CN102082273B - 锂离子电池的电极材料、电极浆料、电极及锂离子电池 - Google Patents

锂离子电池的电极材料、电极浆料、电极及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池的电极材料，包括电极活性材料及粘结剂，所述粘结剂包括田菁胶磷酸酯、羧甲基田菁胶、羟乙基田菁胶或氧化田菁胶。本发明还公开了一种锂离子电池的电极浆料，包括锂离子电池电极材料和溶剂，所述锂离子电池电极材料为上述锂离子电池的电极材料。本发明又公开了一种锂离子电池的电极，所述电极由上述锂离子电池的电极浆料涂覆在电极极电体上，经干燥、压延制备得到。本发明再公开了一种锂离子电池，包括电池壳体和密封在该电池壳体内的电极组和电解液；所述电极组包括正极、负极以及位于正极和负极之间的隔膜，所述正极和/或负极为上述锂离子电池的电极。本发明提高电池的容量、倍率放电性能和循环性能。

Description

锂离子电池的电极材料、电极浆料、电极及锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池的材料，尤其是一种锂离子电池的电极材料、电极浆料。本发明还涉及一种锂离子电池的电极。本发明还涉及一种锂离子电池。
背景技术
锂离子二次电池分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为负极构成的锂离子电池。因其比能量高，工作电压高，工作温度范围宽，自放电率低，循环寿命长，无污染，重量轻，安全性好等优点，因而应用领域广泛。
电池电极作为锂离子电池的核心组成部件，对其性能要求也越来越高，电池电极一般包括电极活性材料及将电极活性材料颗粒与颗粒之间和电极活性材料与集电体之间粘结起来的粘结剂。粘结剂作为电池电极的主要原料，起防止活性材料的脱落粉化等作用，很大程度上决定着电极的性能，因此对其粘结性，用量和对电池电极其他材料的影响都有很高的要求。
现有电池的制备工艺复杂，电池电极制备一般包括拉浆涂布，干燥，压实，滚切，卷绕等工序，在每个过程中都会受到外力作用，特别是大量的工艺生产，无法保证各个环节的最优环境，不可避免存在极片掉料甚至折损，从而无法保证电池电极的一致性，影响电池的充放电比容量和电池的循环性能。同时电池电极材料特别是负极材料在脱嵌锂前后会发生体积变化，而循环过程中电极材料的破碎，粉化会引起脱嵌锂能力的丧失，电极材料也会从集电体上脱落而引起集流体特性的劣化，同时集流体上产生褶皱而引起的卷绕体电芯的鼓胀等导致电池的循环性能明显下降等一系列致命问题，就要求选用性能较优的粘结剂，提高制备的电池电极的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池的电极材料，以及采用这种电极材料的电极浆料、电极和锂离子电池，能够解决现有技术的电极材料在电池电极制备及使用过程中仍然存在的较严重的掉料，影响电池首次放电容量和循环性能的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种锂离子电池的电极材料，其技术方案是，包括电极活性材料及粘结剂，所述粘结剂包括田菁胶磷酸酯、羧甲基田菁胶、羟乙基田菁胶或氧化田菁胶中的一种或几种。
本发明还提供了一种锂离子电池的电极浆料，其技术方案是，包括锂离子电池电极材料和溶剂，所述锂离子电池电极材料为上述锂离子电池的电极材料。
本发明又提供了一种锂离子电池的电极，其技术方案是，所述电极由上述锂离子电池的电极浆料涂覆在电极极电体上，经干燥、压延制备得到。
本发明再提供了一种锂离子电池，其技术方案是，包括电池壳体和密封在该电池壳体内的电极组和电解液；所述电极组包括正极、负极以及位于正极和负极之间的隔膜，所述正极和/或负极为上述锂离子电池的电极。
本发明通过采用田菁胶粘的粘结剂，其粘结性能好，而且在锂离子电池浆料应用中电极浆料不团聚，分散性好，稳定性强，易敷料、不沉降，制备的极片均一性好，能制备敷料强度和柔韧性好的锂离子电池电极，提高电池的容量、倍率放电性能和循环性能。
附图说明
图1是本发明实施例1、实施例7及比较例1制作的电池负极浆料的粘度随搅拌速率变化图；
图2是本发明实施例1、实施例7及比较例1制作的电池负极浆料放置24小时过程中粘度变化图；
图3是本发明实施例1、实施例7及比较例1制作的电池负极极片敷料强度测试图；
图4是本发明实施例1、实施例7及比较例1制作的电池负极极片柔韧度性能测试图。
具体实施方式
本发明公开了一种锂离子电池的电极材料，包括电极活性材料及粘结剂，所述粘结剂包括田菁胶磷酸酯、羧甲基田菁胶、羟乙基田菁胶或氧化田菁胶中的一种或几种。
所述电极材料的粘结剂还包括水系粘结剂，所述水系粘结剂选自羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素、乙基纤维素、羧甲基乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素或丁苯橡胶中的一种或几种。
所述水系粘结剂为羧甲基纤维素和丁苯橡胶。
以粘结剂的总量为基准，所述田菁胶的重量百分含量为0.5％-30％；所述羧甲基纤维素钠的重量百分含量为15％-30％，丁苯橡胶的重量百分含量为45-75％。
采用本发明的电极粘结剂，能很好的应用于电极，不仅提高电极浆料间的粘结性，提高电极浆料和集电体之间的粘结性，避免极片掉料，折损的情况出现，而且制备的电极浆料性能稳定，电极浆料分散性好，不易团聚，易于储存和拉浆，优化了工艺生产，改善了浆料的涂覆性能，能够制备出厚度更均匀的极片，提高电池的一致性和极片的利用率，降低了生产成本。
本发明还公开了一种锂离子电池的电极浆料，包括锂离子电池电极材料和溶剂，其特征在于，所述锂离子电池电极材料为上述锂离子电池的电极材料。
所述电极浆料中还包括聚乙二醇。
以电极浆料的总量为基准，所述电极活性材料的重量百分含量为35％-60％；所述粘结剂的重量百分含量为0.5％-10％；所述聚乙二醇的重量百分含量为0.5％-3％；所述导电剂的重量百分含量为0.2-5％；所述溶剂的重量百分含量为30％-60％。
所述溶剂为水。
本发明提供的锂离子电池的电极浆料流变性能更好，稳定性更强，敷料强度好及制备的极片柔韧性更高。
本发明又公开了一种锂离子电池的电极，所述电极由上述锂离子电池的电极浆料涂覆在电极极电体上，经干燥、压延制备得到。
本发明再公开了一种锂离子电池，包括电池壳体和密封在该电池壳体内的电极组和电解液；所述电极组包括正极、负极以及位于正极和负极之间的隔膜，所述正极和/或负极为上述锂离子电池的电极。
本发明提供的锂离子电池首次充放电容量，倍率放电性能和循环性能更优良。
实施例1：
(1)正极的制备
先将1.5g羧甲基纤维素钠(CMC)溶解于98.5ml水中(溶液浓度为1.5％)，随后将1.5g田菁胶溶于上述CMC水溶液中，向上述混合液中加入100gLiCoO2(FMC公司产品)及2g导电剂炭黑，搅拌2小时，再加入3g丁苯橡胶(SBR)，使用普通四叶桨搅拌0.5小时，进而得到正极浆料(LiCoO2∶CMC∶田菁胶∶SBR∶炭黑∶去离子水＝100∶1.5∶1.5∶3∶2∶98.5)。
将此正极浆料均匀的涂布于铝箔上，经125℃干燥1小时，然后压延，裁剪成424×44毫米的正极片，每个正极片中含有6.2g正极活性物质。
(2)负极的制备
先将1.5g羧甲基纤维素钠(CMC)溶解于98.5ml水中(溶液浓度为1.5％)，随后将1.5g田菁胶溶于上述CMC水溶液中，向上述混合液中加入100g石墨，搅拌2小时，再加入3g丁苯橡胶(SBR)，使用普通四叶桨搅拌0.5小时，进而得到负极浆料(石墨∶CMC∶田菁胶∶SBR∶去离子水＝100∶1.5∶0.5∶3∶98.5)。
将此负极浆料均匀的涂布于铜箔上，在2兆帕压力下压片，在氮气条件下300℃热处理24小时，然后压延，裁剪成416×45毫米的负极片，每个负极片中含有3.2g负极活性材料。
(3)电池的制备
将上述正极极片、20微米厚的聚丙烯隔膜与负极极片依次重叠成电芯，装入电池壳中，将电解液以3.8g/Ah的量注入电池壳中，密封制成常规的LP053450电池，电解液含有LiPF6和非水溶剂，电解液中所述LiPF6和非水溶剂，电解液中所述LiPF6的浓度为1摩尔/升，非水溶剂为碳酸乙烯酯(EC)与碳酸二乙酯(DMC)重量比为1∶1的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯的混合溶剂。
实施例2：
采用与实施例1相同的方法和步骤制备正极、负极和电池，不同的是加入的田菁胶0.5g，羧甲基纤维素钠1.5g，丁苯橡胶3g。
实施例3：
采用以实施例1相同的方法与步骤制备正极、负极和电池，不同的是加入的田菁胶3g，羧甲基纤维素钠1.5g，丁苯橡胶3g。
实施例4：
采用以实施例1相同的方法与步骤制备正极、负极和电池，不同的是加入的田菁胶4.5g，羧甲基纤维素钠1.5g，丁苯橡胶4.5g。
实施例5：
采用以实施例1相同的方法与步骤制备正极、负极和电池，不同的是粘结剂为6g田菁胶。实施例6：
采用以实施例1相同的方法与步骤制备正极、负极和电池，不同的是正极、负极浆料中还含有1g聚乙二醇。
实施例7：
采用以实施例1相同的方法与步骤制备正极、负极和电池，不同的是粘结剂为田菁胶1.5g，羧甲基纤维素钠1.5g，丁苯橡胶3g。
对比例1：
采用与实施例1相同的方法和步骤制备正极、负极和电池，不同的是正极、负极浆料中粘结剂为1.5g羧甲基纤维素钠(CMC)和4.5g丁苯橡胶(SBR)。
性能测试：
1.电极浆料粘度性能测试：
采用BROOKFIELD公司生产的DV-II型的旋转式粘度，按照美国材料与试验协会标ASTMD7175-2005对放置1小时后的实施例1、实施例6及对比例1的负极浆料进行粘度性能测试，测试结果如图1所示(粘度测试图是在25℃，常压条件下，测试转速从0-50转/分钟变化过程中，粘度的变化情况)。
2.电极浆料稳定性测试：
采用BROOKFIELD公司生产的DV-II型的旋转式粘度仪，按照美国材料与试验协会标ASTMD7175-2005对放置24小时过程中的实施例1、实施例6及对比例1的负极浆料，每隔2小时进行一次粘度测试，测试结果如图2所示(粘度测试图是在25℃，常压，测试转速10转/分钟，测试开始1分钟的条件下，粘度的变化情况)。
3.极片敷料性能测试：
使用MODEL1220S型插拔力实验机对实施例1，实施例7及对比例1制备的负极极片(极片规格为4cm*10cm)进行敷料强度测试，测试结果如图3。
4.极片柔韧度性能测试：
将实施例1、实施例7及对比例1制备的负极极片裁剪成尺寸4cm*5cm的长方形长度方向弯曲并固定在MODEL1220S型插拔力实验机上间距为15mm的上下夹具中，下夹具以10mm/min速率上升，将极片压至20N压力时对折180°状态，记录夹具上升过程中的载荷-位移曲线，测试结果如图4。
5.电池倍率放电性能测试：
将实施例1-7及对比例1制备的电池置于新威尔-3000型电化学性能测试仪上，以0.075A电流充电，以0.075A，0.75A，2.25A电池放电，电压范围3V-4.2V，记录放电容量，测试结果如表1。
[0043]表1
Figure GDA00001672562900051
6.首次放电容量测试：
以实施例1-7及对比例1制备的电极片为正极，以金属锂为负极，制作出型号为2016的扣式电池，将上述电池置于新威尔-3000型电化学性能测试仪上，电压范围3V-4.2V，以0.075A电流充放电，记录其首次放电容量。测试结果如表2。
[0044]表2
Figure GDA00001672562900061
7.循环性能测试：
将实施例1-7及对比例1制备的电池置于新威尔-3000型电化学性能测试仪上，电压范围为3V-4.2V，以0.075A电流充放电，记录其充放电容量，测试结果如表3。
[0045]表3
Figure GDA00001672562900062
本发明的电极粘结剂，能很好应用于锂离子电池负极，明显提高了电极浆料间的粘结性，同时提高了电极浆料的稳定性，电极浆料分散性好，不易团聚，易于储存和拉浆，优化了工艺生产，浆料的流变性好，改善了浆料的涂覆性能，能够制备出厚度更均匀的极片，提高了电池的一致性和极片的利用率，降低了生产成本。制备出的电极极片柔韧性更高，电池的首次比容量、倍率放电性能和循环性能都得到了明显提高，为锂离子电池的发展奠定了基础。

Claims (10)

1.一种锂离子电池的电极材料，包括电极活性材料及粘结剂，其特征在于，所述粘结剂包括田菁胶粘结剂，所述田菁胶粘结剂包括田菁胶磷酸酯、羧甲基田菁胶、羟乙基田菁胶或氧化田菁胶中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池的电极材料，其特征在于，所述电极材料的粘结剂还包括水系粘结剂，所述水系粘结剂选自羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素、乙基纤维素、羧甲基乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素或丁苯橡胶中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池的电极材料，其特征在于，所述水系粘结剂为羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池的电极材料，其特征在于，以粘结剂的总量为基准，所述田菁胶粘结剂的重量百分含量为0.5%-30%；所述羧甲基纤维素钠的重量百分含量为15%-30%，丁苯橡胶的重量百分含量为45-75%。
5.一种锂离子电池的电极浆料，包括锂离子电池电极材料和溶剂，其特征在于，所述锂离子电池电极材料为权利要求1-4中任意一项所述的锂离子电池的电极材料，所述溶剂为水。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池的电极浆料，其特征在于，所述电极浆料中还包括聚乙二醇。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池的电极浆料，其特征在于，以电极浆料的总量为基准，所述电极活性材料的重量百分含量为35%-60%；所述粘结剂的重量百分含量为0.5%-10%；所述聚乙二醇的重量百分含量为0.5%-3%；其它为所述溶剂。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池的电极浆料，其特征在于，还包括导电剂，以电极浆料的总量为基准，所述导电剂的重量百分含量为0.2-5%；
9.一种锂离子电池的电极，其特征在于，所述电极由权利要求5-8中任意一项所述的锂离子电池的电极浆料涂覆在电极集电体上，经干燥、压延制备得到。
10.一种锂离子电池，包括电池壳体和密封在该电池壳体内的电极组和电解液；所述电极组包括正极、负极以及位于正极和负极之间的隔膜，其特征在于，所述正极或负极为权利要求9所述的锂离子电池的电极。
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Assignee: Jiangsu Zhong Xingpaineng Battery Co., Ltd

Assignor: Shanghai Pylon Technologies Co., Ltd.

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