CN102420314A - 电池极片及其涂布方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池极片及其涂布方法，所述电池极片，包括集流体及涂布于所述集流体上的活性材料层，所述活性材料层包括中间材料层及分别位于所述中间材料层两端的起始材料层和结束材料层，所述起始材料层的厚度小于中间材料层的厚度，所述结束材料层的厚度小于中间材料层的厚度。本发明的有益效果是：可以提升用该极片所制成的电池的效能和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池极片及其涂布方法，主要应用于磷酸铁锂电池。
背景技术
锂离子电池是指其中的锂离子(Li+)嵌入和脱嵌正负极材料的一种可充放电的电池，其正极一般采用嵌锂化合物，如层状晶体结构的钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)与尖晶石晶体结构的锰酸锂(LiMn2O4)。充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入到负极，同时电子的补偿电荷从外部电路供给到负极；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极材料。
1996年一种橄榄石晶体结构的正极材料问世，而1997年美国德州大学的John B. Goodenough等几位发明人发现了一种橄榄石晶体结构的材料(参见美国专利US 5,910,382)，化学式为LiFePO4，具有可嵌入、脱嵌的橄榄石晶体结构。
现在，LiFePO4在锂离子电池正极材料的应用已越来越重要，因橄榄石晶体结构的LiFePO4相较于层状结构的LiCoO2、尖晶石结构的LiMn2O4，具有结构稳定的特色，又因含铁(Fe)、磷(P)元素的化合物相较于其他材料较易取得，也因此作为锂离子电池正极材料具有安全性强、寿命长、成本低的优点。
锂离子电池，特别是磷酸亚铁锂电池的极片制作，一般采用将电化学活性物质、导电剂、黏着剂、稀释剂等材料混合成浆料状，在以喷墨、挤压、印刷转移等方式涂布浆料在极片基板材质(如铝箔、铜箔)上，经过烘烤步骤使涂布的浆料固体化后，再经过辊压步骤把涂布的浆料材质压实，最后将极片依照制作电池所需的极片大小裁切。
磷酸亚铁锂等材料作为锂离子电池的正极材料，在极片制作过程中，需要较多的黏着剂黏合，材料的固液比的固体比重低，且黏度高，而不易涂布均匀；又，随磷酸亚铁锂材料为加强充、放电速度，而提高比表面积，即粉体的颗粒越来越小、粉体间的空隙越来越大，振实密度下降，与黏着剂、稀释剂等混合的浆料的固体含量即会减少，液体成分增加，湿厚度也增加，烘干时移除的液体成分连带增加，也造成均匀涂布的困难。
参图1所示，现有技术中所制成的极片20包括集流体21及涂布于集流体21上的活性材料层22，活性材料层22的两端厚度过大，从而造成辊压制程的困难，使中间材料层部分不易密实，影响振实密度；又若强行施压，也可能造成极片两端材料层于辊压制程中断裂。同时，现有技术中正极极片两端的材料密度较高，将使充放电反应时，负极相对应的反应区域需要较高的材料密度，一般负极极片无法达到，不能接收较高密度的锂离子，进而产生安全性的疑虑。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是提供一种电池极片及其涂布方法，使极片两端厚度较低，进而提升或正面影响电池的效能与安全性。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种电池极片，包括集流体及涂布于所述集流体上的活性材料层，其中，所述活性材料层包括中间材料层及分别位于所述中间材料层两端的起始材料层和结束材料层，所述起始材料层的厚度小于中间材料层的厚度。
作为本发明的进一步改进，所述起始材料层的厚度呈线性变化。
作为本发明的进一步改进，所述结束材料层的厚度小于中间材料层的厚度。
作为本发明的进一步改进，所述结束材料层的厚度呈线性变化。
本发明的技术方案还可以这样实现：
一种电池极片的涂布方法，提供一种涂布装置，所述涂布方法包括以下步骤：
（1）涂布起始步骤，用以涂布所述起始材料层；
（2）涂布中间步骤，用以涂布所述中间材料层；
（3）涂布结束步骤，用以涂布所述结束材料层，
其中，步骤（1）中涂布速度小于步骤（2）中涂布速度。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（1）中的涂布速度是逐渐增大的。
作为本发明的进一步改进，所述涂布装置包括一用以涂布所述活性材料层的涂布工具，所述步骤（1）还包括增大所述涂布工具与所述集流体之间距离的过程。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（3）中涂布速度小于所述步骤（2）中涂布速度。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（3）中的涂布速度是逐渐减小的。
作为本发明的进一步改进，所述涂布装置包括一用以涂布所述活性材料层的涂布工具，所述步骤（3）还包括增大所述涂布工具与所述集流体之间距离的过程。
作为本发明的进一步改进，所述涂布装置包括涂布工具和集流体滚轮，所述涂布工具包括浆料滚轮和浆料供应装置，所述浆料滚轮用以承载活性材料层并将所述活性材料层涂布于所述集流体上，所述集流体滚轮用以承载所述集流体，所述步骤（1）中浆料滚轮与集流体滚轮的转动速度比小于1。
作为本发明的进一步改进，所述起始材料层包括起始涂布位置，所述浆料滚轮与集流体滚轮于起始涂布位置的转动速度比为0.5~0.9。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（1）中浆料滚轮与集流体滚轮的转动速度比是逐渐增大的。
作为本发明的进一步改进，自起始涂布位置左方的第一距离内还包括浆料滚轮与集流体滚轮的转动速度比逐渐减小的过程，所述第一距离大于或等于1mm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（1）包括增大浆料滚轮与集流体滚轮之间的脱离距离的过程。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（3）中浆料滚轮与集流体滚轮的转动速度比小于1。
作为本发明的进一步改进，所述结束材料层包括结束涂布位置，所述浆料滚轮与集流体滚轮于结束涂布位置的转动速度比为0.5~0.9。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（3）中浆料滚轮与集流体滚轮的转动速度比是逐渐减小的。
作为本发明的进一步改进，所述结束材料层映射在水平方向的距离为第二距离，所述第二距离大于或等于1mm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（3）包括增大浆料滚轮与集流体滚轮之间的脱离距离的过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所获得的极片两端厚度比较薄，可以提升用该极片所制成的电池的效能和安全性。
附图说明
图1所示为现有技术中电池极片涂布的示意图；
图2所示为本发明具体实施方式中电池极片涂布的示意图；
图3所示为本发明具体实施例中电池极片的涂布方法；
图4所示为本发明具体实施例中电池极片的涂布装置。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案进行详细的描述。
参图2所示，电池极片10包括集流体11及涂布于集流体11上的活性材料层12。集流体11为铜箔、铝箔等基板；活性材料层12是由电化学活性物质、导电剂、粘着剂、稀释剂等混合成的浆料，其包括中间材料层121及分别位于中间材料层121两端的起始材料层122和结束材料层123。起始材料层122和结束材料层123均设置成坡状，厚度呈线性变化，与中间材料层21连接后整体构成梯形的活性材料层12。起始材料层122包括位于其最左端的起始涂布位置1221，结束材料层123包括位于其最右端的结束涂布位置1231。由于起始材料层122和结束材料层123的厚度小于中间材料层121的厚度，可以避免如下问题：（1）极片两端厚度过大将造成辊压制程的困难，使中间材料层部分不易密实，影响振实密度；又若强行施压，也可能造成极片两端材料层于辊压制程中断裂。（2）正极片两端的材料密度较高，将使充放电反应时，负极相对应的反应区域需要较高的材料密度，一般负极极片无法达到，不能接收较高密度的锂离子，进而产生安全性的疑虑。
在其他实施方式中，起始材料层122和结束材料层123也可以设置为其他形状，但是要满足其厚度小于中间材料层121的厚度；也可以将起始材料层122和结束材料层123中之一设置成小于中间材料层121的厚度。
参图3所示，一种电池极片的涂布方法，用以形成上述活性材料层12，包括以下步骤：
（1）涂布起始步骤；
（2）涂布中间步骤；
（3）涂布结束步骤。
其中，涂布起始步骤用以涂布活性材料层12的起始材料层122；涂布中间步骤用以涂布活性材料层12的中间材料层121；涂布结束步骤用以涂布活性材料层12的结束材料层123。为了获得坡状的起始材料层122和结束材料层123，步骤（1）和步骤（3）中的涂布速度均小于步骤（2）的涂布速度，且步骤（1）中的涂布速度是一个逐渐增大的过程，步骤（3）中的涂布速度是一个逐渐减小的过程。所述降低涂布速度即单位时间内，浆料涂布至集流体11上的流量减少。
通过上述方法将活性材料层12涂布至集流体11上的流程是这样的：自起始涂布位置1221开始逐步增大涂布速度，从而形成厚度线性增大的起始材料层122，然后维持涂布速度不变，并形成厚度均一的中间材料层，最后通过逐步减小涂布速度，从而形成厚度线性减小的结束材料层123。
活性材料层12是通过涂布工具35涂布至集流体11上的，在一些实施例中，需要将涂布工具35与集流体11之间的距离增加，以免脱离时因材料黏性仍夹带着部分浆料涂布于集流体上。
上述涂布方法可以由喷墨、挤压、印刷转移等涂布方式实现。作为本发明的最佳实施方式，以下结合印刷转移的涂布方式对本发明的技术方案进行详细描述：
参图4所示，涂布装置30包括浆料滚轮31、集流体滚轮32和浆料供应装置33，浆料滚轮31和浆料供应装置33构成涂布工具35，涂布工具35用以将活性材料层22涂布至集流体11上。浆料供应装置33提供活性材料层22给浆料滚轮31，浆料滚轮31承载活性材料层22并将活性材料层22涂布于集流体11上，集流体滚轮32用以承载和传动集流体11。浆料滚轮31和集流体滚轮32之间形成有脱离距离34。
涂布装置30是通过如下方式涂布而获得坡状的起始材料层122：在执行步骤（1）的开始，即于起始涂布位置1221时，浆料滚轮31和集流体滚轮32的转动速度比控制为0.5~0.9，在涂布过程中逐步增大浆料滚轮31和集流体滚轮32的转动速度比，并使得该转动速度比最终达到1，然后维持该转动速度比进入涂布中间材料层121过程。由于浆料滚轮31和集流体滚轮32的转动速度比在执行步骤（1）的过程中逐渐增大，所以最终可以获得厚度逐渐增大的起始材料层122。在涂布中间材料层121的过程中，由于浆料滚轮31和集流体滚轮32的转动速度比始终控制在1：1，所以所获得的中间材料层121厚度均一。
为了使得在起始涂布位置1221时，浆料滚轮31和集流体滚轮32的转动速度比达到0.5~0.9，需要在进行涂布起始材料层122之前有一个减速的过程，该减速过程指的是浆料滚轮31和集流体滚轮32的转动速度比自1降低至0.5~0.9的过程，减速过程是于起始涂布位置1221左侧第一距离13的范围内进行，第一距离13大于或等于1mm。
涂布装置30是通过如下方式涂布而获得坡状的结束材料层123：中间材料层121在完成涂布之后立即进入结束材料层123的涂布，在结束材料层123的涂布过程中，浆料滚轮31和集流体滚轮32的转动速度比逐渐减小，到达结束涂布位置1231时，浆料滚轮31和集流体滚轮32的转动速度比控制在0.5~0.9之间。为了满足在结束涂布位置1231时，浆料滚轮31和集流体滚轮32的转动速度比可以达到0.5~0.9，设置结束材料层123映射在水平方向的第二距离14大于或等于1mm。
浆料滚轮31和集流体滚轮32的转动速度比的控制，可通过改变浆料滚轮31的转速、集流体滚轮32的转速或同时改变浆料滚轮31和集流体滚轮32的转速。
为了避免脱离时因材料黏性仍夹带着部分浆料涂布于集流体上，降低技术效果，在起始涂布位置1221和结束涂布位置1231处，增大浆料滚轮31和集流体滚轮32之间的脱离距离34，在最佳实施例中，所述脱离距离34增大之后为3 μm至3.75μm。
本发明适用于磷酸亚铁锂正极材料的涂布，特别在于比表面积高、固液比中固体比重低的奈米化磷酸亚铁锂电池，使烘干后极片两端厚度较低，厚度呈倒V或倒U字型分布，进而提升或正面影响电池的效能与安全性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (20)
1.一种电池极片，包括集流体及涂布于所述集流体上的活性材料层，其特征在于：所述活性材料层包括中间材料层及分别位于所述中间材料层两端的起始材料层和结束材料层，所述起始材料层的厚度小于中间材料层的厚度。
2.根据权利要求1所述的电池极片，其特征在于：所述起始材料层的厚度呈线性变化。
3.根据权利要求1所述的电池极片，其特征在于：所述结束材料层的厚度小于中间材料层的厚度。
4.根据权利要求3所述的电池极片，其特征在于：所述结束材料层的厚度呈线性变化。
5.一种如权利要求1所述电池极片的涂布方法，其特征在于，提供一种涂布装置，所述涂布方法包括以下步骤：
（1）涂布起始步骤，用以涂布所述起始材料层；
（2）涂布中间步骤，用以涂布所述中间材料层；
（3）涂布结束步骤，用以涂布所述结束材料层，
其中，步骤（1）中涂布速度小于步骤（2）中涂布速度。
6.根据权利要求5所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述步骤（1）中的涂布速度是逐渐增大的。
7.根据权利要求5所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述涂布装置包括一用以涂布所述活性材料层的涂布工具，所述步骤（1）还包括增大所述涂布工具与所述集流体之间距离的过程。
8.根据权利要求5所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述步骤（3）中涂布速度小于所述步骤（2）中涂布速度。
9.根据权利要求8所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述步骤（3）中的涂布速度是逐渐减小的。
10.根据权利要求8所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述涂布装置包括一用以涂布所述活性材料层的涂布工具，所述步骤（3）还包括增大所述涂布工具与所述集流体之间距离的过程。
11.根据权利要求5所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述涂布装置包括涂布工具和集流体滚轮，所述涂布工具包括浆料滚轮和浆料供应装置，所述浆料滚轮用以承载活性材料层并将所述活性材料层涂布于所述集流体上，所述集流体滚轮用以承载所述集流体，所述步骤（1）中浆料滚轮与集流体滚轮的转动速度比小于1。
12.根据权利要求11所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述起始材料层包括起始涂布位置，所述浆料滚轮与集流体滚轮于起始涂布位置的转动速度比为0.5~0.9。
13.根据权利要求12所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述步骤（1）中浆料滚轮与集流体滚轮的转动速度比是逐渐增大的。
14.根据权利要求12所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：自起始涂布位置左方的第一距离内还包括浆料滚轮与集流体滚轮的转动速度比逐渐减小的过程，所述第一距离大于或等于1mm。
15.根据权利要求11所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述步骤（1）包括增大浆料滚轮与集流体滚轮之间的脱离距离的过程。
16.根据权利要求11所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述步骤（3）中浆料滚轮与集流体滚轮的转动速度比小于1。
17.根据权利要求16所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述结束材料层包括结束涂布位置，所述浆料滚轮与集流体滚轮于结束涂布位置的转动速度比为0.5~0.9。
18.根据权利要求17所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述步骤（3）中浆料滚轮与集流体滚轮的转动速度比是逐渐减小的。
19.根据权利要求16所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述结束材料层映射在水平方向的距离为第二距离，所述第二距离大于或等于1mm。
20.根据权利要求11所述的电池极片的涂布方法，其特征在于：所述步骤（3）包括增大浆料滚轮与集流体滚轮之间的脱离距离的过程。
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