一种复合电极极片和电芯、双极性电池的制作方法

1.本实用新型涉及电池技术领域，具体涉及一种复合电极极片和电芯、双极性电池。


背景技术：

2.双极性电极极片是在双极性集流体的相对两面分别涂覆不同极性的活性物质，并通过将多个双极性极片以及多个固态电解质串联叠加的方式构成电池，这种电池结构减少了电池的无效配装空间、降低了连接电阻，使得双极性电池具有高电压、高能量密度、高过流能力等优点。而该种电池存在不同双极性极片互相接触导致电池短路的风险。因此，需要使各电极及固态电解质之间具有相互独立的结构。目前，业界常通过固态电解质层来分隔不同的双极性极片，但这种方法易导致不同的(特别是相邻的)固态电解质层相接触导致电池发生离子短路。


技术实现要素：

3.鉴于此，本实用新型提供了一种复合电极极片和电芯、双极性电池。该复合电极极片的预设位置设有绝缘环，当其装配具有多个双极性极片的电池中时，绝缘环可较好地隔开不同电极极片本体，特别是相邻的电极极片本体的活极活性材料层相互接触，从而可显著减小电池发生电子短路的风险。
4.本实用新型第一方面提供了一种复合电极极片，该电极极片包括电极极片本体及绝缘环，所述绝缘环环绕所述电极极片本体的外围设置；和/或设置所述绝缘环在所述电极极片本体的至少一侧表面的边缘上。
5.该复合电极极片的预设位置设置有绝缘环，当复合电极极片装配具有多个叠加的双极性极片及固态电解质层的电池中时，不仅可以有效地分隔开不同的(特别是相邻的)固态电解质层直接接触，避免电池发生离子短路的现象，预设位置上的绝缘环还可以较充分地隔绝不同的(特别是相邻的)电极极片本体直接接触，从而能够显著减小双极性电池发生电子短路的风险，提高双极性电池的稳定性，有利于电池性能的充分发挥。
6.本实用新型第二方面提供了一种电芯，包括多个层叠设置的本实用新型第一方面提供的复合电极极片和固态电解质层。
7.该电芯同时拥有多个串联叠加的复合电极极片和固态电解质层，并且内置的复合电极极片不仅能够隔开不同的固态电解质层，还能够显著减小不同电极极片本体相互接触造成的电子短路的风险，从而该电芯可用于提供结构、性能稳定的双极性电池。
8.本实用新型第三方面提供了一种双极性电池，该双极性电池包含本实用新型第二方面提供的电芯。
9.该双极性电池可同时具有电压较高、能量密度较高、过流能力较高的优点，并且该双极性电池的性能稳定。
附图说明
10.图1为本实用新型一实施例提供的复合电极极片的俯视图；
11.图2为本实用新型一实施例提供的复合电极极片的前视图；
12.图3为本实用新型另一实施例提供的复合电极极片的前视图；
13.图4为本实用新型另一实施例提供的复合电极极片中拆解出的绝缘环的俯视图；
14.图5为本实用新型另一实施例提供的复合电极极片的俯视图；
15.图6为本实用新型一实施例提供的电芯的截面图；
16.图7为本实用新型又一实施例提供的电芯的截面图。
17.附图说明：10-复合电极极片；11-电极极片本体；111-正极活性材料层；112-正极集流体；113-负极集流体；114-负极活性材料层；12-绝缘环；20-固态电解质层。
具体实施方式
18.请一并参见图1-图5。本实用新型实施例提供的复合电极极片10包括电极极片本体11及绝缘环12，绝缘环12设置在电极极片本体11的至少一侧表面的边缘上(如图1-图2所示)；和/或绝缘环12环绕电极极片本体11的外围设置(如图3-图5所示)。
19.本实用新型中，“绝缘环12设置在电极极片本体11的至少一侧表面的边缘上”是指绝缘环12设置在电极极片本体11与其厚度方向垂直的两个表面中的至少一个表面上，且设置在该至少一个表面的边缘；“绝缘环12环绕电极极片本体11的外围设置”是指绝缘环12设置在电极极片本体11与其厚度方向平行的外周壁上。
20.本实用新型中，上述绝缘环12是指绝缘材料构成的环状结构，环状结构的内、外轮廓均可以是方形，也可以是圆形或者是其他曲形或者多边形。绝缘环12的外轮廓或内轮廓需要与电极极片本体11的外轮廓相匹配。
21.本实用新型中，上述电极极片本体11包括层叠设置的正极活性材料层、集流体和负极活性材料层。在一些实施方式中，上述集流体也可以是由单片铝箔构成的，铝箔的相对两侧表面分别设置有正、负活性材料层。
22.在另一些实施方式中，上述集流体为复合集流体，复合集流体包括层叠设置的正极集流体112(可以为铝箔)、粘结层和负极集流体113(可以为铜箔)，正极集流体112靠近正极活性材料层111设置(如图2-图3所示)，粘结层包括填充有导电粘结剂的多孔聚合物膜。此时，该电极极片本体11的正极部分(包括正极活性材料层111和正极集流体112，为了方便表述，正极部分记作a)和负极部分(包括负极集流体113和负极活性材料层114，为了方便表述，负极部分记作b)可分别加工，从而可避正、负电极活性材料层所使用的不同溶剂在干燥过程中互相影响，更重要的是可根据正、负活性材料层各自的材料确定辊压工艺参数，避免了使用单片集流体时，辊压参数与某一侧活性材料的特性不符，发生压力过大造成活性材料颗粒破裂、或者压力过小导致某一侧活性材料层的压实密度偏小造成体积能量密度的损失。此外，聚合物膜质量小且具有一定的结构强度，聚合物膜的存在可减薄正、负集流体的厚度，从而有利于减小上述集流体的总质量，进而提高电池的能量密度。
23.本实用新型中，上述多孔聚合物膜的孔隙率在40％-70％的范围内，孔径在0.1mm-20mm的范围内。上述多孔聚合物膜的厚度在1μm-10μm的范围内。其中，多孔聚合物膜可以是绝缘聚合物膜，也可以是普通的聚合物膜，优选为绝缘聚合物膜。本实用新型中，上述绝缘
多孔聚合物膜的电子电导率及离子电导率均小于10-9
s/m。绝缘多孔聚合物膜的材质包括但不限于聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚苯醚。
24.当上述多孔聚合物膜为绝缘材料时，可控制多孔绝缘聚合物膜的横向尺寸比正、负极活性材料层、集流体以及固态电解质层20的横向尺寸大，从而将其装配到电池中时，可有效防止正、负极活性材料层以及固态电解质层20之间相互接触，可进一步减小双极性电池中发生短路的风险。还需要注意的是，上述多孔绝缘聚合物膜外延在正、负极集流体之外的部分不可填充导电胶。
25.本实用新型一些实施方式中，绝缘环12可以设置在电极极片本体11的一侧或者相对两侧表面的边缘上。也即，电极极片本体11至少一侧表面包括非绝缘区域及围设在上述非绝缘区域四周的绝缘区域，上述绝缘区域上设有绝缘环12。示例性地，绝缘环12可以设置在正极活性材料层的表面，或者负极活性材料层的表面，或者绝缘环12设置在集流体表面未被正/负极活性材料层覆盖的区域。
26.在上述情况下，当复合电极极片10装配到电芯中时，为便于其能充分地与固态电解质层20贴合，保证电池的良好工作，可以对复合电极极片10或者固态电解质层20的相应区域进行减薄处理。例如，当绝缘环12设置在正极活性材料层的表面时，可对正极活性材料层的绝缘区域的厚度进行部分减薄，使绝缘区域的正极活性材料层的厚度比非绝缘区域的厚度薄，以使绝缘环12的上表面可与正极活性材料层的上表面齐平。再例如，当绝缘环12设置在集流体表面未被正极活性材料层111覆盖的区域时(参见图2)，此时也可视为将正极活性材料层111对应绝缘环12的区域进行了减薄，例如将该区域的正极活性材料层减薄掉，以使绝缘环12的上表面(垂直与其厚度方向且远离集流体的表面)与正极活性材料层111的上表面齐平。
27.其中，上述绝缘环12可以是直接将绝缘原料涂覆在电极极片本体11表面上的绝缘区域以形成环状绝缘膜，也可以是将已成型的环状绝缘膜粘贴在电极极片本体11表面的绝缘区域上。当这种复合电极极片装配在双极性电池中时，绝缘环12主要起着隔绝不同电极极片本体11(特别是相邻电极极片本体11中的电极活性材料层)相互接触的作用，从而能够较好地防止电池发生电子短路的现象。
28.本实用新型另一些实施方式中，绝缘环12还可以环绕电极极片本体11的外围设置，绝缘环12自身构成环状结构。此时，绝缘环12均作为电极极片本体11的外延部分，当这种复合电极极片10装配在双极性电池中时，绝缘环12可起到隔绝不同固态电解质层相互接触的作用，同时也可显著减小因电池制备过程中工艺误差导致的不同电极极片本体11直接接触的风险，从而能够较好地防止电池发生电子和离子短路。
29.在这种情况下，绝缘环12可以通过点胶的方法粘接固定在电极极片本体11周围。绝缘环12的相对两侧表面(垂直与其厚度方向的表面)可连续延伸至电极极片本体11的任意高度位置。例如，绝缘环12可以设置在集流体(单一铝箔集流体，或者上述复合集流体)外围，此时，绝缘环12的厚度小于或等于集流体的厚度。再例如，绝缘环12也可以仅设置在正极活性材料层(或者正极部分)的外围(此时，正极活性材料层的边缘是与集流体的边缘齐平的，绝缘环12在沿平行于集流体表面的正投影未落在集流体上)。又例如，绝缘环12还可以仅设置在负极活性材料层(或者负极部分)的外围。此外，绝缘环12还可以设置在整个电极极片本体11的周围。
30.在又一些情况下，绝缘环12可同时存在于电极极本体的一侧或者两侧表面的边缘上以及电极极片本体11的外围(前述两种情况的结合)。此时，可将已成型的包含相对设置的两面及连接所述相对设置的两面的侧面的绝缘环12套设在电极极片本体11的外围；其中，绝缘环12相对设置的两面用于设置在电极极片本体11两侧表面边缘，绝缘环12连接所述相对设置的两面的侧面用于设置在电极极片本体11外围。
31.本实用新型一些实施方式中，上述绝缘区域的面积占复合电极极片总面积的1％-30％。优选地，上述绝缘区域的面积占复合电极极片总面积的2％-20％。示例性地，上述绝缘区域的面积占复合电极极片总面积的值可以为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、15％、20％、25％、30％等。控制绝缘区域的面积在一定的比例内，有利于降低生产成本。
32.本实用新型中，上述绝缘环12的电子电导率及离子电导率均小于10-9
s/m。在一些具体实施例中，构成上述绝缘环的材料包括但不限于三氧化二铝、勃姆石、二氧化硅、聚乙烯、聚丙烯。
33.本实用新型实施例还提供了一种电芯，包含上述复合电极极片10。
34.具体地，请参见图6-图7，本实用新型提供的电芯包括多个层叠且交替设置的复合电极极片10和固态电解质层20。具体地，电芯中同时包括多个复合电极极片10和多个固态电解质层20，且复合电极极片10和固态电解质层20交替设置。
35.需要说明的是，本实用新型中提供的图例中，电芯、复合电极极片10以及固态电解质层20都是以矩形为例。事实上，上述各组成部分的形状还可以是曲形、其他的多边形，且绝缘环12、电极极片本体11、复合电极极片10、固态电解质层20的外轮廓都需要互相匹配。
36.本实用新型一些实施方式中，电极极片本体11的表面包括沿上述层叠方向相对设置的第一面和第二面，绝缘环12设置在所述第一面上，上述电芯中，不同电极极片本体11的第一面和第二面交替设置；其中，电极极片本体11未被绝缘环12覆盖的区域沿第一方向的尺寸为l1、沿第二方向的尺寸为l2，复合电极极片10沿第一方向的尺寸为l1’
、沿第二方向的尺寸为l2’
，固态电解质层20沿第一方向的尺寸为l3、沿第二方向的尺寸为l4；第一方向为复合电极极片10的长度或宽度方向，第二方向垂直于第一方向；
37.此时，l1≤l3≤l1’
，l2≤l4≤l2’
。
38.l1≤l3、l2≤l4使得电极极片本体11的非绝缘区域完全被固态电解质层20覆盖，避免非绝缘区域直接暴露，从而可避免不同的(特别是相邻的)电极极片本体11相互接触、发生电子短路的现象。l3≤l1’
、l4≤l2’
使得复合电极极片10的各尺寸均大于或等于固态电解质层20的尺寸，可保证不同的(特别是相邻的)固态电解质层20能充分被隔开而不相互接触、避免发生离子短路的现象。从而各复合电极极片10以及各固态电解质层20之间具有相互独立的结构，该电芯可用于提供性能稳定的双极性电池。
39.换言之，复合电极极片10和固态电解质层20的各尺寸满足上述要求时，上述电芯内部不仅可以靠复合电极极片10自身作为物理间隔，并且绝缘环12的存在还能够防止电极活性材料层(正极活性材料层和/或负极活性材料层)直接暴露，从而能够较好地避免电池发生离子、电子短路的现象。
40.本实用新型中，当绝缘环12只设置在电极极片本体11的一侧表面(同在正极活性材料层表面、或者同在负极活性材料层表面、或者是如图2、图6所示的设置在集流体的一侧
表面)时，为了充分不同的复合电极极片10，可使得各复合电极极片10中，绝缘环12均同时位于电极极片本体11的第一面。此时，带有绝缘环12的电极极片本体11的一侧表面为第一面，不带绝缘环12的一侧表面为第二面。示例性地，一个电芯中包含3组层叠设置的复合电极极片10以及设置在各复合电极极片10之间的固态电解质层20，上述3个上述电极极片本体11的第一面(带绝缘环12的一面)记为a、第二面(不带绝缘环12的一面)记为b，那么沿该电芯的厚度方向，3个电极极片本体11的排列为ab、ab、ab。
41.本实用新型中，也可是各电极极片本体11的相对两侧表面上均设有绝缘环12，此时不再对电极极片本体11的第一面和第二面作实际区分，各尺寸均满足前述关系即可。
42.本实用新型一些实施方式中，绝缘环12的宽度在大于0cm且小于或等于2cm的范围内。优选地，绝缘环12的宽度在大于0cm且小于或等于1cm的范围内。示例性地，绝缘环12的宽度可以为0.1cm、0.2cm、0.3cm、0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1.0cm、1.2cm、1.0cm、1.5cm、2.0cm等。此时，绝缘环12的宽度具体指电极极片本体11的非绝缘区域的外轮廓至绝缘环12的外轮廓的距离。绝缘环12各处的宽度可以相等也可以不相等，但绝缘环12的外轮廓需与电极极片本体11的外轮廓匹配。控制绝缘环12的宽度在上述范围内，不仅为电池制备过程中可能存在的工艺误差预留了空间，在有利于保证绝缘环12能够发挥其根本作用的同时，尽可能地提高复合电极极片10中非绝缘区域的面积占比，降低生产成本。
43.本实用新型一些实施方式中，绝缘环12环绕电极极片本体11的外围设置(参见图4-图5、图7)，电极极片本体11沿第一方向的尺寸为l
1”、沿第二方向的尺寸为l
2”，绝缘环12沿第一方向的两宽度分别为l5、l5’
，绝缘环12沿第二方向的两宽度分别为l7、l7’
，固态电解质层20沿第一方向的尺寸为l3、沿第二方向的尺寸为l4；上述第一方向为电极极片本体11的长度或宽度方向(也是固态电解质层20的长度或宽度方向)，上述第二方向垂直于上述第一方向；
44.此时，l
1”≤l3≤l
1”+l5+l5’
，l
2”≤l4≤l
2”+l7+l7’
。在这种情况下，绝缘环12的宽度具体指的是上述绝缘环12的内轮廓到绝缘环12的外轮廓的距离(如图4所示)。上述l7、l7’
、l9、l9’
的值可以相等也可以不相等。
45.类似地，l
1”≤l3≤l
1”+l5+l5’
，l
2”≤l4≤l
2”+l7+l7’
可隔开不同的固态电解质层20以及不同的复合电极极片10，此处不再赘述。
46.本实用新型一些实施方式中，绝缘环12沿第一方向的内径为l6、绝缘环12沿第二方向的内径为l8(可参见图4)，l
1”≤l6≤1.1l
1”，l
2”≤l8≤1.1l
2”；优选地，l
1”≤l6≤1.05l
1”，l
2”≤l8≤1.05l
2”。控制l
1”≤l6≤1.1l
1”，l
2”≤l8≤1.1l
2”使得绝缘环12与电极极片本体11之间形成间隙配合，可为工艺误差提供一定的调整空间并可控制复合电极极片10的尺寸在合适的范围内。而当l
1”≤l6≤1.05l
1”，l
2”≤l8≤1.05l
2”时，有利于进一步控制复合电极极片10的尺寸较小，进一步降低生产成本。
47.此外，控制l5、l5’
、l7、l7’
均在大于0cm且小于或等于2cm的范围内，优选地，使上述各值在大于0cm且小于或等于1cm的范围内，也是有利于减小因复合电极极片10尺寸过大造成不必要的浪费，以及避免绝缘环12向外延伸的面积过大不利于电芯装配的问题发生。示例性地，l5、l5’
、l7、l7’
可独立地为0.1cm、0.2cm、0.3cm、0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1.0cm、1.2cm、1.0cm、1.5cm、2.0cm等。
48.本实用新型中，电芯中还包括两个单极性极片(正极极片、负极极片)，且上述多个
叠加的复合电极极片10及固态电解质层20放置在上述两个单极性极片之间。
49.本实用新型还提供了一种双极性电池，包含上述电芯。该双极性电池可同时具有电压较高、能量密度较高、过流能力较高的优点，并且该双极性电池的性能稳定。
50.下面结合具体实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。
51.实施例1
52.一种电芯，该电芯包括正极极片、叠层且交替设置的5个固态电解质层以及4个复合电极极片、负极极片。复合电极极片包括电极极片本体、设置在电极极片本体第一面上的绝缘环。正极活性材料层本体未被绝缘环覆盖的区域沿第一方向的尺寸l1为8cm、沿第二方向的尺寸l2为6cm，复合电极极片沿第一方向的尺寸l1’
为10cm、沿第二方向的尺寸l2’
为8cm，固态电解质层沿第一方向的尺寸l3为9cm、沿第二方向的尺寸l4为7cm；绝缘环的宽度处处为1cm。第一方向为正极活性材料层本体的长度或宽度方向，第二方向垂直于所述第一方向。
53.实施例2
54.与实施例1的区别为：绝缘环设置在电极极片本体的外围。电极极片本体沿第一方向的长度l
1”为15cm、沿第二方向的宽度l
2”为10cm，绝缘环沿第一方向的两宽度l5、l5’
均为2cm、内径l6为15.2cm，绝缘环沿第二方向的两宽度l7、l7’
均为2cm、内径l8为10.1cm，所述固态电解质层沿第一方向的尺寸l3为17cm、沿第二方向的尺寸l4为12cm。其中，绝缘环与电极极片本体之间的间隙填满了绝缘胶。
55.以上所述是本实用新型的示例性实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对其做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。