电源中最具潜力的竞争者。

然而在便携式移动电子产品领域，超薄手机、笔记本电脑、平板电脑成为了时尚的主流，这就对锂离子电池体积能量密度提出了更高的要求，必须拥有更高的体积能量密度才能满足超薄电子产品的发展需求，而目前锂离子电池产品的技术，在提高现有锂离子电池电极材料容量发挥方面已经达到极限，因此通常只能通过减少活性物质使用量来减小锂离子电池体积，但这种方法将会缩短锂离子电池产品的使用时间。锂离子动力电池领域，需要拥有更高能量密度的锂离子电池，而受制于现有的锂离子电池材料及组装方式的瓶颈限制，在一定功率密度前提下大幅度提高锂离子电池的质量能量密度和体积能量密度几乎无法实现。目前的锂离子电池，其能量密度和功率性能成为一种矛盾的选择，如要追求电池大的功率性能就必须极大的牺牲电池的能量密度，如要追求电池大的能量密度就必须极大牺牲电池的功率性能。然而电动工具、电动自行车、电动玩具、小型医疗设备、电动汽车等对锂离子动力电池的应用，要求具有一定的功率性能前提条件下，需要具有更高的质量能量密度和体积能量密度，从而使得锂离子电池能够在单位质量或单位体积下拥有更长的使用时间来满足人们的使用需要。

目前人们通常采取三种方法来提升锂离子电池的能量密度，（1）尽可能降低锂离子电池中的非活性物质的质量和体积（如减少极耳、使用更薄集流体、采用更薄的封装体等），从而在单位体积或单位质量情况下能够提升整个电池的容量。然而在保证锂离子电池性能和安全的前提条件要求下，现有的锂离子电池组装技术已经非常成熟，将非活性物质部分降低到了极值，很难进一步的大幅度降低非活性物质部分的质量和体积；（2）使用比容量更高的活性物质材料来提升锂离子电池的能量密度，但是现有的商品化的正负极活性物质实际比容量发挥基本已经达到了其实际应用的极值，而新型高比容量活性物质的开发及大规模推广应用，面临很大市场挑战；（3）增加极片的厚度从而提高电池极片的面密度，是目前提升电池能量密度应用最广泛的方法。该方法能够极大的提升单位质量或单位体积中活性物质的比重，从而使单个电池内能够填充更多的活性物质参与电化学反应来提升锂离子电池的能量密度，但由于极片涂覆厚度的增加，其内部活性物质的电子及离子传递扩散路径变长，极片内部电解液渗透能力变差，导致整个锂离子电池的倍率性能大幅度降低，因此该方法虽然能够提升锂离子电池的能量密度但以大幅度的牺牲电池的功率性能为前提，很难满足高能量和动力电池领域对锂离子电池实际应用的要求。另外，极片厚度的增加到一定程度将会出现裂纹掉粉严重问题，导致极片无法使用。

发明内容

本发明目的在于提供一种锂离子电池电极结构及其制备方法，通过纳米碳材料与活性物质叠层的锂离子电池电极的结构设计，利用纳米碳材料与活性物质良好的连接性能，实现单位面积的极片涂覆更多活性物质的目的，从而使得锂离子电池拥有高能量密度的同时依然可以拥有良好的功率性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种锂离子电池电极结构，包括纳米碳材料层、活性物质层和金属集流体；其中：在所述金属集流体上是由纳米碳材料层和活性物质层依次交替排列形成的叠层结构。

本发明所述的金属集流体为铝、铜、锌和镍金属中的一种或多种，集流体厚度为1～30μm，集流体是箔片结构、泡沫结构、海绵结构、网状结构中的一种或多种。

所述纳米碳材料层厚度为0.5～20μm，所述活性物质层厚度为1μm～1mm。所述叠层结构的层数为1～100层。

上述锂离子电池电极结构的制备方法，该方法首先将纳米碳材料浆料均匀涂覆于金属集流体上并烘干，在金属集流体上形成第一层纳米碳材料层；接着在第一层纳米碳材料层上涂覆活性物质浆料并烘干，形成第一层活性物质层；在第一层活性物质层上继续涂覆纳米碳材料浆料并烘干，形成第二层纳米碳材料层，在第二层纳米碳材料层表面再涂覆活性物质浆料并烘干，形成第二层活性物质层；根据需要层数依次交替涂覆纳米碳材料浆料和活性物质浆料并烘干，获得锂离子电池电极结构。