CN101587045B - 一种评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法，所述极片包括集流体和附着在该集流体上的电极材料，其中，该方法包括将极片卷绕成电极卷，沿着该电极卷的径向方向进行挤压，然后将该电极卷展开，根据极片弯折处的集流体开裂和/或电极材料脱落的情况评价极片的脆性损伤程度。本发明提供的评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法简单易行，准确可靠，根据极片的脆性损伤的程度可以指导并优化电极材料的合成配方以及极片卷绕的工艺参数等。
Description
技术领域
本发明涉及一种评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法。
背景技术
锂离子电池具有体积小、工作电压高、比能量高、循环寿命长、无记忆效应以及无污染等优点，已经越来越广泛地应用于各种便携电子产品。
由正极和负极活性材料所组成的正负极片是锂离子电池电芯的核心组成部分，其性能的优劣直接影响到二次电池的容量、循环性能以及安全性能。
在电池制作过程中，特别是卷绕和挤压的过程中，极片的弯折处会出现不可恢复的折痕，掉料，甚至断裂等现象，这种现象叫做极片的脆性损伤。目前通用的锂离子电池制造工艺都是将正负极片以及隔膜绕着一定形状的卷针卷绕起来装入扁平的外壳中。在这个过程中极片必须要进行弯折，因此，在弯折处不可避免地会发生脆性损伤。特别是随着高容量电池的不断开发，电池的体积能量密度逐渐提高，其实相当于电池极片的单位面积敷料量和压实密度都在不断提高。在这种高密度条件下，极片的脆性损伤更容易发生并且更加严重。极片的脆性损伤将会对电池性能，特别是循环性能造成不可忽略的影响。
虽然极片脆性损伤的发生不可避免，但并不是所有的损伤都会对电池造成十分严重的影响，根据极片脆性损伤的程度不同，对电池性能造成的影响也不同。在电池生产以及研发过程中，必须尽量使极片的脆性损伤最低，对电池性能的影响最小。但如何衡量以及区分极片的脆性损伤程度，目前还没有一种准确有效的方法，这给锂离子电池的生产和研发带来了很大的不便。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中缺少准确有效地评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法的问题，提供一种能够准确有效地评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法。
本发明提供了一种评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法，所述极片包括集流体和附着在该集流体上的电极材料，其中，该方法包括将极片卷绕成电极卷，沿着该电极卷的径向方向进行挤压，然后将该电极卷展开，根据极片弯折处的集流体开裂和/或电极材料脱落的情况评价极片的脆性损伤程度。
本发明提供的评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法简单易行，准确可靠，根据极片的脆性损伤的程度可以指导并优化电极材料的合成配方以及极片卷绕的工艺参数等。
附图说明
图1用于说明本发明的评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法中四级损伤的胶纸上粘附的损伤处脱落的电极材料的情况；
图2用于说明本发明的评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法中五级损伤的胶纸上粘附的损伤处脱落的电极材料的情况；
图3用于说明本发明的评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法中六级损伤的胶纸上粘附的损伤处脱落的电极材料的情况；
图4用于说明本发明的评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法中零级损伤的胶纸上粘附的损伤处脱落的电极材料的情况；
图5为本发明实施例1中胶纸上粘附的正极材料的情况；
图6为本发明实施例2中胶纸上粘附的正极材料的情况；
图7为本发明实施例3中胶纸上粘附的正极材料的情况；
图8为本发明实施例4中胶纸上粘附的正极材料的情况。
具体实施方式
本发明提供的评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法所述极片包括集流体和附着在该集流体上的电极材料，其中，该方法包括将极片卷绕成电极卷，沿着该电极卷的径向方向进行挤压，然后将该电极卷展开，根据极片弯折处的集流体开裂和/或电极材料脱落的情况评价极片的脆性损伤程度。
根据集流体开裂和/或电极材料脱落的情况评价极片的脆性损伤程度的方法包括：若出现集流体开裂和/或电极材料脱落使集流体暴露，则评价为严重损伤，使用该极片所制作的电池风险高；若没有出现上述现象则评价为轻微损伤，使用该极片所制作的电池风险相对较低。
其中，根据损伤程度，可以将严重损伤分为若干等级，例如，可以分为3个等级：集流体断裂为一级损伤；集流体出现裂痕为二级损伤；电极材料脱落使集流体暴露为三级损伤。
为了对多个极片的脆性损伤程度进行比较，本发明的评价方法还可以将轻微损伤分为多个等级。将轻微损伤分为若干等级的方法为：在极片弯折处的内侧贴胶纸，再将极片与胶纸分离，由于弯折过程中弯折处的电极材料会发生脱落，所以只能将完好部分的电极材料粘附在胶纸上，而在损伤处出现断裂带。根据胶纸上粘附的弯折损伤处周围的电极材料的情况，将极片轻微损伤的程度划分等级。例如，可以将极片轻微损伤的程度分为4个等级：胶纸上粘附的电极材料出现平均宽度大于2毫米的断裂带，且带长与极片宽度之比为0.9-1∶1，为四级损伤，为四级损伤，如图1所示；胶纸上粘附的电极材料出现平均宽度不大于2毫米的断裂带，且带长与极片宽度之比为0.7-1∶1，为五级损伤，如图2所示；胶纸上粘附的电极材料出现不连续的断裂带，且带长总和与极片宽度之比为0.3-0.7∶1，为六级损伤，如图3所示；胶纸上粘附的电极材料出现不连续的断裂带，且带长与极片宽度之比小于0.3，或者胶纸上粘附的电极材料没有出现断裂带，为零级损伤，如图4所示。所述断裂带是指胶纸上没有粘附电极材料的区域，如图1-4中的空白区域。
在比较多个极片的脆性损伤时，损伤等级越高，则说明脆性损伤越严重，例如，一级损伤比二级损伤严重。在比较损伤程度为相同等级的极片时，可以通过比较胶纸上粘附的电极材料的形貌来比较脆性的损伤程度，胶纸上所呈现出的断裂带越细，电极材料层相通处越多，表明该极片的脆性损伤越小。
根据不同电池生产者对极片脆性损伤程度的要求不同，可以将不同损伤等级的极片定为合格或者不合格。优选情况下，一级损伤、二级损伤、三级损伤和四级损伤的极片为不合格，五级损伤、六级损伤和零级损伤的极片为合格。
其中，所述将极片卷绕成卷的方法优选为将正极片、隔膜和负极片叠放，然后使用卷绕机将其卷绕成电芯。更优选情况下，所述将极片卷绕成卷的方法为用卷绕机将极片卷绕成与制作电池过程中的电芯具有相同直径的卷。
根据本发明提供的方法，所述将电极卷挤压的条件包括压力为0.1-0.8兆帕，时间为1-10秒。但是，对于一组平行测试，即对多个极片的脆性损伤进行比较时，要用相同的过程和时间进行挤压。
本方法中压力大小和挤压时间可以根据极片的不同而有所区别。例如，在评价正极片时，由于正极片比负极片更容易断裂，可以选择较小的压力，以免发生全部断裂而无法区分的情况。但挤压的压力不能太低，因为电芯装入外壳后不可避免要承受一定的外压力。
所述贴胶纸过程用的压力为10-100千帕，时间为1-30秒。对于一组平行测试，贴胶纸的压力和时间要固定，而且要用同种胶纸。为了便于观察胶纸上粘附的损伤处脱落的电极材料的情况，所述胶纸优选为透明胶纸，且该透明胶纸的长度不小于极片的宽度，宽度不小于1厘米。
所述极片弯折处可以为在挤压电极卷时形成的弯折处中的一个或多个，优选为最靠近电极卷轴心的弯折处。对于一组平行测试，贴胶纸的弯折处的位置需要固定，例如，可以全部为最靠近电极卷轴心的弯折处，也可以全部为最靠近外侧的弯折处，优选为最靠近电极卷轴心的弯折处，因为此处的极片脆性损伤最严重，可以更准确地比较多个极片的脆性损伤程度。
所述将电极卷展开过程中展开后的弯折处的内夹角可以为90-180度，但是，对于一组平行测试，展开的角度要恒定。为了方便控制操作，优选情况下，展开的角度为180度。
下面，将通过实施例对本发明进行更详细的描述。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的评价极片脆性损伤的方法。
正极片的制备
将1.5重量份聚偏二氟乙烯溶解于36重量份的N-甲基吡咯烷酮中制得溶液，将3.0重量份的乙炔黑和100重量份的LiCoO2加入到该溶液中，充分混匀制成浆料，将该浆料均匀地涂布在16微米的铝箔的两面，于90℃下烘干，用压片机压延制成厚度为100微米正极片，最后辊切为实验正极片(475毫米×42毫米。
负极片的制备
按人造石墨∶丁苯橡胶∶羧甲基纤维素钠∶去离子水＝100∶2.5∶1.5∶110的重量比例混合，制得负极浆料，将该负极浆料均匀涂布在10微米的铜箔的两面，于90℃烘干并压延得到厚度为110微米的负极片，最后辊切为实验负极片(480毫米×43毫米)。
将制得的正极和负极片与隔膜纸在卷绕机上卷绕制得电芯。
沿着该电芯的径向方向以0.6兆帕的压力将其挤压5秒，然后将该电芯展开180度，观察到正、负极片均没有出现集流体开裂和电极材料脱落使集流体暴露的情况。在正极片的最靠近电芯轴的弯折处贴透明胶纸(上海万易特科技有限公司)，胶纸的宽度为3厘米，长度为5厘米，贴胶纸的压力为30千帕，时间为10秒，然后将该极片与胶纸撕离。胶纸上粘附的正极材料的形貌如图5所示。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的评价极片脆性损伤的方法。
按照与实施例1同样的方法制备电芯，不同的是，压延后的正极片的厚度为130微米。
按照与实施例1同样的方法和条件将电芯挤压并展开，观察到正、负极片均没有出现集流体开裂和电极材料脱落使集流体暴露的情况。在正极片的最靠近电芯轴的弯折处贴透明胶纸(上海万易特科技有限公司)，胶纸的宽度为3厘米，长度为5厘米，贴胶纸的压力为30千帕，时间为10秒，然后将该极片与胶纸撕离。胶纸上粘附的正极材料的情况如图6所示。
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的评价极片脆性损伤的方法。
按照与实施例1同样的方法制备电芯，不同的是，用LiFePO4代替LiCoO2。
按照与实施例1同样的方法和条件将电芯挤压并展开，观察到正、负极片均没有出现集流体开裂和电极材料脱落使集流体暴露的情况。在正极片的最靠近电芯轴的弯折处贴透明胶纸(上海万易特科技有限公司)，胶纸的宽度为3厘米，长度为5厘米，贴胶纸的压力为30千帕，时间为10秒，然后将该极片与胶纸撕离。胶纸上粘附的正极材料的情况如图7所示。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的评价极片脆性损伤的方法。
按照与实施例1同样的方法制备电芯，不同的是，正极集流体的铝箔厚度为20微米。
按照与实施例1同样的方法和条件将电芯挤压并展开，观察到正、负极片均没有出现集流体开裂和电极材料脱落使集流体暴露的情况。在正极片的最靠近电芯轴的弯折处贴透明胶纸(上海万易特科技有限公司)，胶纸的宽度为3厘米，长度为5厘米，贴胶纸的压力为30千帕，时间为10秒，然后将该极片与胶纸撕离。胶纸上粘附的正极材料的情况如图8所示。
实施例5-7
实施例5-7用于说明由实施例1-4制备的电芯制成的电池的循环性能。
非水电解液的制备
将碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯以3∶7体积比混合作为溶剂，相对于该溶剂以1摩尔/升将LiPF6溶解，制成电解液。相对于100重量份的该电解液，加入5重量份的碳酸亚乙烯酯混合均匀，作为电池用的电解液。
分别将按照实施例1-4所述的方法制备的电芯装入铝制外壳，然后分别将上述非水电解液以3.8g/Ah的量注入电池壳中，密封，制成标称容量为720mAh的锂离子电池，分别记作A1-A4。
对电池A1-A4进行充放电循环测试。
以1C电流充电至4.2V，在电压升至4.2V后以恒定电压充电，截止电流为0.05C，再以1C恒流放电至电压为2.75V，每进行这样一次充电和放电即为一次循环。电池进行500次循环后，得到的第500次循环时的放电容量与首次循环放电容量的比率就是电池的循环容量保持率。测试结果列于表1。
表1
| 编号 | 胶纸上粘附的正极材料的情况 | 损伤等级 | 极片是否合格 | 电池 | 500次循环容量保持率 |
| 实施例1 | 如图5所示 | 六级损伤 | 是 | A1 | 90.1％ |
| 实施例2 | 如图6所示 | 五级损伤 | 是 | A2 | 88.7％ |
| 实施例3 | 如图7所示 | 五级损伤 | 是 | A3 | 87.3％ |
| 实施例4 | 如图8所示 | 零级损伤 | 是 | A4 | 94.2％ |
从表1所示的结果可以看出，本发明提供的评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法的评价结果与由该极片制成的电池的循环性能测定结果相对应，说明采用本发明提供的方法可准确有效地评价不同电极活性物质、不同集流体及不同敷料厚度制备的极片的脆性损伤程度，对改良工艺和科研开发具有指导意义，例如，当极片的脆性损伤评价结果为一级损伤、二级损伤、三级损伤或四级损伤时，则可以对极片的电极活性物质、集流体或敷料厚度进行改进，直到制得的极片符合要求。
Claims (11)
1.一种评价锂离子电池极片的脆性损伤的方法，所述极片包括集流体和附着在该集流体上的电极材料，其特征在于，该方法包括将极片卷绕成电极卷，沿着该电极卷的径向方向挤压该电极卷，然后将该电极卷展开，根据极片弯折处的集流体开裂和/或电极材料脱落的情况评价极片的脆性损伤程度，所述挤压的条件包括压力为0.1-0.8兆帕，时间为1-10秒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将极片卷绕成电极卷的方法包括将正极片、隔膜和负极片叠放，然后卷绕成电芯。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将极片卷绕成电极卷的方法包括将极片卷绕成与制作电池过程中的电芯具有相同直径的卷。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据集流体开裂和/或电极材料脱落的情况评价极片的脆性损伤程度的方法包括：若出现集流体开裂和/或电极材料脱落使集流体暴露，则评价为严重损伤；若没有出现上述现象则评价为轻微损伤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述严重损伤分为3个等级：集流体断裂为一级损伤；集流体出现裂痕为二级损伤；电极材料脱落使集流体暴露为三级损伤。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，该方法还包括将轻微损伤分为多个等级，将轻微损伤分为多个等级的方法为：在挤压后的极片弯折处的内侧贴胶纸，将极片与胶纸分离，根据胶纸上粘附的电极材料的情况，将极片轻微损伤的程度划分等级。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，极片轻微损伤的程度分为4个等级：胶纸上粘附的电极材料出现平均宽度大于2毫米的断裂带，且带长与极片宽度之比为0.9-1∶1，为四级损伤；胶纸上粘附的电极材料出现平均宽度不大于2毫米的断裂带，且带长与极片宽度之比为0.7-1∶1，为五级损伤；胶纸上粘附的电极材料出现不连续的断裂带，且带长总和与极片宽度之比为0.3-0.7∶1，为六级损伤；胶纸上粘附的电极材料出现不连续的断裂带，且带长与极片宽度之比小于0.3，或者胶纸上粘附的电极材料没有出现断裂带，为零级损伤。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述贴胶纸过程所用的压力为10-100千帕，时间为1-30秒；所述胶纸为透明胶纸。
9.根据权利要求1或6所述的方法，其中，所述极片弯折处为最靠近电极卷轴心的弯折处。
10.根据权利要求5所述的方法，其中，所述一级损伤、二级损伤和三级损伤的极片为不合格。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述四级损伤的极片为不合格；所述五级损伤、六级损伤和零级损伤的极片为合格。
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