CN101752546A - 一种磷酸铁锂电极的制备方法 - Google Patents

一种磷酸铁锂电极的制备方法 Download PDF

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高英
郭春雨
郝明明
韩宇
吴滨城
刘兴江
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Abstract

本发明涉及一种磷酸铁锂电极的制备方法，按质量百分比为：磷酸铁锂活性物质∶导电剂∶粘结剂＝80-92％∶3-10％∶5-10％的比例称取磷酸铁锂活性物质、导电剂和粘结剂，进行包括混料、匀浆、涂膜、烘干、辊压、裁片的制备过程，其中粘结剂为HSV900聚偏氟乙烯。由于采用了高粘度的HSV900聚偏氟乙烯粘结剂，(1)提高了活性物质的比例，进而提高了电池的容量；(2)解决了磷酸铁锂电极烘干后容易掉粉的问题，保证了磷酸铁锂材料的优势充分发挥出来；(3)提高了磷酸铁锂电极的压实密度。在导电剂和粘结剂用量较少的情况下实现了电极的牢固结合，非常适合大规模工业化生产。

Description

一种磷酸铁锂电极的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池材料技术领域，特别是涉及一种磷酸铁锂电极的制备方法。
背景技术
锂离子电池从上世纪九十年代初上市以来得到了飞速发展，目前应用范围已从移动通讯电源、笔记本电脑、摄像机等扩大到电动工具、电动汽车等领域，电池的高比特性、价廉和对环境友好等发展趋势明显，这些都得益于电极材料的改进和创新。磷酸铁锂具有原材料丰富、廉价、无污染、安全性好、充放电平台明显、容量适中、倍率充放电特性和循环稳定性好等优点，非常适合作为锂离子电池特别是动力型锂离子电池的正极材料。
1997年A.K.Padhi和J.B.Goodenough首先提出磷酸铁锂可以作为锂离子电池的正极材料，并进行了合成和电化学性能评估。2002年MIT的Yet-MingChiang在Nature Materials刊物上发表了高价离子掺杂的磷酸铁锂，通过掺杂该材料的电导率提高了4-6个数量级。
磷酸铁锂的制备方法多种多样，主要有高温固相法、碳热还原法、溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法和微波法等。
目前，磷酸铁锂及其电池已进入产业化阶段，最早从事商业运作的是美国的Valance Technology Incorporation，2003年开始产业化，在我国江苏省苏州市开始办厂生产该类材料，并在中国部分锂离子电池厂家以OEM方式生产4-10Ah的聚合物电池。Goodenough小组在2003年引入风险基金组建了Phostech公司专门从事磷酸铁锂的产业化，碳含量1.2％，D50为4.31μm，振实密度1.4g/cm3，比容量159±3mAh/g(80℃，3.0V-3.7V)。MIT的Yet-Ming Chiang也成立了A123公司主要生产掺杂金属离子的磷酸铁锂材料，在我国江苏省常州市办了合资生产厂。日本Sony公司也发表了多项研究成果。国内该材料目前有些公司已在中试生产，如天津斯特兰，北大先行公司，湖南瑞翔新材料公司和北京工业大学等。
伴随着磷酸铁锂材料的研究和中试化报道越来越多，材料合成与改性方面的论文和专利申请也越来越多，但是有关磷酸铁锂电极的制造方面的文献却非常少。由于磷酸铁锂材料本身的电导率很低，所以在材料的制备过程中往往加入碳材料来提高导电性，碳的加入在一定程度上降低了材料的振实密度，增加了比表面积，无疑给电极的制造带来了麻烦，需要加入大量粘结剂来保证电极的结合强度，电极烘干后还容易掉粉，同时也降低了电池中活性物质的比例和电池的容量以及大电流放电性能，限制了磷酸铁锂电池的实际应用。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了一种粘结剂用量少、电极结合牢固、电极中活性物质比例高、电极的压实密度高、电池的容量以及大电流放电性能好，并且方法简单，非常适合大规模工业化生产的一种磷酸铁锂电极的制备方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题采用的技术方案是：
一种磷酸铁锂电极的制备方法，按质量百分比为磷酸铁锂活性物质∶导电剂∶粘结剂＝80-92％∶3-10％∶5-10％的比例称取磷酸铁锂活性物质、导电剂和粘结剂，包括以下制备过程：
(1)混料：将称取的磷酸铁锂活性物质和导电剂均匀混合成混合物；
(2)匀浆：向(1)混合物中滴加称取的粘结剂溶液，均匀搅拌成流动的浆料；
(3)涂膜：用涂膜机将浆料均匀涂覆在集流体上；
(4)烘干：将涂覆有浆料的集流体放在加热板上或者烘箱中，使溶剂挥发获得干燥后的电极；
(5)辊压：将烘干后的电极用双辊辊压机压成60-160μm的厚度；
(6)裁片：将辊压好的电极裁成需要的尺寸供制作电池使用，
其特点是：所述粘结剂为聚偏二氟乙烯。
本发明还可以采用如下技术措施：
所述磷酸铁锂电极的制备方法，其特点是：所述聚偏二氟乙烯为HSV900聚偏氟乙烯。
所述磷酸铁锂电极的制备方法，其特点是：所述磷酸铁锂活性物质为磷酸铁锂粉末材料；所述导电剂为固体导电剂。
所述磷酸铁锂电极的制备方法，其特点是：所述导电剂为高导电的石墨或经过处理的高导电碳黑。
所述磷酸铁锂电极的制备方法，其特点是：所述导电剂为压缩乙炔黑、SP、KS-6、KS-15、VGCF中的一种或几种。
所述磷酸铁锂电极的制备方法，其特点是：所述(3)中集流体为铝箔。
本发明具有的优点和积极效果：由于采用了高粘度的HSV900聚偏氟乙烯粘结剂，(1)降低了磷酸铁锂电极中粘结剂的用量，提高了活性物质的比例，进而提高了电池的容量；(2)提高了磷酸铁锂电极中粉体与集流体的结合强度，解决了磷酸铁锂电极烘干后容易掉粉的问题，保证了磷酸铁锂材料的优势充分发挥出来；(3)提高了磷酸铁锂电极的压实密度。在导电剂和粘结剂用量较少的情况下实现了电极的牢固结合，从而提高了电池中活性物质的比例和电池的容量以及大电流放电性能，非常适合大规模工业化生产。
附图说明
图1为采用本发明制备磷酸铁锂电极制成磷酸铁锂18650电池充放电特性曲线图；
图2为采用本发明制备磷酸铁锂电极制成磷酸铁锂18650电池倍率放电性能图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图1和附图2，详细说明如下：
实施例1
选用质量百分比为88％的磷酸铁锂、7％的压缩乙炔黑和5％的HSV900型PVDF，先将磷酸铁锂和压缩乙炔黑混合均匀；然后加入PVDF溶液，搅拌混合均匀获得流动的浆料；用涂膜机将浆料均匀涂覆在20μm厚的铝箔上；将涂覆有浆料的铝箔放在加热板上或者烘箱中，使溶剂挥发获得干燥后的电极；将烘干后的电极用双辊辊压机压到60-160μm厚度；将辊压好的电极裁成电池需要的尺寸，即获得所需的磷酸铁锂电极片。
实施例2
选用质量百分比为88％的磷酸铁锂、7％的KS-15和5％的HSV900型PVDF，先将磷酸铁锂和压缩乙炔黑混合均匀；然后加入PVDF溶液，搅拌混合均匀获得流动的浆料；用涂膜机将浆料均匀涂覆在20μm厚的铝箔上；将涂覆有浆料的铝箔放在加热板上或者烘箱中，使溶剂挥发获得干燥后的电极；将烘干后的电极用双辊辊压机压到60-160μm厚度；将辊压好的电极裁成电池需要的尺寸，即获得所需的磷酸铁锂电极片。
实施例3
选用质量百分比为92％的磷酸铁锂、3％的SP和5％的HSV900型PVDF，先将磷酸铁锂和压缩乙炔黑混合均匀；然后加入PVDF溶液，搅拌混合均匀获得流动的浆料；用涂膜机将浆料均匀涂覆在20μm厚的铝箔上；将涂覆有浆料的铝箔放在加热板上或者烘箱中，使溶剂挥发获得干燥后的电极；将烘干后的电极用双辊辊压机压到60-160μm厚度；将辊压好的电极裁成电池需要的尺寸，即获得所需的磷酸铁锂电极片。
实施例4
选用质量百分比为92％的磷酸铁锂、2％的VGCF、1％的SP和5％的HSV900型PVDF，先将磷酸铁锂和压缩乙炔黑混合均匀；然后加入PVDF溶液，搅拌混合均匀获得流动的浆料；用涂膜机将浆料均匀涂覆在20μm厚的铝箔上；将涂覆有浆料的铝箔放在加热板上或者烘箱中，使溶剂挥发获得干燥后的电极；将烘干后的电极用双辊辊压机压到60-160μm厚度；将辊压好的电极裁成电池需要的尺寸，即获得所需的磷酸铁锂电极片。
比较例1
选用质量百分比为86％的磷酸铁锂、7％的压缩乙炔黑和7％的761型PVDF，先将磷酸铁锂和压缩乙炔黑混合均匀；然后加入PVDF溶液，搅拌混合均匀获得流动的浆料；；用涂膜机将浆料均匀涂覆在20μm厚的铝箔上；将涂覆有浆料的铝箔放在加热板上或者烘箱中，使溶剂挥发获得干燥后的电极；将烘干后的电极用双辊辊压机压到60-160μm厚度；将辊压好的电极裁成电池需要的尺寸，即获得所需的磷酸铁锂电极片。
比较例2
选用质量百分比为86％的磷酸铁锂、7％的KS-15和7％的761型PVDF，先将磷酸铁锂和压缩乙炔黑混合均匀；然后加入PVDF溶液，搅拌混合均匀获得流动的浆料；用涂膜机将浆料均匀涂覆在20μm厚的铝箔上；将涂覆有浆料的铝箔放在加热板上或者烘箱中，使溶剂挥发获得干燥后的电极；将烘干后的电极用双辊辊压机压到60-160μm厚度；将辊压好的电极裁成电池需要的尺寸，即获得所需的磷酸铁锂电极片。
比较例3
选用质量百分比为90％的磷酸铁锂、3％的SP和7％的761型PVDF，先将磷酸铁锂和压缩乙炔黑混合均匀；然后加入PVDF溶液，搅拌混合均匀获得流动的浆料；用涂膜机将浆料均匀涂覆在20μm厚的铝箔上；将涂覆有浆料的铝箔放在加热板上或者烘箱中，使溶剂挥发获得干燥后的电极；将烘干后的电极用双辊辊压机压到60-160μm厚度；将辊压好的电极裁成电池需要的尺寸，即获得所需的磷酸铁锂电极片。
比较例4
选用质量百分比为90％的磷酸铁锂、2％的VGCF、1％的SP和7％的761型PVDF，先将磷酸铁锂和压缩乙炔黑混合均匀；然后加入PVDF溶液，搅拌混合均匀获得流动的浆料；用涂膜机将浆料均匀涂覆在20μm厚的铝箔上；将涂覆有浆料的铝箔放在加热板上或者烘箱中，使溶剂挥发获得干燥后的电极；将烘干后的电极用双辊辊压机压到60-160μm厚度；将辊压好的电极裁成电池需要的尺寸，即获得所需的磷酸铁锂电极片。
表1列出了不同实施例和比较例的磷酸铁锂电极和电池性能比较。
表1不同实施例和比较例中磷酸铁锂电极和电池性能比较
  电极中粉体与集流体的结合性   电极压实密度(g/cm3)   首次放电比容量(mAh/g)
  实施例1   结合牢固，不掉粉   2.17   154.0
  实施例2   结合牢固，不掉粉   2.19   153.6
  实施例3   结合牢固，不掉粉   2.15   151.5
  实施例4   结合牢固，不掉粉   2.12   152.4
  比较例1   电极边缘掉粉严重   2.03   135.6
  比较例2   电极边缘掉粉严重   2.08   132.8
  比较例3   电极边缘掉粉   1.98   141.2
  比较例4   电极边缘掉粉   1.90   143.5
从表1的结果可以看出，经本发明制备的磷酸铁锂电极，粘结剂用量少，电极结合牢固，压实密度高，电极中活性物质比例高，电池容量大、放电性能好。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以制备出若干配置材料，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种磷酸铁锂电极的制备方法，按质量百分比为磷酸铁锂活性物质：导电剂∶粘结剂＝80-92％∶3-10％∶5-10％的比例称取磷酸铁锂活性物质、导电剂和粘结剂，包括以下制备过程：
(1)混料：将称取的磷酸铁锂活性物质和导电剂均匀混合成混合物；
(2)匀浆：向(1)混合物中滴加称取的粘结剂溶液，均匀搅拌成流动的浆料；
(3)涂膜：用涂膜机将浆料均匀涂覆在集流体上；
(4)烘干：将涂覆有浆料的集流体放在加热板上或者烘箱中，使溶剂挥发获得干燥后的电极；
(5)辊压：将烘干后的电极用双辊辊压机压成60-160μm的厚度；
(6)裁片：将辊压好的电极裁成需要的尺寸供制作电池使用；
其特征在于：所述粘结剂为聚偏二氟乙烯。
2.根据权利要求1所述磷酸铁锂电极的制备方法，其特征在于：所述聚偏二氟乙烯为HSV900聚偏氟乙烯。
3.根据权利要求1所述磷酸铁锂电极的制备方法，其特征在于：所述磷酸铁锂活性物质为磷酸铁锂粉末材料；所述导电剂为固体导电剂。
4.根据权利要求1所述磷酸铁锂电极的制备方法，其特征在于：所述导电剂为高导电的石墨或经过处理的高导电碳黑。
5.根据权利要求1所述磷酸铁锂电极的制备方法，其特征在于：所述导电剂为压缩乙炔黑、SP、KS-6、KS-15、VGCF中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述磷酸铁锂电极的制备方法，其特征在于：所述(3)中集流体为铝箔。
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