[发明专利]一种多孔聚酰亚胺负极高能量密度锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种多孔聚酰亚胺负极高能量密度锂离子电池。

背景技术

随着环境污染及能源消耗等问题的日益严重，新能源行业得到全年世界的普遍关注。锂离子电池由于其具有环境友好、能量密度高、循环寿命长、价格适宜等优点而成为近年来的研究热点。其在数码、储能、通信、电动车等领域得到了广泛的应用，尤其在电动汽车领域，以每年50%的增长速率在推广。

传统的锂离子电池正极材料一般为钴酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等电化学氧化还原电位较高的含锂化合物，负极一般使用碳材料，如石墨、硬炭、软炭等。然而，碳材料的克容量较低，使得电池的能量密度几乎达到极限。且循环过程中随着SEI膜的不断破损和修复，以及溶剂分子的共嵌入等原因，造成电池容量衰减较快。新型负极材料如硅类负极、锡负极等虽然具有较高的克容量，但依然无法避免循环衰减问题。

同时，现有的锂离子电池中都包含有隔膜，传统的隔膜厚度较厚，占据了大量的体积，间接的影响的了电池的能量密度。并且在电池组装置需要将正负极进行隔离，较为费时。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多孔聚酰亚胺负极高能量密度锂离子电池。本发明使用高分子量的聚酰亚胺作为锂离子电池负极材料，依靠聚酰亚胺分子中的酰基发生电化学氧化-还原反应完成能量转移。使用聚酰亚胺作为负极材料，不存在石墨类材料首次充电SEI成膜过程中对容量的损耗，也不存在SEI的不断修复及溶剂分子共插入而导致电池容量衰减问题。同时本发明的锂离子电池不含隔膜，体积小、制作简单，能量密度高，安全性好。

本发明的具体技术方案为：一种多孔聚酰亚胺负极高能量密度锂离子电池，包括正极、负极、电解液。所述负极包括负极集流体、涂覆于所述负极集流体表面的多孔聚酰亚胺负极层、涂覆于所述多孔聚酰亚胺负极层表面的多孔陶瓷层；所述多孔聚酰亚胺负极层的孔隙率为5-20%，孔径为5-50微米；多孔聚酰亚胺负极层由聚酰亚胺负极浆料固化而成；所述聚酰亚胺负极浆料包括45-90重量份聚酰亚胺、10-30重量份导电剂、0-25重量份粘结剂、1-3重量份致孔剂、40-80重量份有机溶剂；其中聚酰亚胺、导电剂和粘结剂的总和为100重量份。

聚酰亚胺为一种特种工程塑料，其具有耐高温（400℃以上）、耐腐蚀、机械性能好、合成简单的优点，其分子链中含有大量酰基基团，由于酰基具有多重氧化态，在一定条件下，可以同金属离子如锂离子、钠离子发生氧化还原反应，因而聚酰亚胺可以作为锂离子电池的负极材料。本发明以传统锂离子电池正极材料为正极，以高分子量聚酰亚胺作为负极材料，依靠聚酰亚胺分子中的酰基发生电化学氧化-还原反应完成能量转移。使用聚酰亚胺作为负极材料，不存在石墨类材料首次充电SEI成膜过程中对容量的损耗，也不存在SEI的不断修复及溶剂分子共插入而导致电池容量衰减问题。

在本发明中，多孔聚酰亚胺负极层为多孔状，能够依靠孔隙吸收电解液以进一步降低负极锂离子传导阻碍。

同时，在聚酰亚胺负极表面均匀涂覆多孔的多孔陶瓷层，多孔陶瓷层替代传统隔膜，一方面多孔陶瓷层具有较高的孔隙率，可以传导锂离子，另一方面多孔陶瓷层起到了高温阻隔作用，在电芯发生内短路时，多孔陶瓷层依然能够阻隔正负极大面积接触，进一步防止电池热失控。此外，多孔陶瓷层具有较低的厚度，同传统的隔膜相比，使用多孔陶瓷层将会极大的降低电芯体积，提高电芯体积能量密度。本发明的聚酰亚胺的克容量可达180-240mAh/g。

并且，在本发明中，多孔聚酰亚胺负极层与多孔陶瓷层相配合，具有额外的有益效果：由于负极多孔聚酰亚胺负极层为高分子材料，与陶瓷浆料中的粘结剂形成较强的结合力，因而多孔陶瓷层能够紧密的粘接在多孔聚酰亚胺负极层上，不会发生将陶瓷浆料涂覆在传统负极上出现的脱落或掉粉等问题。正是由于多孔陶瓷层与多孔聚酰亚胺负极层能够紧密的贴合，使得多孔陶瓷层与负极之间的接触界面更加紧密，有利降低锂离子传导的界面阻抗，提高电池倍率充放电性能。而且多孔聚酰亚胺负极层由于是塑料材质，具有更好的韧性，在电池制作过程中将负极卷曲或弯折时，不易断裂，附着在负极上的多孔陶瓷层也不易脱落。

作为优选，所述多孔聚酰亚胺负极层的厚度为50-200微米；所述聚酰亚胺负极浆料包括70-83重量份聚酰亚胺、15-20重量份导电剂、2-10重量份粘结剂、1-3重量份致孔剂、40-80重量份有机溶剂；其中聚酰亚胺、导电剂和粘结剂的总和为100重量份。

作为优选，聚酰亚胺的分子量为50000-2000000。