本發(fā)明屬于水系離子電池，具體涉及一種水系離子電池、極片組件及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、目前，鋰離子電池作為最常用的二次電池，已被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品、電動汽車和儲能領(lǐng)域。然而，鋰資源的稀缺和價格波動使得研究人員一直在尋找替代品。鈉離子電池由于鈉資源豐富、成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點，被認(rèn)為是一種有潛力的替代方案?，F(xiàn)有的鈉離子電池大多采用有機(jī)電解液，存在易燃、有毒、環(huán)境污染等問題。此外，有機(jī)電解液的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性相對較低，限制了鈉離子電池在高溫或低溫環(huán)境下的應(yīng)用。因此，開發(fā)一種安全、環(huán)保、穩(wěn)定的水系鈉離子電池具有重要意義。水系鈉離子電池因其安全性、環(huán)保性和穩(wěn)定性而受到廣泛關(guān)注。但傳統(tǒng)的水系鈉離子電池存在能量密度較低、循環(huán)穩(wěn)定性較差等問題，限制了其廣泛應(yīng)用。其中，集流體是影響水系鈉離子電池性能的重要因素之一?，F(xiàn)有的水系鈉離子電池集流體主要包括碳紙和銅箔等。碳紙具有較好的導(dǎo)電性，但機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性相對較低；銅箔具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但導(dǎo)電性相對較低。因此，有必要改進(jìn)集流體材料，以提高水系鈉離子電池的性能。現(xiàn)有的水系鈉離子電池制備工藝還存在一些問題，如極片材料與集流體的粘合效果不佳、極片孔隙率不佳，極片均一性較差等，影響了電池的性能。因此，有必要結(jié)合集流體與極片改進(jìn)極片制備工藝，以提高水系鈉離子電池的性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水系離子電池、極片組件及其制備方法，以優(yōu)化極片孔隙率結(jié)構(gòu)，提升極片均一性，提高極片材料的粘合效果和導(dǎo)電性及穩(wěn)定性。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種水系離子電池極片組件的制備方法，包括以下步驟：

3、選取具有不同粒徑的材料，將選取的不同粒徑的材料進(jìn)行混合，保持不同的粒徑比例，調(diào)節(jié)粘結(jié)劑含量，將混合后的材料進(jìn)行攪拌和分散，分別制成可輥壓的材料團(tuán)片，其中，粒徑范圍為1-75μm；

4、將材料團(tuán)片分別通過輥壓機(jī)壓制成極片，制得一系列孔隙率配方不同的極片層；

5、將提前預(yù)熱的具有碳材料涂層的集流體夾入孔隙率配方最高的極片層中進(jìn)行高溫輥壓，在一定的壓力和溫度下，得到片狀結(jié)構(gòu)的單層極片層包裹集流體的電池極片組件，且極片材料與碳材料涂層牢固粘合；

6、將一系列不同孔隙率配方的極片層按照孔隙率配方由高至低的順序依次夾至片狀結(jié)構(gòu)的單至多層極片層包裹集流體的電池極片組件外側(cè)，經(jīng)過輥壓，得到具有孔隙率梯度的極片包裹集流體的電池極片組件；

7、將制得的電池極片組件在一定溫度下進(jìn)行干燥，以去除溶劑和水分；

8、在干燥的極片上施加壓力進(jìn)行高溫?zé)釅?，使極片層更加緊密。

9、優(yōu)選地，集流體材料種類包括不銹鋼、鎳、鈦、鋁、鋅、銅或碳纖維中的一種或多種，形貌包括網(wǎng)狀或箔狀，厚度為5μm～1mm。

10、優(yōu)選地，在集流體上涂布碳材料涂層的方式包括刮刀涂布、噴涂或旋涂中的一種或多種，涂布時采用的含碳混合漿料包含碳材料、粘結(jié)劑、導(dǎo)電添加劑和溶劑；所述碳材料為石墨烯或石墨，所述粘結(jié)劑包括聚丙烯酸酯或聚四氟乙烯，所述導(dǎo)電添加劑包括碳納米管或?qū)щ姾?，所述溶劑包括n-甲基吡咯烷酮或去離子水，所述碳材料涂層厚度為10～2000μm。

11、優(yōu)選地，所述極片材料原料組分質(zhì)量百分比：所述活性材料60％～92％、粘結(jié)劑4％～15％、導(dǎo)電劑5％～20％；其中，所述活性材料為含鋰/鈉的過渡金屬氧化物等離子脫嵌型化合物中的一種或多種；所述粘結(jié)劑選自聚四氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯氧化物、聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚酯、氟化聚合物、聚二乙烯基聚二乙醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸中的至少一種；所述導(dǎo)電劑選自活性炭、乙炔黑、炭黑、石墨、碳纖維、碳納米管、石墨烯及其混合導(dǎo)電漿料中的至少一種。

12、優(yōu)選地，各極片層厚度為0.3～3mm，極片總厚度為0.5～6mm，密度為0.6～1.5g/cm3。

13、優(yōu)選地，輥壓時的具體條件包括：輥壓溫度為20-220℃；輥縫為0.3～6mm；輥速為0.1～10m/min；輥壓次數(shù)為至少6次。

14、優(yōu)選地，集流體與極耳為一體結(jié)構(gòu)，無需另外焊接極耳。

15、優(yōu)選地，所述集流體與極片材料接觸面積為85％-100％。

16、一種根據(jù)上述任一項方法制備的水系離子電池極片組件，其包括電池極片和集流體，其中，所述集流體為表面涂覆有含碳材料涂層的基底，極片與集流體通過高溫輥壓貼合，極片材料與碳材料涂層牢固粘合，包裹在集流體外側(cè)，為三維接觸一體式結(jié)構(gòu)；所述電池極片組件為片狀結(jié)構(gòu)，具有孔隙率梯度，由數(shù)層孔隙度不同的極片層組成，極片層孔隙率通過調(diào)整材料粒徑和粘結(jié)劑含量控制。

17、一種水系離子電池，其為正極極片組件-隔膜-負(fù)極極片組件結(jié)構(gòu)的軟包電池，所述極片組件由上述任一項方法制備所得，電解液為(0.3～2.0)mol/l的硫酸鈉溶液或硫酸鋰溶液或兩者混合溶液，隔膜為玻璃纖維、濾紙、無紡布、稱量紙中的一種，裝配得的電池?zé)o需外部保壓設(shè)施。

18、相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明技術(shù)方案帶來的有益效果如下：

19、(1)本發(fā)明的水系離子電池一體式極片組件結(jié)構(gòu)制備工藝通過優(yōu)化極片材料的配比及孔隙率梯度、含碳材料涂覆漿料的配比及涂布方式、含碳材料涂覆集流體與極片熱壓條件等參數(shù)，優(yōu)化了極片的孔隙率結(jié)構(gòu)，提升了極片的均一性，提高了集流體與極片材料的粘合效果，從而提高了水系鈉離子電池的性能。

20、(2)本發(fā)明的水系離子電池安全性高，降低了電池起火和爆炸的風(fēng)險，且無毒、無污染，環(huán)保性好，符合綠色發(fā)展理念，并且具有良好的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性，有利于電池在高溫及低溫環(huán)境下的應(yīng)用。

21、(3)本發(fā)明的水系離子電池在保持安全性、環(huán)保性和穩(wěn)定性的同時，提高了能量密度、循環(huán)壽命和循環(huán)穩(wěn)定性。因此，本發(fā)明的水系離子電池可廣泛應(yīng)用于電動汽車、儲能、通信基站等領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種水系離子電池極片組件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，集流體材料種類包括不銹鋼、鎳、鈦、鋁、鋅、銅或碳纖維中的一種或多種，形貌包括網(wǎng)狀或箔狀，厚度為5μm～1mm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在集流體上涂布碳材料涂層的方式包括刮刀涂布、噴涂或旋涂中的一種或多種，涂布時采用的含碳混合漿料包含碳材料、粘結(jié)劑、導(dǎo)電添加劑和溶劑；所述碳材料為石墨烯或石墨，所述粘結(jié)劑包括聚丙烯酸酯或聚四氟乙烯，所述導(dǎo)電添加劑包括碳納米管或?qū)щ姾冢鋈軇┌╪-甲基吡咯烷酮或去離子水，所述碳材料涂層厚度為10～2000μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述極片材料原料組分質(zhì)量百分比：所述活性材料60％～92％、粘結(jié)劑4％～15％、導(dǎo)電劑5％～20％；其中，所述活性材料為含鋰/鈉的過渡金屬氧化物等離子脫嵌型化合物中的一種或多種；所述粘結(jié)劑選自聚四氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯氧化物、聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚酯、氟化聚合物、聚二乙烯基聚二乙醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸中的至少一種；所述導(dǎo)電劑選自活性炭、乙炔黑、炭黑、石墨、碳纖維、碳納米管、石墨烯及其混合導(dǎo)電漿料中的至少一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，各極片層厚度為0.3～3mm，極片總厚度為0.5～6mm，密度為0.6～1.5g/cm3。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，輥壓時的具體條件包括：輥壓溫度為20-220℃；輥縫為0.3～6mm；輥速為0.1～10m/min；輥壓次數(shù)為至少6次。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，集流體與極耳為一體結(jié)構(gòu)，無需另外焊接極耳。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述集流體與極片材料接觸面積為85％-100％。

9.一種根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項方法制備的水系離子電池極片組件，其特征在于，包括電池極片和集流體，其中，所述集流體為表面涂覆有含碳材料涂層的基底，極片與集流體通過高溫輥壓貼合，極片材料與碳材料涂層牢固粘合，包裹在集流體外側(cè)，為三維接觸一體式結(jié)構(gòu)；所述電池極片組件為片狀結(jié)構(gòu)，具有孔隙率梯度，由數(shù)層孔隙度不同的極片層組成，極片層孔隙率通過調(diào)整材料粒徑和粘結(jié)劑含量控制。

10.一種水系離子電池，其特征在于，其為正極極片組件-隔膜-負(fù)極極片組件結(jié)構(gòu)的軟包電池，所述極片組件由權(quán)利要求1至8任一項方法制備所得，電解液為(0.3～2.0)mol/l的硫酸鈉溶液或硫酸鋰溶液或兩者混合溶液，隔膜為玻璃纖維、濾紙、無紡布、稱量紙中的一種，裝配得的電池?zé)o需外部保壓設(shè)施。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于水系離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體公開一種水系離子電池、極片組件及其制備方法。水系離子電池極片組件包括電池極片和帶有碳材料涂層的集流體，極片與集流體通過高溫輥壓貼合，極片材料與碳材料涂層牢固粘合，包裹在集流體外側(cè)，為三維接觸結(jié)構(gòu)，具有良好的接觸界面及導(dǎo)電性；極片具有孔隙率梯度，以提高電極的電化學(xué)活性面積和離子傳輸速率；集流體材料加長裁剪預(yù)留極耳，極耳無需另外焊接。本發(fā)明的水系離子電池結(jié)構(gòu)簡單，極片組件接觸性好，無需另外施加壓力使電池器件貼合，能夠提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可提高電池的電化學(xué)性能及循環(huán)穩(wěn)定性，可以廣泛應(yīng)用于制備離子電池。

技術(shù)研發(fā)人員：張偉,武祎,趙宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：維瑞納能源集團(tuán)私人有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23