CN102306748A - 一种锂离子电池负极极片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种包括无机粘接剂的锂离子电池负极极片，其包括：集流体和涂覆在集流体上的负极膜片，负极膜片包括粘接剂、导电剂和作为负极活性物质的碳材料，所述粘接剂为无机半导体粘接剂。相对于现有技术，本发明通过在负极中采用具有较好导电性的无机半导体粘接剂，可以提高锂离子电池的倍率性能和循环性能。且因为粘接剂中不含有机成分，因此不存在在电解液有机溶剂中溶解和溶胀的问题，从而提高了负极膜片的机械稳定性。此外，本发明还提供了一种该负极极片的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种包括无机粘接剂的锂离子电池负极极片及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返穿梭，并在电极材料中嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，然后经过电解液嵌入到负极中，负极处于富锂状态；放电时则相反。自从1990年日本索尼公司以碳材料取代金属锂成功商业化锂离子二次电池以来，碳材料以其稳定的化学性能，较高的Li+容量，以及良好的加工性能，一直都是锂离子电池负极的首选材料。
目前的锂离子电池负极制备工艺中，一般都加入一定含量的有机物，例如丁苯橡胶(SBR)、聚偏氟乙烯(PVDF)等作为粘接剂，在碳颗粒和碳颗粒以及碳颗粒与集流体之间起到粘接作用。但这些有机粘接剂的电子电导与离子电导都较低，它们的加入一方面会使得负极材料的导电性能下降，倍率性能受到影响；另一方面由于锂离子电池电解液也是有机体系，对极片中的有机粘接剂有一定溶解和溶胀作用，也会影响到极片的机械稳定性和电池的循环性能。
有鉴于此，确有必要提供着一种具有良好导电性能和机械稳定性的锂离子电池负极极片及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供着一种具有良好导电性能和机械稳定性的锂离子电池负极极片。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种锂离子电池负极极片，其包括：集流体和涂覆在集流体上的负极膜片，负极膜片包括粘接剂、导电剂和作为负极活性物质的碳材料，所述粘接剂为无机半导体粘接剂，且所述粘接剂在所述负极膜片上的质量含量为0.1～20％。由于无机半导体具有较好的导电性，从而提高锂离子电池的循环性能。当所述粘接剂在负极膜片中的质量含量小于0.1％时，粘接剂量太少，负极活性物质和导电剂以及集流体之间的粘接力不够，会导致掉粉甚至膜片脱落的问题；当所述粘接剂在负极膜片中的质量含量大于20％时，粘接力太强，导致膜片浸润性不好，电池的容量性能和循环性能等会受到影响。
作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述粘接剂在所述负极膜片上的质量含量为1～10％。
作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述粘接剂在所述负极膜片上的质量含量为5％。
作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述碳材料为人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、碳纳米管中的一种或两种，所述碳材料在负极膜片中的质量含量为80～99.9％。
作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述无机半导体粘接剂为Al2O3、ZnO、TiO2、SnO2、MgO2、SiO2、CaO、Cr2O3、MnO2和Fe2O3中的一种或两种。这些无机半导体大都为宽禁带半导体材料，其电子导电能力较一般有机高分子粘接剂强很多，因此能够大大提高活性材料颗粒与颗粒之间，以及活性材料颗粒与集流体之间的电子输运能力，从而降低电池的内阻，提高功率与倍率性能。
作为本发明锂离子电池负极的一种改进，所述导电剂为导电炭黑、超导炭黑或普通炭黑，导电剂可以进一步提高极片的导电能力。
本发明的又一个目的在于提供一种制备上述锂离子电池负极极片的方法，包括以下步骤：
1)首先制备无机半导体粘接剂前驱体溶液，将无机半导体粘接剂前驱体加入到水中，使无机半导体粘接剂前躯体的质量分数为0.01％～10％；
2)将碳材料加入到前驱体溶液中，使得碳材料的质量分数为9.9～50％；
3)机械搅拌5分钟～72小时，温度保持在20～70℃，pH值控制在4-9内，使得前驱体水解，形成前躯体的对应氢氧化物等的胶状物质，搅拌均匀以得到负极浆料；
4)将上述得到的负极浆料转移到集流体上，在50～200℃下真空干燥1～10h，使无机半导体粘接剂前躯体水解成的对应氢氧化物转化为相应的无机氧化物半导体粘接剂，并且烘干极片中的水分，再经过冷压，分条，制得含有无机半导体粘接剂的负极极片。
作为本发明锂离子电池负极极片的制备方法的一种改进，所述无机半导体粘接剂前驱体为AlCl3、ZnCl2、TiCl4、SnCl4、MgCl2、SiCl4、CaCl2、CrCl3、MnCl2、FeCl3中的一种或两种，这些无机半导体粘接剂的前躯体均为无机物，当其水解为无机半导体时，极片中不会有有机物残留，从而可以防止溶解和溶胀等问题的出现。
作为本发明锂离子电池负极极片的制备方法的一种改进，步骤4)所述负极浆料可以通过丝网印刷、转移涂布或挤压涂布转移到集流体上。
作为本发明锂离子电池负极极片的制备方法的一种改进，步骤4)所述真空干燥的真空度为0.01MPa～0.5MPa。
相对于现有技术，本发明通过将无机半导体前驱体进行水解、缩合等一系列反应，逐渐转化为无机半导体粘接剂，将活性材料、导电碳、集流体粘结在一起，形成负极。由于这类无机前驱体形成的水解产物大都为宽禁带半导体材料，其电子导电能力较一般有机高分子粘接剂强很多，因此能够大大提高活性材料颗粒与颗粒之间，以及活性材料颗粒与集流体之间的电子输运能力，从而降低电池的内阻(Imp)，提高功率与倍率性能(Rate)。而且由于本发明中使用的前驱体及其水解缩合产物均为全无机材料，不含有机成分，因此不会与电解液中的有机溶剂发生副反应，也不存在溶解和溶胀的问题，从而使得负极膜片的机械稳定性和电池的长期循环性能得到很大的提高。
此外，本发明包含无机半导体粘接剂的负极极片的制备方法简单，成本低廉，适宜于大规模生产应用。
具体实施方式
实施例1
正极极片制备：将LiCoO2(钴酸锂)、Super-P(导电碳)、PVDF(聚偏氟乙烯)按照质量比例为95.0∶2.7∶2.3加入NMP混合且搅拌均匀得到具有一定流动性的浆料，涂覆在14um厚的金属铝箔的两面，烘干成具有一定柔软度的正极极片。然后经过冷压、分条，再将用0.5mm厚的铝片制成的正极极耳焊接接在铝箔上制得正极极片。
负极极片的制备：将20g AlCl3溶于1kg水中，配成2％的水溶液，再将0.5kg人造石墨与5g普通炭黑分批加入该溶液中，机械搅拌均匀后，调节pH＝6，维持溶液温度在30℃，搅拌60h，即得到负极浆料，将该浆料通过挤压涂布的方式涂在铜箔上，50℃真空干燥10h，真空度为0.01MPa，再经冷压、分条等，再将用0.4mm厚的铜片制成的负极极耳焊接接在铜箔上后得到负极极片。负极极片上最后的固体成分是石墨、普通炭黑与Al2O3，此时，Al2O3在负极膜片中的质量含量为3.8％。
把制作好的正极极片，负极极片和隔离膜通过叠片或卷绕制成裸电芯，隔离膜可采用聚丙烯(PP)-聚乙烯(PE)-聚丙烯PP三层复合薄膜，然后将电池芯装入电池包装壳中，向其内注入电解液，以六氟磷酸锂(LiPF6)为锂盐，以20％的碳酸乙烯酯，30％的碳酸甲乙酯和50％的碳酸二甲酯为溶剂，再经化成，陈化等工艺制得成品电芯。
实施例2
与实施例1不同之处在于负极极片的制作：
将FeCl340g溶于1kg水中，配成4％的水溶液，将0.5kg天然石墨碳粉与3g导电炭黑分批加入该溶液中，机械搅拌均匀后，调节pH＝9，维持溶液温度在60℃，搅拌40h，即得到负极浆料，将该浆料通过挤压涂布的方式涂在铜箔上，经过120℃真空干燥4h，真空度为0.1MPa，再经冷压、分条等，再将用0.4mm厚的铜片制成的负极极耳焊接接在铜箔上后得到负极极片。此负极极片上最后的固体成分是石墨、导电炭黑与Fe2O3；此时，Fe2O3在负极膜片中的质量含量为7.3％。
实施例3
与实施例1不同之处在于负极极片的制作：
将TiCl480g溶于1kg水中，配成8％的水溶液，将0.4kg硬碳与4g超导炭黑分批加入该溶液中，机械搅拌均匀后，调节pH＝5.5，维持溶液温度在20℃，搅拌72h，即得到负极浆料，将该浆料通过丝网印刷的方式转移到铜箔上，经过200℃真空干燥1h，真空度为0.1MPa，再经冷压、分条等，再将用0.4mm厚的铜片制成的负极极耳焊接接在铜箔上后得到负极极片。此负极极片上最后的固体成分是石墨、导电炭黑与TiO2。此时，TiO2在负极膜片中的质量含量为16.5％。
实施例4
与实施例1不同之处在于负极极片的制作：
将0.1g MnCl2溶于1kg水中，配成0.01％的水溶液，将0.1kg软碳与1g导电炭黑分批加入该溶液中，机械搅拌均匀后，调节pH＝4，维持溶液温度在70℃，搅拌5分钟，即得到负极浆料，将该浆料通过转移涂布的方式涂在铜箔上，160℃处理4h，真空度为0.3MPa，再经冷压、分条等，再将用0.4mm厚的铜片制成的负极极耳焊接接在铜箔上后得到负极极片，此负极极片固体成分是石墨、导电炭黑、与MnO2。MnO2在负极膜片中的质量含量为0.1％。
实施例5
与实施例1不同之处在于负极极片的制作：
将ZnCl250g与MgCl250g溶于1kg水中，配成10％的水溶液，将0.2kg人造石墨与0.2kg碳纳米管与2g导电炭黑分批加入该溶液中，机械搅拌均匀后，调节pH＝9，维持溶液温度在50℃，搅拌12h，即得到负极浆料，将该浆料通过转移涂布的方式涂在铜箔上，150℃处理7h，真空度为0.5MPa，再经冷压、分条等，再将用0.4mm厚的铜片制成的负极极耳焊接接在铜箔上后得到负极极片，此负极极片最后的固体成分是石墨、导电炭黑、碳纳米管、Al2O3与MgO。Al2O3与MgO在负极膜片中的质量含量为20％。
实施例6
与实施例1不同之处在于负极极片的制作：
将5g SnCl4和5g SiCl4溶于1kg水中，配成1％的水溶液，0.15kg人造石墨与0.15kg天然石墨与5g导电炭黑粉末分批加入该溶液中，机械搅拌均匀后，调节pH＝7，维持溶液温度在25℃，搅拌50h，即得到负极浆料，将该浆料通过挤压涂布的方式涂在铜箔上，经过180℃处理2h，真空度为0.2MPa，再经冷压、分条等再将用0.4mm厚的铜片制成的负极极耳焊接接在铜箔上后得到负极极片，此极片上最后的固体成分是石墨、导电炭黑、SnO2与SiO2。SnO2与SiO2在负极膜片中的质量含量为3.2％。
实施例7
与实施例1不同之处在于负极极片的制作：
将5g CaCl2和5g CrCl3溶于1kg水中，配成1％的水溶液，0.05kg人造石墨与0.05kg天然石墨与2g导电炭黑粉末分批加入该溶液中，机械搅拌均匀后，调节pH＝5，维持溶液温度40℃，搅拌30h，即得到负极浆料，将该浆料通过挤压涂布的方式涂在铜箔上，经过80℃处理8h，真空度为0.05MPa，再经冷压、分条等，再将用0.4mm厚的铜片制成的负极极耳焊接接在铜箔上后得到负极极片。此电极上最后的固体成分是石墨、导电炭黑、CaO与Cr2O3。CaO与Cr2O3在负极膜片中的质量含量为9％。
对比例
负极极片制备：将人造石墨、Super-P(导电碳黑)、CMC(水基粘结剂，羧甲基纤维素)、SBR(Styrene Butadiene Rubber，一种橡胶)按照质量比例为94.5∶2∶1.5∶2加入NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合且搅拌均匀得到具有一定流动性的浆料，再将上述浆料涂覆在9um厚的金属铜箔的两面，烘干成具有一定柔度的负极极片。然后经过冷压、分条(即对经负极极片进行剪裁、切割成所需要大小的尺寸)，再将用0.4mm厚的铜片制成的负极极耳焊接接在铜箔上后，制得负极极片。
将以上各实施例和对比例所制备的电芯在25℃时进行0.5C充电0.5C放电的循环实验，并记录300个循环后各电池的容量保有率，内阻(Imp)，并测试各电池在1C倍率下的倍率性能。结果如表1所示。
由表1可知，负极含有无机半导体粘接剂的电芯相对于常规的含有有机粘接剂的电芯而言，直流内阻(Imp)降低10mOhm左右，表明无机半导体粘接剂的电导率较好，且实施例的电池的倍率性能在300次循环后88％提高到90％以上。而且，在经历300次循环后，本发明的实施例的电芯的循环容量保有率为90％左右，而对比例只有88％，因此本发明负极含有无机半导体粘接剂的锂离子电池具有较好的循环性能。
表1
| 实施例 | 300cycle fading | Imp(mOhm) | 1C Rate |
| 实施例1 | 92％ | 42 | 92％ |
| 实施例2 | 90％ | 43 | 94％ |
| 实施例3 | 90％ | 41 | 91％ |
| 实施例4 | 90％ | 46 | 92％ |
| 实施例5 | 91％ | 43 | 91％ |
| 实施例6 | 89％ | 42 | 91％ |
| 实施例7 | 90％ | 45 | 90％ |
| 对比例 | 88％ | 55 | 88％ |
需要说明的是，根据上述说明书的揭示和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种锂离子电池负极极片，其包括：集流体和涂覆在集流体上的负极膜片，负极膜片包括粘接剂、导电剂和作为负极活性物质的碳材料，其特征在于：所述粘接剂为无机半导体粘接剂，且所述粘接剂在所述负极膜片上的质量含量为0.1～20％。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于：所述粘接剂在所述负极膜片中的质量含量为1～10％。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于：所述粘接剂在所述负极膜片中的质量含量为5％。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于：所述无机半导体粘接剂为Al2O3、ZnO、TiO2、SnO2、MgO2、SiO2、CaO、Cr2O3、MnO2和Fe2O3中的一种或两种以上。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于：所述碳材料为人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、碳纳米管中的一种或两种，所述碳材料在负极膜片中的质量含量为80～99.9％。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于：所述导电剂为导电炭黑、超导炭黑或普通炭黑。
7.一种锂离子电池负极极片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)首先制备无机半导体粘接剂前驱体溶液，将无机半导体粘接剂前驱体加入到水中，使无机半导体粘接剂前躯体的质量分数为0.01％～10％；
2)将碳材料加入到前驱体溶液中，使得碳材料的质量分数为9.9～50％；
3)机械搅拌5分钟～72小时，温度保持在20～70℃，pH值控制在4-9内，使得前驱体水解，形成胶状，搅拌均匀以得到负极浆料；
4)将上述得到的负极浆料转移到集流体上，在50～200℃下真空干燥1～10h，使无机半导体粘接剂前躯体最终转变为无机半导体粘接剂，并且烘干极片中的水分，再经过冷压，分条，制得负极极片。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池负极极片的制备方法，其特征在于：所述无机半导体粘接剂前驱体为AlCl3、ZnCl2、TiCl4、SnCl4、MgCl2、SiCl4、CaCl2、CrCl3、MnCl2、FeCl3中的一种或两种。
9.根据权利要求7所述的锂离子电池负极极片的制备方法，其特征在于：步骤4)所述负极浆料可以通过丝网印刷、转移涂布或挤压涂布转移到集流体上。
10.根据权利要求7所述的锂离子电池负极极片的制备方法，其特征在于：步骤4)所述真空干燥的真空度为0.01MPa～0.5MPa。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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