一种异型高能量密度倍率锂离子电池及其制备方法与流程

本发明属于锂电池，具体涉及一种异型高能量密度倍率锂离子电池及其制备方法。

背景技术：

1、锂离子软包电池因能量密度高、柔性适配性强、成本可控等优势，已成为充电宝、笔记本电脑等便携式电子设备的主流储能单元，支撑着移动办公、户外出行等多元场景的续航需求。然而，伴随其规模化应用与高功率密度升级，安全痛点日益凸显，尤其是针刺等极端工况下的起火、爆炸风险，成为制约行业高质量发展与用户信任构建的核心瓶颈。

2、在实际使用与运输中，尖锐物体刺破电池是高频安全隐患：充电宝跌落碰撞、笔记本电脑意外挤压，或设备内部结构件变形时的瞬时戳刺，均可能引发内部短路。传统液态电解质锂离子软包电池，在被钢针贯穿后，隔膜易破裂导致正负极直接接触，伴随电解液快速分解、产热激增，进而触发热失控链式反应，表现为冒烟、起火甚至剧烈爆炸，同时伴随有毒气体与腐蚀性电解液喷射，严重威胁人身与财产安全。

3、当前行业安全标准虽已逐步完善，但仍存在执行与技术层面的双重缺口。现有新国标要求充满电状态下通过3–5mm钢针垂直穿刺，速度20mm/s，要求1–2小时内不起火、不爆炸、无电解液泄漏。然而，现有主流软包电池依赖液态电解质与常规隔膜体系，难以满足严苛场景的安全要求。

4、为解决上述问题，现有技术提出了多种改进方案，但均存在明显缺陷：

5、1、传统结构改进效果有限：部分现有技术通过在电池内部增加导热或绝缘层来缓解热失控。例如，专利cn203026604u公开了一种在电芯间设置导热片的电池模组。然而，这类方案多为被动散热，无法从根本上阻断针刺引发的内短路路径，安全提升效果有限。

6、2、主流收尾结构存在隐患：目前软包电池普遍采用头部出极耳、铝箔收尾的卷绕方式。专利cn223230370u、cn222190783u等均采用了此类结构。该收尾铝箔在针刺时极易被钢针穿透，并与正极相连，反而为短路提供了便利通道，加速了热失控的发生。

7、3、集流体改性工艺复杂：另有技术尝试对铜/铝箔集流体进行涂覆改性，如专利cn121483968a和cn121306932a所述。但此类方法面临涂层与电解液兼容性差、工艺复杂、成本高昂等问题，难以实现大规模量产。

8、4、固态化路线尚不成熟：采用固态电解质替代液态电解液是另一研究方向，如专利cn115395088a和cn115986204a所述。然而，固态电解质普遍存在室温离子电导率偏低、电极界面阻抗大、循环稳定性不佳等挑战，其量产工艺也远未成熟。

9、综上所述，现有技术或缺乏对针刺短路的根本性阻断，或面临工艺复杂、成本高昂、难以量产的困境。因此，亟需一种既能从材料和结构上协同提升本质安全性，又兼顾工艺可行性与成本效益的软包电池新方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种异型高能量密度倍率锂离子电池及其制备方法。

2、本发明的技术方案为：

3、一种异型高能量密度倍率锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜和电解液，所述正极片和负极片通过所述隔膜隔开并卷绕形成卷芯，所述正极片包含钴酸锂正极活性材料，并在其中间位置焊接有铝转镍极耳；所述负极片包含人造石墨和硅碳负极活性材料，并在其中间位置焊接有铜镀镍极耳；所述卷芯的极耳朝向按双侧放置，使得正极片极耳和负极片极耳分别从卷芯的两端引出。

4、传统软包锂离子电池采用单侧出极耳结构，即正极极耳和负极极耳均从卷芯的同一端引出。在大倍率放电时，电流需要从极片的远端经过较长的电子传输路径才能到达极耳，这一过程中极片集流体本身的电阻会产生显著的欧姆极化，同时电流密度在极片上的分布极不均匀—靠近极耳一侧的电流密度远高于远离极耳一侧，导致局部区域反应剧烈、温升集中，而远端区域活性材料利用率不足。

5、本发明通过在正极片的中间位置焊接铝转镍极耳、在负极片的中间位置焊接铜镀镍极耳，并在卷绕组装时使正极极耳和负极极耳分别从卷芯的两端引出（即双侧放置），实现了以下技术效果：1、电流路径缩短：极耳位于极片中间位置后，极片上任意一点到最近极耳的最大距离缩短为原来的约1/2，电子传输路径大幅缩短，从而降低了集流体上的欧姆压降；2、电流分布均匀化：极耳居中使得电流从极片两侧对称地向中间汇聚，电流密度分布趋于均匀，避免了单侧极耳结构中远端活性材料利用率低的问题；3、温升降低：由于内阻降低和电流分布均匀化，大倍率放电时的欧姆热显著减少，电池表面最高温度明显降低，有利于提升高倍率循环的安全性。

6、正极极耳采用铝转镍结构，是因为铝集流体在负极电位下会发生腐蚀，需通过镍段过渡后与外部负极连接；负极极耳采用铜镀镍结构，是在铜基体表面镀镍以提高焊接可靠性和耐腐蚀性。

7、进一步的，所述正极片包括以下组分：正极活性材料、碳纳米管、气相生长碳纤维和粘结剂；所述负极片包括以下组分：负极活性材料、导电剂sp、导电剂swcnt、cmc、聚丙烯酸和丁苯橡胶。

8、本发明中，正极片方面：导电剂体系选用碳纳米管（cnt）与气相生长碳纤维（vgcf）的组合。碳纳米管具有高长径比和优异的电子导电性，能在正极活性材料颗粒之间构建一维纳米级导电网络，有效降低颗粒间的接触电阻；气相生长碳纤维的直径和长度均大于碳纳米管，属于微米级导电纤维，能够在更大尺度上桥接活性材料颗粒团簇，形成跨尺度的分级导电网络。两者的协同作用使得正极片在较低导电剂总用量下即可实现良好的电子导电通路，从而为高活性材料占比（96-98%）提供保障，有利于提升正极片的体积能量密度。

9、负极片方面：导电剂选用导电剂sp与单壁碳纳米管（swcnt）的组合。导电剂sp作为点状导电剂，能够填充在活性材料颗粒之间，提供良好的点接触导电；swcnt具有极高的长径比和优异的柔韧性，能够在硅碳负极体系中构建长程、柔性的线状导电网络。sp与swcnt协同作用，形成“点-线”结合的复合导电网络，能够在硅颗粒充放电过程中发生巨大体积变化时，依然保持导电通路的连续性和稳定性。

10、cmc（羧甲基纤维素钠）和聚丙烯酸（paa）作为水性粘结体系：cmc主要起到增稠和初步粘结的作用，其分子链上的羧基能与硅碳材料表面的羟基形成氢键；聚丙烯酸含有大量羧基，能与硅碳材料表面形成更强的氢键甚至部分共价键结合，粘结强度远高于传统sbr粘结体系，有效抑制硅碳材料在循环过程中的颗粒脱落和电极结构崩塌。丁苯橡胶（sbr）作为辅助粘结剂，能够进一步提升电极的柔韧性和粘结力。

11、进一步的，所述正极片中，各组分的质量分数为：正极活性材料96.0-98.0%、碳纳米管0.5-1.0%、气相生长碳纤维0.5-1.0%、pvdf 1.0-2.0%；

12、所述负极片中，各组分的质量分数为：负极活性材料95-95.5%、sp导电剂0.5-1.0%、swcnt 0.03-0.1%、cmc 0.3-0.6%、聚丙烯酸2.0-2.5%、丁苯橡胶 1.0-1.5%。

13、本发明的正极片，将活性材料占比控制在96%以上，确保正极片的高容量密度；碳纳米管和气相生长碳纤维各自用量控制在0.5-1.0%，在总导电剂用量不超过2%的前提下实现分级导电网络的构建，避免因导电剂用量过高而挤占活性材料空间、降低能量密度。

14、本发明的负极片，采用sp和swcnt复合导电剂，sp用量为0.5-1.0%，swcnt用量为0.03-0.1%，两者协同构建高效的“点-线”导电网络；cmc用量为0.02-0.5%，作为分散剂和辅助粘结剂；聚丙烯酸用量为2.0-2.5%，作为主要粘结组分提供强粘结力；丁苯橡胶用量为1.0-1.5%，作为辅助粘结剂提升电极柔韧性。该粘结剂体系在确保硅碳颗粒与集流体之间粘结可靠性的同时，有效抑制电极结构在循环过程中的崩塌。

15、进一步的，所述电解液包含锂盐、溶剂和添加剂；所述锂盐包含六氟磷酸锂（lipf6）和双氟磺酰亚胺锂（lifsi）；所述溶剂包含碳酸乙烯酯（ec）、碳酸二甲酯（dmc）和丙酸乙酯（ep）；所述添加剂包含氟代碳酸乙烯酯（fec）、碳酸亚乙烯酯（vc）、丙二腈（mdn）、硫酸乙烯酯（dtd）、双草酸硼酸锂（libob）和二氟磷酸锂（lipo2f2）。

16、进一步的，所述电解液中，锂盐浓度为1.1-1.3mol/l，所述电解液包括以下质量分数组分：lifsi 10-20%、ec 20-30%、dmc 30-40%、ep 20-30%、fec 7-10%、vc 1-1.5%、mdn0.5-1%、dtd 0.5-1%、libob 0.5-1.0%、lipo2f2 0.5-1.0%。

17、本发明的电解液，包括以下体系：

18、锂盐体系：采用lipf6与lifsi的复合锂盐方案。lipf6是锂离子电池最常用的锂盐，具有良好的综合电化学性能；lifsi具有更高的离子电导率和更优的热稳定性，且在高电压下对铝箔集流体的腐蚀性较低。两者的协同使用能够在保证电解液整体离子电导率的同时，提升高温和高电压工况下的稳定性。

19、溶剂体系：采用ec、dmc和ep三种溶剂的组合。ec（碳酸乙烯酯）具有高介电常数，能有效溶解锂盐并形成稳定的sei膜，但常温下为固态、黏度较高；dmc（碳酸二甲酯）黏度低、沸点适中，用于调节电解液的黏度和润湿性；ep（丙酸乙酯）为线性羧酸酯类溶剂，具有较低的黏度和较好的氧化稳定性，有利于在高电压下维持电解液的稳定性。三者的组合兼顾了锂盐溶解能力、离子传输速率和高压稳定性。

20、添加剂体系：采用多种添加剂的复配方案，各添加剂分工明确：fec（氟代碳酸乙烯酯）：优先在硅碳负极表面分解形成富含lif的sei膜，该sei膜致密且柔韧性好，能有效抑制硅的体积膨胀导致的sei膜反复破裂和再生，减少不可逆锂损失；vc（碳酸亚乙烯酯）：在负极表面形成薄而致密的sei膜，与fec协同提升sei膜的稳定性；mdn（丙二腈）：作为一种正极成膜添加剂，能在正极表面形成稳定的阴极电解质界面（cei）膜，抑制高电压下电解液在正极表面的氧化分解；dtd（硫酸乙烯酯）：参与形成含硫酸盐组分的sei/cei膜，提升界面的热稳定性和离子导电性；libob（双草酸硼酸锂）：作为锂盐补充和成膜添加剂，能在正极表面形成含硼酸盐的保护层，抑制过渡金属离子溶出和电解液氧化；lipo2f2二氟磷酸锂）：能在正极表面形成含磷酸锂的cei膜，有效抑制高电压下钴酸锂正极的结构退化和电解液的持续氧化分解。

21、进一步的，所述隔膜包括基材、涂覆于基材至少一面的al2o3层以及涂覆于al2o3层上的油性pvdf层。

22、进一步的，所述隔膜中，基材厚度为7-9μm，al2o3层厚度为1-2μm，油性pvdf层厚度为1-2μm。

23、本发明隔膜采用三层复合结构，具有以下作用：

24、基材：作为隔膜的基本骨架，提供机械支撑和离子传输通道。

25、al2o3层（氧化铝涂层）：涂覆于基材至少一面。al2o3是无机陶瓷材料，具有优异的耐高温性能和电解液润湿性。其作用包括：（1）提高隔膜的热稳定性，在高温下防止隔膜大面积收缩导致正负极直接接触引发内短路；（2）al2o3表面的羟基能吸附电解液，提升隔膜的保液能力和离子电导率；（3）在4.4v高电压工况下，al2o3层能一定程度上抑制正极表面过渡金属离子的溶出和迁移。

26、油性pvdf层（聚偏氟乙烯涂层）：涂覆于al2o3层之上。pvdf是一种半结晶性含氟聚合物，具有优异的化学稳定性和粘结性。其作用包括：（1）pvdf层具有一定的粘结性，能在热压过程中将隔膜与正负极片粘合在一起，提升极片与隔膜之间的贴合度，防止循环过程中极片与隔膜分离导致的局部电流集中；（2）pvdf层的存在能增加电芯的整体硬度和厚度一致性，改善软包电池在循环过程中的厚度膨胀问题；（3）油性pvdf相比水性pvdf具有更好的成膜均匀性和更致密的涂层结构，有利于提升隔膜的耐穿刺性能。

27、进一步的，所述正极片极耳和负极片极耳的宽度均为3-5mm，在确保极耳具有足够的电流承载能力和焊接可靠性的同时，最大限度地减少了对极片有效面积的占用，有利于维持电池的高能量密度。

28、本发明还提供一种上述的异型高能量密度倍率锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

29、s1.制备正极片：将正极活性材料、碳纳米管、气相生长碳纤维、粘结剂通过高速分散设备制备成浆料，经涂布、对辊、分切后，在正极片的中间位置焊接铝转镍极耳，制成正极片；

30、s2.制备负极片：将负极活性材料进行预分散表面改性加工，再与导电剂sp、导电剂swcnt、cmc、聚丙烯酸、丁苯橡胶通过高速分散设备制备成浆料，经涂布、对辊、分切后，在负极片的中间位置焊接铜镀镍极耳，制成负极片；

31、s3.制备卷芯：正负极极片制片时，均在极片的中间位置焊接极耳，制片完毕后，将上述正负极片与相应尺寸的隔膜用卷绕机进行卷绕，极片极耳朝向按双侧放置，如正极片极耳朝内，负极片极耳朝外得到卷芯；

32、s4.封装与注液：将卷芯进行封装、烘烤、注入电解液、老化、化成、二封、分容，制成锂离子电池。

33、本发明的制备方法，正极片制备：将正极活性材料（钴酸锂）、碳纳米管、气相生长碳纤维和粘结剂通过高速分散设备制备成均匀浆料。高速分散的目的是将纳米级碳纳米管和微米级气相生长碳纤维在浆料中均匀分散，避免团聚，确保分级导电网络的均匀构建。浆料经涂布、对辊、分切后，在正极片的中间位置焊接铝转镍极耳。极耳焊接于中间位置是实现双侧出极耳结构的前提条件。

34、负极片制备：首先对负极活性材料进行预分散表面改性加工，该步骤的目的是对硅碳材料进行预处理，改善其在浆料中的分散性，同时在材料表面形成初步的保护层，减少后续制浆和首次充放电过程中的不可逆副反应。预处理后的负极活性材料与导电剂sp、导电剂swcnt、cmc、聚丙烯酸和丁苯橡胶通过高速分散设备制备成浆料，经涂布、对辊、分切后，在负极片的中间位置焊接铜镀镍极耳。

35、卷芯制备：将正极片、负极片与隔膜通过卷绕机进行卷绕。正负极极片制片时，均在极片的中间位置焊接极耳，制片完毕后，将上述正负极片与相应尺寸的隔膜用卷绕机进行卷绕，极片极耳朝向按双侧放置，如正极片极耳朝内，负极片极耳朝外得到卷芯。其核心在于卷绕起始位置和极耳预留位置的精确控制。

36、封装与注液：将卷芯装入铝塑膜进行封装，经烘烤去除水分后注入电解液，随后进行老化（使电解液充分浸润极片和隔膜）、化成（首次充放电形成sei/cei膜）、二封（抽气封口）和分容（容量分选），最终制成成品锂离子电池。

37、进一步的，步骤s1中，所述正极活性材料包含钴酸锂的一种或多种；步骤s2中，所述负极活性材料包含人造石墨、硅碳中的一种或多种。

38、本发明从结构设计、正极体系、负极体系、电解液体系、隔膜体系五个维度进行系统性协同设计：

39、双侧极耳结构：正极片中间焊接铝转镍极耳+负极片中间焊接铜镀镍极耳+卷芯双侧放置，将电流路径缩短为传统方案的约1/2，从根本上降低直流内阻，控制大倍率放电时的欧姆极化和局部温升。该结构的有效发挥依赖于电极片本身的高电子导电性，即正负极的分级导电网络设计。

40、正负极材料体系：正极采用钴酸锂搭配碳纳米管（纳米尺度）与气相生长碳纤维（微米尺度）的双尺度分级导电网络，确保在高活性材料占比（96-98%）下仍具备优异导电性。负极采用硅碳搭配sp导电剂与swcnt构建的“点-线”复合导电网络，sp作为点状导电剂填充活性材料间隙，swcnt作为线状导电剂构建长程柔性网络，两者协同在硅颗粒反复体积变化中保持导电通路连续；同时配合聚丙烯酸与丁苯橡胶的复合粘结体系，在提供高强度粘结力的同时提升电极柔韧性，有效抑制结构退化。

41、电解液体系：双锂盐（lipf6+lifsi）、三元溶剂（ec+dmc+ep）与六种添加剂协同复配：负极侧，fec和vc形成富含lif的致密sei膜，抑制硅体积膨胀导致的膜破裂再生；正极侧，mdn、dtd、libob和lipo2f2在钴酸锂表面形成稳定cei膜，抑制高压氧化分解和过渡金属溶出。该体系与三层复合隔膜功能耦合—al2o3层的高润湿性促进电解液浸润保持，油性pvdf层确保极片与隔膜的紧密贴合。

42、隔膜体系：al2o3陶瓷层提供高温热稳定性，防止热收缩引发内短路；油性pvdf层提供粘结力和电芯硬度，抑制长循环厚度膨胀。与双侧极耳结构配合—极耳降内阻减温升，隔膜陶瓷层在极端工况下提供额外安全冗余。

43、制备方法：负极活性材料预分散表面改性加工（步骤s2）改善硅碳分散性和界面稳定性；极耳双侧放置卷绕工艺（步骤s3）是实现极耳结构的核心制造环节。

44、本发明的核心创新点在于“双侧出极耳结构”与“高电压钴酸锂正极+硅碳负极材料体系”的协同设计。双侧极耳结构可以降低内阻、改善电流分布，但如果搭配传统石墨负极和常规电解液，能量密度提升有限；高电压钴酸锂+硅碳负极可以提升能量密度，但如果搭配传统单侧极耳结构，大倍率放电时内阻过高、温升过大，无法充分发挥材料体系的容量潜力。

45、更重要的是，双侧极耳结构解决了大倍率放电时的内阻瓶颈，使得高电压钴酸锂正极的容量和高比容量硅碳负极的潜力能够在8c甚至更高倍率下充分释放；而优化的正负极导电网络（特别是负极的sp与swcnt复合导电网络）和专用电解液体系，则确保了双侧极耳结构的降阻效果能够传导至电池整体性能的提升，而非被电极片内部的导电瓶颈所抵消。

46、本发明的有益效果如下：

47、1、倍率性能：电流路径缩短约1/2，支持2c充/8c放，8c放电最高温度较同侧极耳降低约10℃以上；

48、2、能量密度：高电压钴酸锂（4.4v）+硅碳负极，较传统石墨体系提升约5%；

49、3、循环寿命：正负极分别形成稳定cei/sei膜，实现2c充/8c放300周以上，厚度膨胀率≤8%；

50、4、安全性能：al2o3陶瓷隔膜+双侧极耳降温升，多重安全机制协同；

51、5、电流均匀性：极耳居中+双侧引出，电流密度对称分布，消除远端活性材料利用率低的问题。