一种水系离子电池、极片组件及其制备方法与流程

本发明属于水系离子电池，具体涉及一种水系离子电池、极片组件及其制备方法。

背景技术：

1、目前，锂离子电池作为最常用的二次电池，已被广泛应用于各种电子产品、电动汽车和储能领域。然而，锂资源的稀缺和价格波动使得研究人员一直在寻找替代品。钠离子电池由于钠资源丰富、成本低廉、环境友好等优点，被认为是一种有潜力的替代方案。现有的钠离子电池大多采用有机电解液，存在易燃、有毒、环境污染等问题。此外，有机电解液的热稳定性和电化学稳定性相对较低，限制了钠离子电池在高温或低温环境下的应用。因此，开发一种安全、环保、稳定的水系钠离子电池具有重要意义。水系钠离子电池因其安全性、环保性和稳定性而受到广泛关注。但传统的水系钠离子电池存在能量密度较低、循环稳定性较差等问题，限制了其广泛应用。其中，集流体是影响水系钠离子电池性能的重要因素之一。现有的水系钠离子电池集流体主要包括碳纸和铜箔等。碳纸具有较好的导电性，但机械强度和稳定性相对较低；铜箔具有较高的机械强度和稳定性，但导电性相对较低。因此，有必要改进集流体材料，以提高水系钠离子电池的性能。现有的水系钠离子电池制备工艺还存在一些问题，如极片材料与集流体的粘合效果不佳、极片孔隙率不佳，极片均一性较差等，影响了电池的性能。因此，有必要结合集流体与极片改进极片制备工艺，以提高水系钠离子电池的性能。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种水系离子电池、极片组件及其制备方法，以优化极片孔隙率结构，提升极片均一性，提高极片材料的粘合效果和导电性及稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供的一种水系离子电池极片组件的制备方法，包括以下步骤：

3、选取具有不同粒径的材料，将选取的不同粒径的材料进行混合，保持不同的粒径比例，调节粘结剂含量，将混合后的材料进行搅拌和分散，分别制成可辊压的材料团片，其中，粒径范围为1-75μm；

4、将材料团片分别通过辊压机压制成极片，制得一系列孔隙率配方不同的极片层；

5、将提前预热的具有碳材料涂层的集流体夹入孔隙率配方最高的极片层中进行高温辊压，在一定的压力和温度下，得到片状结构的单层极片层包裹集流体的电池极片组件，且极片材料与碳材料涂层牢固粘合；

6、将一系列不同孔隙率配方的极片层按照孔隙率配方由高至低的顺序依次夹至片状结构的单至多层极片层包裹集流体的电池极片组件外侧，经过辊压，得到具有孔隙率梯度的极片包裹集流体的电池极片组件；

7、将制得的电池极片组件在一定温度下进行干燥，以去除溶剂和水分；

8、在干燥的极片上施加压力进行高温热压，使极片层更加紧密。

9、优选地，集流体材料种类包括不锈钢、镍、钛、铝、锌、铜或碳纤维中的一种或多种，形貌包括网状或箔状，厚度为5μm～1mm。

10、优选地，在集流体上涂布碳材料涂层的方式包括刮刀涂布、喷涂或旋涂中的一种或多种，涂布时采用的含碳混合浆料包含碳材料、粘结剂、导电添加剂和溶剂；所述碳材料为石墨烯或石墨，所述粘结剂包括聚丙烯酸酯或聚四氟乙烯，所述导电添加剂包括碳纳米管或导电黑，所述溶剂包括n-甲基吡咯烷酮或去离子水，所述碳材料涂层厚度为10～2000μm。

11、优选地，所述极片材料原料组分质量百分比：所述活性材料60％～92％、粘结剂4％～15％、导电剂5％～20％；其中，所述活性材料为含锂/钠的过渡金属氧化物等离子脱嵌型化合物中的一种或多种；所述粘结剂选自聚四氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯氧化物、聚丙烯腈、聚酰亚胺、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种；所述导电剂选自活性炭、乙炔黑、炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯及其混合导电浆料中的至少一种。

12、优选地，各极片层厚度为0.3～3mm，极片总厚度为0.5～6mm，密度为0.6～1.5g/cm3。

13、优选地，辊压时的具体条件包括：辊压温度为20-220℃；辊缝为0.3～6mm；辊速为0.1～10m/min；辊压次数为至少6次。

14、优选地，集流体与极耳为一体结构，无需另外焊接极耳。

15、优选地，所述集流体与极片材料接触面积为85％-100％。

16、一种根据上述任一项方法制备的水系离子电池极片组件，其包括电池极片和集流体，其中，所述集流体为表面涂覆有含碳材料涂层的基底，极片与集流体通过高温辊压贴合，极片材料与碳材料涂层牢固粘合，包裹在集流体外侧，为三维接触一体式结构；所述电池极片组件为片状结构，具有孔隙率梯度，由数层孔隙度不同的极片层组成，极片层孔隙率通过调整材料粒径和粘结剂含量控制。

17、一种水系离子电池，其为正极极片组件-隔膜-负极极片组件结构的软包电池，所述极片组件由上述任一项方法制备所得，电解液为(0.3～2.0)mol/l的硫酸钠溶液或硫酸锂溶液或两者混合溶液，隔膜为玻璃纤维、滤纸、无纺布、称量纸中的一种，装配得的电池无需外部保压设施。

18、相对现有技术，本发明技术方案带来的有益效果如下：

19、(1)本发明的水系离子电池一体式极片组件结构制备工艺通过优化极片材料的配比及孔隙率梯度、含碳材料涂覆浆料的配比及涂布方式、含碳材料涂覆集流体与极片热压条件等参数，优化了极片的孔隙率结构，提升了极片的均一性，提高了集流体与极片材料的粘合效果，从而提高了水系钠离子电池的性能。

20、(2)本发明的水系离子电池安全性高，降低了电池起火和爆炸的风险，且无毒、无污染，环保性好，符合绿色发展理念，并且具有良好的热稳定性和电化学稳定性，有利于电池在高温及低温环境下的应用。

21、(3)本发明的水系离子电池在保持安全性、环保性和稳定性的同时，提高了能量密度、循环寿命和循环稳定性。因此，本发明的水系离子电池可广泛应用于电动汽车、储能、通信基站等领域。

技术特征：

1.一种水系离子电池极片组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，集流体材料种类包括不锈钢、镍、钛、铝、锌、铜或碳纤维中的一种或多种，形貌包括网状或箔状，厚度为5μm～1mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在集流体上涂布碳材料涂层的方式包括刮刀涂布、喷涂或旋涂中的一种或多种，涂布时采用的含碳混合浆料包含碳材料、粘结剂、导电添加剂和溶剂；所述碳材料为石墨烯或石墨，所述粘结剂包括聚丙烯酸酯或聚四氟乙烯，所述导电添加剂包括碳纳米管或导电黑，所述溶剂包括n-甲基吡咯烷酮或去离子水，所述碳材料涂层厚度为10～2000μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述极片材料原料组分质量百分比：所述活性材料60％～92％、粘结剂4％～15％、导电剂5％～20％；其中，所述活性材料为含锂/钠的过渡金属氧化物等离子脱嵌型化合物中的一种或多种；所述粘结剂选自聚四氟乙烯、聚丙烯酸酯、聚乙烯氧化物、聚丙烯腈、聚酰亚胺、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种；所述导电剂选自活性炭、乙炔黑、炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯及其混合导电浆料中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各极片层厚度为0.3～3mm，极片总厚度为0.5～6mm，密度为0.6～1.5g/cm3。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，辊压时的具体条件包括：辊压温度为20-220℃；辊缝为0.3～6mm；辊速为0.1～10m/min；辊压次数为至少6次。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，集流体与极耳为一体结构，无需另外焊接极耳。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集流体与极片材料接触面积为85％-100％。

9.一种根据权利要求1-8任一项方法制备的水系离子电池极片组件，其特征在于，包括电池极片和集流体，其中，所述集流体为表面涂覆有含碳材料涂层的基底，极片与集流体通过高温辊压贴合，极片材料与碳材料涂层牢固粘合，包裹在集流体外侧，为三维接触一体式结构；所述电池极片组件为片状结构，具有孔隙率梯度，由数层孔隙度不同的极片层组成，极片层孔隙率通过调整材料粒径和粘结剂含量控制。

10.一种水系离子电池，其特征在于，其为正极极片组件-隔膜-负极极片组件结构的软包电池，所述极片组件由权利要求1至8任一项方法制备所得，电解液为(0.3～2.0)mol/l的硫酸钠溶液或硫酸锂溶液或两者混合溶液，隔膜为玻璃纤维、滤纸、无纺布、称量纸中的一种，装配得的电池无需外部保压设施。

技术总结本发明属于水系离子电池技术领域，具体公开一种水系离子电池、极片组件及其制备方法。水系离子电池极片组件包括电池极片和带有碳材料涂层的集流体，极片与集流体通过高温辊压贴合，极片材料与碳材料涂层牢固粘合，包裹在集流体外侧，为三维接触结构，具有良好的接触界面及导电性；极片具有孔隙率梯度，以提高电极的电化学活性面积和离子传输速率；集流体材料加长裁剪预留极耳，极耳无需另外焊接。本发明的水系离子电池结构简单，极片组件接触性好，无需另外施加压力使电池器件贴合，能够提高结构稳定性，可提高电池的电化学性能及循环稳定性，可以广泛应用于制备离子电池。技术研发人员：张伟,武祎,赵宇受保护的技术使用者：维瑞纳能源集团私人有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/23