CN104134780A - 一种锂离子电池极片及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池极片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池极片及其制备方法，属于电池极片领域。该锂离子电池极片包括：集流体和涂覆在所述集流体的表面的活性材料层，由于该集流体的表面为粗糙度为0.3-3.5微米的粗糙表面，增强了活性材料层与集流体的结合效果，遏制了活性材料从集流体上脱落，利于提高锂离子电池的循环稳定系。

Description

一种锂离子电池极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池极片领域，特别涉及一种锂离子电池极片及其制备方法。
背景技术
锂离子电池极片分为正极片和负极片，其作为锂电池的核心部件，通常由集流体和涂覆在集流体表面的活性材料层构成。集流体通常选自表面光滑的铝箔(正极片)或铜箔(负极片)，而活性材料层通常包括电极材料(正极材料或负极材料)、导电剂、粘结剂和稀释剂等。通过将活性材料层内的各成分混合成浆料，以喷墨、挤压、印刷转印等方式将该浆料涂覆在集流体上，通过烘烤使浆料固化后，利用辊压将该固化的浆料压实，即可制备得到电池极片。
然而在锂离子电池的循环过程中，随着锂离子在电极材料中不断地嵌入和脱出，电极材料的体积将不断地膨胀收缩，使得其塌陷或分化。即电极材料与集流体的结合越来越差，易从集流体上脱落，从而造成锂离子电池的循环稳定性急剧下降。举例来说，硅基负极材料是一种高比容量的硅基负极材料，然而它应用于锂离子电池中，虽然能提高电池的比容量，然而由于其具有较大的体积效应，体积变化率高于300％，对于锂离子电池的循环稳定性极为不利。
为了缓冲电极材料的体积效应，提高锂离子电池的循环稳定性，现有技术将主要的研究放在如何改善电极材料的结构方面。举例来说，CN 102593418 A通过将碳与硅进行复合制备得到具有空隙的碳包覆硅的复合负极材料，使具有相对弹性结构的碳及该空隙来缓冲硅的体积效应，提高硅的循环性能，进而提高锂离子电池的循环稳定性。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有技术没有关于如何改善电池极片的结构，以提高锂离子电池的循环稳定性方面的研究。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种能够提高锂离子电池循环稳定性的电池极片及其制备方法。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池极片，包括：集流体和涂覆在所述集流体的表面的活性材料层，其特征在于，所述集流体的表面为粗糙表面，所述集流体的表面的粗糙度为0.3-3.5微米。
进一步地，所述电池极片为负极片。
进一步地，所述活性材料层包括硅基负极材料。
具体地，所述集流体为铜箔。
进一步地，所述电池极片还包括缓冲层，所述缓冲层涂覆在所述活性材料层的表面，所述缓冲层包括：石墨、导电剂和粘结剂。
具体地，按重量份计，所述缓冲层包括：94-96份石墨、1-3份导电剂和1-3份粘结剂。
具体地，所述缓冲层的厚度为5-20微米。
第二方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池，包括本发明实施例提供的锂离子电池极片。
第三方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池极片的制备方法，包括：
步骤a、将电极材料、导电剂、粘结剂与弱酸混合均匀，配制成浆料；
步骤b、将所述浆料涂覆在集流体的表面，固化处理，得到涂覆有活性材料层的集流体；
步骤c、对所述涂覆有活性材料层的集流体进行压实处理，得到所述锂离子电池极片；
所述弱酸的量以使腐蚀所述集流体，并使所述集流体的表面的粗糙度为0.3-3.5微米为宜。
进一步地，所述电极材料为硅基负极材料。
具体地，所述步骤b中，未涂覆活性材料层之前的集流体选自表面光滑的铜箔。
进一步地，所述方法还包括：在所述步骤b之后，以及所述步骤c之前，在所述活性材料层的表面涂覆一层缓冲层，所述缓冲层包括：石墨、导电剂和粘结剂。
具体地，按重量份计，所述缓冲层包括：94-96份石墨、1-3份导电剂和1-3份粘结剂。
具体地，所述步骤a为：按重量份计，将94-96份电极材料、1-3份导电剂、1-3份粘结剂和0.1-2份弱酸混合均匀，配制成所述浆料。
具体地，所述步骤b为：将所述浆料涂覆在所述集流体的表面，使所述集流体的表面的粗糙度为0.3-3.5微米，固化处理，得到涂覆有活性材料层的集流体。
进一步地，所述步骤b为：将所述浆料涂覆在表面光滑的铜箔的表面，使所述铜箔的表面的粗糙度为0.3-3.5微米，固化处理，得到涂覆有活性材料层的铜箔。
作为优选，所述压实处理选自辊压。
具体地，所述弱酸为草酸、乙酸、甲酸和丙烯酸中的至少一种。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的锂离子电池极片，包括：集流体和涂覆在所述集流体的表面的活性材料层，由于该集流体的表面为粗糙度为0.3-3.5微米的粗糙表面，增强了活性材料层与集流体的结合效果，遏制了活性材料从集流体上脱落，利于提高锂离子电池的循环稳定系。
本发明实施例还提供了一种锂离子电池极片的制备方法，通过将电极材料、导电剂、粘结剂与弱酸混合均匀，配制成浆料；并将该浆料涂覆在集流体的表面，使其中的弱酸腐蚀集流体的表面，使集流体的表面的粗糙度为0.3-3.5微米后，进行固化及压实处理，得到所述锂离子电池极片。该方法简单，易操作，便于规模化工业应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的锂离子电池极片的制备方法流程图；
图2是本发明又一实施例提供的锂离子电池极片的制备方法流程图；
图3是本发明实施例1提供的锂离子电池的循环稳定性能测试图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池极片，包括：集流体和涂覆在所述集流体的表面的活性材料层，所述集流体的表面为粗糙表面，所述集流体的表面的粗糙度为0.3-3.5微米。
其中，上述电池极片可以是正极片，也可以是负极片。
本发明实施例提供的锂离子电池极片中，由于集流体的表面为粗糙度为0.3-3.5微米的粗糙表面，增强了活性材料层与集流体的结合效果，遏制了活性材料从集流体上脱落，利于提高锂离子电池的循环稳定系。其中，将集流体的表面的粗糙度限定为0.3-3.5微米，其目的是一方面保证提高活性材料层与集流体之间结合强度，另一方面要保证集流体的粗糙度不至于过大以影响电池的电化学性能。
可以理解的是，本发明实施例提供的电池极片中的活性材料层至少包括：电极材料(例如正极活性材料或负极活性材料)、导电剂、粘结剂，以及可选的稀释剂。上述电极材料、导电剂、粘结剂，以及可选的稀释剂均匀本领域常见的材料，根据实际的锂离子电池需求，本领域技术人员可以在能实现的范围内任意地选择上述各成分，本发明在此对上述各种成分不作具体限定。举例来说，正极活性材料可以选自含锂的化合物；负极活性材料可以选自碳质材料；导电剂可以选自炭黑、乙炔黑、碳纳米管、气相生长碳纤维或者石墨烯等；粘结剂可以选自水性的CMC+SBR(即羧甲基纤维素钠+丁苯橡胶)或者聚丙烯酸体系。
进一步地，上述电池极片为负极片。
进一步地，基于电池极片为负极片，活性材料层中的活性材料选自负极活性材料。更具体地，该负极活性材料为硅基负极材料，可以理解的是，该硅基负极材料是本领域技术人员可以预想到的，例如，该硅基负极材料可以为硅-碳复合物或者硅合金。而相应地，集流体可以选自铜箔。
由于电池极片选用了硅基负极材料作为活性材料，而硅基负极材料中的硅的体积效应较大，不利于提高电池循环性能。为了缓冲硅基材料的体积效应，本发明实施例的电池极片中还包括一层含有石墨、导电剂和粘结剂的缓冲层。由于该缓冲层涂覆在活性材料层的表面，当含有硅基负极材料的活性材料层因嵌锂其体积膨胀时，石墨层可吸收体积膨胀所产生的应力；当其因脱锂体积缩小时，石墨层将吸收的应力释放出来，保证了活性材料层不会产生粉化和脱落，有效缓冲了硅基负极材料的体积效应。此外，由于石墨的电子导电性比硅基负极材料的电子导电性要高，从而提高了该负极极片的导电性，降低该负极极片的极化，利于形成良好的SEI膜，进一步有效改善了电池的循环性能。
具体地，为了达到更好的导电及缓冲效果，按重量份计，该缓冲层包括：94-96份石墨、1-3份导电剂和1-3份粘结剂。
进一步地，为了使缓冲层有效缓冲硅基负极材料的体积效应并提高负极极片的导电性，且保证负极极片的高比容量，本发明实施例中，缓冲层的厚度为5-20微米，优选10-20微米。
可见，本发明实施例提供了这样一种优选的负极极片，包括：带有粗糙度为0.3-3.5微米的粗糙表面的铜箔、涂覆在该铜箔的粗糙表面上的含有硅基负极材料的活性材料层、以及涂覆在该活性材料层表面的含有石墨的缓冲层。该负极极片不仅能有效遏制活性材料层从铜箔上脱落，还具有高导电性和高比容量，对于提高锂离子电池的循环稳定性及倍率性能具有重要的意义。
第二方面，通过利用本发明实施例提供的电池极片来制备锂离子电池，来有效提高电池的循环稳定性。举例来说，根据实际地电极材料，该锂离子电池的正极极片和负极极片可以全部选择或者任一地选择本发明实施例提供的电池极片。
第三方面，本发明实施例提供了一种锂离子电池极片的制备方法，附图1为该制备方法的流程图。如附图1所示，该方法包括：
步骤101、将电极材料、导电剂、粘结剂与弱酸混合均匀，配制成浆料。
步骤102、将该浆料涂覆在集流体的表面，固化处理，得到涂覆有活性材料层的集流体。
步骤103、对该涂覆有活性材料层的集流体进行压实处理，得到锂离子电池极片。
其中，步骤101中的弱酸的量以能够腐蚀所述集流体，并使所述集流体的表面的粗糙度为0.3-3.5微米为宜。
本发明实施例提供的方法，利用弱酸来轻微腐蚀集流体的表面，使集流体的表面的粗糙度为0.3-3.5微米，以利于与活性材料层的结合。该方法简单，易操作，便于规模化工业应用。
进一步地，本发明实施例提供了一种优选的锂离子电池极片的制备方法，附图2为该制备方法的流程图。如附图2所示，该方法包括：
步骤201、按重量份计，将94-96份硅基负极材料、1-3份导电剂、1-3份粘结剂和0.1-2份弱酸混合均匀，配制成第一浆料。
其中，导电剂、粘结剂均为本领域常见材料。具体地，为了防止将铜箔蚀透，本发明实施例将弱酸限定为草酸、乙酸、甲酸和丙烯酸中的至少一种。
步骤202、将该浆料涂覆在表面光滑的铜箔的表面，使该铜箔的表面的粗糙度为0.3-3.5微米，固化处理，得到涂覆有活性材料层的铜箔。
其中，该固化处理为本领域常规手段，例如，可以通过烘干或晾干等方式实现该固化处理。可以理解的是，本发明实施例中，所有的“固化处理”均具有相同的含义。
同样地，该涂覆也为本领域常规手段，例如，可以通过喷涂、刷涂或浸渍等方式实现该涂覆。可以理解的是，本发明实施例中，所有的“涂覆”均具有相同的含义。
步骤203、按重量份计，将94-96份石墨、1-3份导电剂和1-3份粘结剂混合均匀，配制成第二浆料，将该第二浆料涂覆在活性材料层的表面，固化处理，形成5-20微米厚度的缓冲层，得到涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔。
步骤204、对该涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔进行辊压处理，得到锂离子电池极片。
为了使活性材料层和缓冲层牢固地结合在铜箔上，本发明实施例对涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔进行辊压处理，以得到期望的锂离子电池极片。
以下将通过具体的实施例来详细说明本发明。
以下实施例中，硅碳材料购自天津通耘和国际贸易有限公司，型号为GMP。导电剂选自粒度为5纳米的炭黑，购自上海腾民实业有限公司。粘结剂选自LA132水性粘结剂，购自成都茵地乐电源科技有限公司。石墨购自青岛南墅宏达石墨制品有限公司，粒径为0.15毫米。
实施例1
按重量份计，将94份硅碳材料、3份导电剂、3份粘结剂混合均匀。然后向其中加入2份草酸，再次搅拌均匀，得到第一浆料。将所制备的第一浆料均匀地涂敷在表面光滑的铜箔的表面，使该铜箔的表面的粗糙度为1.0微米，固化处理，得到涂敷有活性材料层的铜箔。
按重量份计，将94份石墨、3份导电剂和3份粘结剂混合均匀，配制成第二浆料，将该第二浆料涂敷在所得到的活性材料层表面，形成缓冲层，并使该缓冲层的厚度为10微米，得到涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔。对该涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔进行辊压处理，得到本实施例期望的锂离子电池极片。
利用本实施例提供的电池极片，依次经过辊压、卷绕、入壳、注液、化成、分容等常规工艺制备锂离子电池，其中该电池的正极活性材料选自镍锰钴酸锂(购自新乡天力能源材料有限公司，型号TL424)，电解液为1.0mol/L LiPF6的EC(乙基碳酸酯)+DMC(二甲基碳酸酯)(体积比3：7)溶液，隔膜为celgard2325膜。
在充放电电压区间为3-4.2V的条件下，对所制备的锂离子电池的充放电循环性能进行测试，附图3为该电池的循环稳定性能测试图。如附图3所示，本实施例所制备的电池经过200次循环后，其容量保持率为91％。可见，利用本实施例提供的电池极片制备的锂离子电池的循环稳定性优良。
实施例2
按重量份计，将96份硅碳材料、2份导电剂、2份粘结剂混合均匀。然后向其中加入2份甲酸，再次搅拌均匀，得到第一浆料。将所制备的第一浆料均匀地涂敷在表面光滑的铜箔的表面，使该铜箔的表面的粗糙度为1.5微米，固化处理，得到涂敷有活性材料层的铜箔。
按重量份计，将95份石墨、3份导电剂和2份粘结剂混合均匀，配制成第二浆料，将该第二浆料涂敷在所得到的活性材料层表面，形成缓冲层，并使该缓冲层的厚度为20微米，得到涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔。对该涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔进行辊压处理，得到本实施例期望的锂离子电池极片。
利用本实施例提供的电池极片制备锂离子电池，其中该电池的制备工艺与实施例1相同。在充放电电压区间为3-4.2V的条件下，对所制备的锂离子电池的充放电循环性能进行测试，结果显示本实施例所制备的电池经过200次循环后，其容量保持率为89.6％。可见，利用本实施例提供的电池极片制备的锂离子电池的循环稳定性优良。
实施例3
按重量份计，将96份硅碳材料、3份导电剂、1份粘结剂混合均匀。然后向其中加入0.1份甲酸，再次搅拌均匀，得到第一浆料。将所制备的第一浆料均匀地涂敷在表面光滑的铜箔的表面，使该铜箔的表面的粗糙度为0.3微米，固化处理，得到涂敷有活性材料层的铜箔。
按重量份计，将96份石墨、3份导电剂和1份粘结剂混合均匀，配制成第二浆料，将该第二浆料涂敷在所得到的活性材料层表面，形成缓冲层，并使该缓冲层的厚度为5微米，得到涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔。对该涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔进行辊压处理，得到本实施例期望的锂离子电池极片。
利用本实施例提供的电池极片制备锂离子电池，其中该电池的制备工艺与实施例1相同。在充放电电压区间为3-4.2V的条件下，对所制备的锂离子电池的充放电循环性能进行测试，结果显示所本实施例制备的电池经过200次循环后，其容量保持率为92.3％。可见，利用本实施例提供的电池极片制备的锂离子电池的循环稳定性优良。
实施例4
按重量份计，将96份硅碳材料、1份导电剂、3份粘结剂混合均匀。然后向其中加入1份乙酸，再次搅拌均匀，得到第一浆料。将所制备的第一浆料均匀地涂敷在表面光滑的铜箔的表面，使该铜箔的表面的粗糙度为0.8微米，固化处理，得到涂敷有活性材料层的铜箔。
按重量份计，将96份石墨、1份导电剂和3份粘结剂混合均匀，配制成第二浆料，将该第二浆料涂敷在所得到的活性材料层表面，形成缓冲层，并使该缓冲层的厚度为15微米，得到涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔。对该涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔进行辊压处理，得到本实施例期望的锂离子电池极片。
利用本实施例提供的电池极片制备锂离子电池，其中该电池的制备工艺与实施例1相同。在充放电电压区间为3-4.2V的条件下，对所制备的锂离子电池的充放电循环性能进行测试，结果显示所本实施例制备的电池经过200次循环后，其容量保持率为91.8％。可见，利用本实施例提供的电池极片制备的锂离子电池的循环稳定性优良。
实施例5
按重量份计，将95份硅碳材料、3份导电剂、2份粘结剂混合均匀。然后向其中加入1.5份乙酸，再次搅拌均匀，得到第一浆料。将所制备的第一浆料均匀地涂敷在表面光滑的铜箔的表面，使该铜箔的表面的粗糙度为0.96微米，固化处理，得到涂敷有活性材料层的铜箔。
按重量份计，将95份石墨、2份导电剂和3份粘结剂混合均匀，配制成第二浆料，将该第二浆料涂敷在所得到的活性材料层表面，形成缓冲层，并使该缓冲层的厚度为18微米，得到涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔。对该涂覆有活性材料层和缓冲层的铜箔进行辊压处理，得到本实施例期望的锂离子电池极片。
利用本实施例提供的电池极片制备锂离子电池，其中该电池的制备工艺与实施例1相同。在充放电电压区间为3-4.2V的条件下，对所制备的锂离子电池的充放电循环性能进行测试，结果显示所本实施例制备的电池经过200次循环后，其容量保持率为92.2％。可见，利用本实施例提供的电池极片制备的锂离子电池的循环稳定性优良。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池极片，包括：集流体和涂覆在所述集流体的表面的活性材料层，其特征在于，所述集流体的表面为粗糙表面，所述集流体的表面的粗糙度为0.3-3.5微米。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述电池极片为负极片；所述活性材料层包括硅基负极材料；所述集流体为铜箔。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述电池极片还包括缓冲层，所述缓冲层涂覆在所述活性材料层的表面，按重量份计，所述缓冲层包括：94-96份石墨、1-3份导电剂和1-3份粘结剂。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述缓冲层的厚度为5-20微米。
5.一种权利要求1-4任一项所述的锂离子电池极片的制备方法，包括：
步骤a、将电极材料、导电剂、粘结剂与弱酸混合均匀，配制成浆料；
步骤b、将所述浆料涂覆在集流体的表面，固化处理，得到涂覆有活性材料层的集流体；
步骤c、对所述涂覆有活性材料层的集流体进行压实处理，得到所述锂离子电池极片；
所述弱酸的量以能够腐蚀所述集流体，并使所述集流体的表面的粗糙度为0.3-3.5微米为宜。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述步骤b之后，以及所述步骤c之前，在所述活性材料层的表面涂覆一层缓冲层，按重量份计，所述缓冲层包括：94-96份石墨、1-3份导电剂和1-3份粘结剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤a为：按重量份计，将94-96份电极材料、1-3份导电剂、1-3份粘结剂和0.1-2份弱酸混合均匀，配制成所述浆料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤b为：将所述浆料涂覆在所述集流体的表面，使所述集流体的表面的粗糙度为0.3-3.5微米，固化处理，得到涂覆有活性材料层的集流体。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤c中，所述压实处理选自辊压。
10.根据权利要求5-9任一项所述的方法，其特征在于，所述弱酸为草酸、乙酸、甲酸和丙烯酸中的至少一种。
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