一种适配单面干法正极的钠离子电池定向叠片电芯及制备方法与流程

本发明属于钠离子电池制造，具体涉及一种适配单面干法正极的钠离子电池定向叠片电芯及制备方法，适用于干法电极工艺制备钠离子电池电芯的规模化装配与性能优化。

背景技术：

1、钠离子电池凭借资源丰富、成本低廉、安全性高等优势，成为大规模储能、低速动力电池领域的核心备选技术。钠离子电池正极材料如聚阴离子型磷酸焦磷酸铁钠（nfpp）、普鲁士蓝类似物（pb）、层状氧化物等对水分高度敏感，遇水极易发生副反应，直接引发电池容量衰减、内阻升高、循环寿命缩短等问题。

2、现阶段，钠电正极材料的传统湿法电极工艺需使用大量有机溶剂，且涂布后需高温烘烤干燥，极易导致正极材料吸水开裂、界面劣化。干法电极工艺无需有机溶剂、无高温烘烤工序，可有效规避钠电正极材料吸水失效问题，是钠电正极制备的理想技术路径，目前已在电池领域得到广泛研究与应用。然而，现阶段干法电极工艺仍存在技术瓶颈，受限于成膜设备精度与工艺成熟度，钠电正极仅能实现铝箔单面稳定干法涂布，双面涂布易出现两侧孔隙率、压实密度、含水率不均的问题，严重影响电池一致性与循环稳定性，因此行业内主流量产及研发正极均为单面干法涂布结构。

3、已有单面极片叠片技术中，还存在明显适配性缺陷。申请号为2010202464614的专利申请公开了一种功率型锂离子电池电芯，其正负极极片均为单面涂覆，涂覆层相对、中间夹隔膜后s形折叠。该现有方案的技术目的在于解决双面涂覆厚度误差大导致电池一致性差的问题，其要求正极和负极均为单面涂覆且涂层面相对，属于对称排布结构，仅适用于锂离子电池对称极片场景，无法适配现有钠电正极单面涂布、负极双面涂布的非对称工艺约束。若进一步将常规单面干法正极直接应用于传统交错叠片工艺，正极裸铝箔面会直接与负极活性层、电解液接触。钠电正极表面残留的naoh、na2co3等碱性物质会在电解液体系中腐蚀铝箔，生成alf3、al2o3等高电阻产物，造成电池直流内阻（dcr）持续升高、容量快速衰减。同时，裸铝箔与负极之间的电位差易引发析钠现象和电芯微短路，导致电池安全性下降。

4、综上可知，现有叠片工艺均基于正负极极片对称排布的设计逻辑，无法适配干法单面正极的特殊工艺约束。行业内尚缺乏无需新增设备、可兼容现有工装、能有效解决单面干法正极铝腐蚀与微短路问题的电芯结构及制备工艺，严重制约了干法钠电正极的性能验证与规模化应用。此外，常规干法正极膜片为单一均匀孔隙结构，存在靠近集流体侧离子传输阻力大、表层活性材料导电性能不足的问题，电子导电性与离子传输能力无法协同优化，难以兼顾电池能量密度与循环性能。

5、因此，亟需一种能在不增加设备改造成本的前提下，利用现有叠片工装实现单面干法钠电正极全电池装配的技术方案。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种适配单面干法正极的钠离子电池定向叠片电芯及制备方法。本发明通过多层梯度干法正极活性层的设计，能够优化单面干法正极的界面结构，协同改善电池的循环稳定性，并且无需新增设备、可直接利用现有叠片工装的定向排布叠片电芯结构，解决现有单面干法正极叠片过程中裸铝箔腐蚀、电芯微短路、容量衰减的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明的第一方面，提供一种适配单面干法正极的钠离子电池定向叠片电芯，包括若干交替叠放的正极片和负极片，以及设置于相邻正极片和负极片之间的隔膜；

3、所述正极片为单面干法正极片；所述负极片为双面干法负极片；所述单面干法正极片包括铝箔集流体；所述铝箔集流体的单侧表面设有多层梯度干法正极活性层，另一侧为裸露铝箔面；所述多层梯度干法正极活性层沿远离铝箔集流体方向依次叠设第一正极膜片层、第二正极膜片层、第三正极膜片层，形成孔隙率逐层递增、活性材料含量逐层递减的梯度结构；

4、所述第一正极膜片层的孔隙率为15%~25%、正极活性材料含量为95%~97%；所述第二正极膜片层的孔隙率为25%~35%、正极活性材料含量为91%~93%；所述第三正极膜片层的孔隙率为35%~50%、正极活性材料含量为87%~89%；

5、所述正极片在电芯内部呈统一朝向定向排布，即多层梯度干法正极活性层朝向负极片方向，裸露铝箔面朝外。

6、优选的，所述多层梯度干法正极活性层的总厚度为60~140μm；所述第一正极膜片层的厚度为20~50μm；所述第二正极膜片层的厚度为30~60μm；所述第三正极膜片层的厚度为10~30μm。

7、优选的，所述多层梯度干法正极活性层中的正极活性材料为磷酸焦磷酸铁钠、普鲁士蓝类似物、层状氧化物中的至少一种，更优选为磷酸焦磷酸铁钠。

8、优选的，所述双面干法负极片包括铝箔集流体以及在所述铝箔集流体的两侧表面设置的负极活性层；所述负极活性层中的负极活性材料为硬碳；所述双面干法负极片仅朝向多层梯度干法正极活性层一侧的负极活性层参与电化学反应，另一侧负极活性层为容量冗余补钠储备层。

9、优选的，所述钠离子电池定向叠片电芯的定向排布循环单元为：裸露铝箔面-多层梯度干法正极活性层||隔膜||负极活性层-铝箔-负极活性层||隔膜||多层梯度干法正极活性层-裸露铝箔面；所述正极片的数量比负极片的数量多1。本发明在相邻正负极之间，仅正极的涂层面与负极的涂层面通过隔膜相对并进行电化学配对，正极的裸露铝箔面仅与隔膜接触，不与任何负极活性层形成对置。

10、优选的，所述钠离子电池定向叠片电芯在叠片时，通过限位工装精准定位，杜绝极片偏移导致的裸铝面与负极接触问题，有利于大幅降低微短路与自放电风险。

11、优选的，所述单面干法正极片经过预钠化处理。

12、本发明的第二方面，提供一种适配单面干法正极的钠离子电池定向叠片电芯的制备方法，用于制备上述钠离子电池定向叠片电芯，包括如下步骤：

13、s1、将正极活性材料、导电剂、聚四氟乙烯按质量比86~97∶1.5~10∶1.5~10进行干法搅拌混合，然后高速剪切处理，得到不同配比的正极纤维化粉料；分次取不同配比的纤维化粉料进行分层辊压，依次制备第一正极膜片层、第二正极膜片层、第三正极膜片层，形成梯度干法正极膜片；将梯度干法正极膜片置于铝箔集流体的单侧表面后进行热辊压复合，得到单面干法正极片；

14、s2、将负极活性材料、导电剂、聚四氟乙烯按照质量比进行干法搅拌混合，然后高速剪切处理，得到负极纤维化粉料；将负极纤维化粉料进行辊压，得到负极膜片层；取负极膜片层分别贴合于铝箔集流体的两侧表面，进行热辊压复合，得到双面干法负极片；

15、s3、将所述单面干法正极片浸渍于钠盐有机溶液中进行预钠化处理，取出干燥，得到预钠化单面干法正极片；

16、s4、按照电芯内部统一朝向定向排布规则，逐层堆叠预钠化单面干法正极片、隔膜、双面干法负极片，热压定型后，即得所述适配单面干法正极的钠离子电池定向叠片电芯。

17、优选的，所述高速剪切处理的转速为2000~8000rpm，时间为5~30min；所述热辊压复合的温度为120~180℃，压力为2~10mpa。

18、优选的，所述预钠化处理的温度为50~100℃，时间为2~12h；所述钠盐为六氟磷酸钠、高氯酸钠、双氟磺酰亚胺钠中的一种或多种；所述钠盐的浓度为0.5~2.0mol/l；所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯中的至少一种。

19、本发明的第三方面，提供一种钠离子全电池，包含上述适配单面干法正极的钠离子电池定向叠片电芯。

20、本发明的技术方案，具有如下有益效果：

21、本发明提供的钠离子电池定向叠片电芯，直接适配现阶段量产成熟的单面干法正极工艺，且叠片排布规则完全兼容现有叠片工装、焊接、封装设备，无需设备改造，可快速实现批量样品制备与性能验证，降低研发与量产成本。

22、进一步地，本发明的单面干法正极片设有多层梯度干法正极活性层，靠近集流体的底层膜片高活性、低孔隙率，保障电极导电性与结构稳定性；远离集流体的表层膜片低活性、高孔隙率，优化电解液浸润性与钠离子传输速率。通过梯度孔隙结构实现电子导电与离子迁移的协同优化，兼顾电池循环稳定性和库仑效率。

23、进一步地，本发明采用正极统一朝向的定向排布设计，使裸铝箔面仅与隔膜物理接触，彻底切断铝箔与负极活性层、电解液的腐蚀反应通路，避免高电阻产物生成，有效抑制电芯内阻增长与容量衰减，同时有效降低微短路风险。

24、进一步地，本发明通过正极预钠化处理，提前嵌入钠离子，弥补干法电极界面钠离子不足的缺陷，降低电池首圈阻抗，提升首次库仑效率。

25、同时，区别于现有对称单面极片叠片方案，本发明适配正极单面干法涂布、负极双面涂布的非对称工艺场景，贴合当前钠电干法电极的实际生产能力，解决行业长期存在的技术适配问题。同时，双面负极的冗余涂层可补偿电池首圈不可逆容量损失，同时在长期循环过程中作为补钠储备位点，有效缓解钠离子流失，提升电池循环寿命；钠电体系正负极均采用铝箔集流体，简化物料管理，降低电芯回收难度。

26、试验证实，本发明的钠离子电池定向叠片电芯及其所制备的钠离子全电池，在铝腐蚀程度、循环容量保持率、直流内阻增长率、短路率等方面相较于现有方案均有显著改善。同时，本发明利用现有叠片工装即可实现单面干法钠电正极的全电池装配，适用于钠离子电池的研发验证及规模化生产，具有良好的工业实用性和推广应用前景。