CN104157880B - 一种导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法 - Google Patents

一种导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其包括以下步骤：S1：以导电金属陶瓷粉末、成膜助剂和粘结剂作为原料，水作为分散剂，混合得到导电金属陶瓷浆料A；S2：将所述浆料A以喷雾干燥的方式制备颗粒大小均一的导电金属陶瓷粉末B；S3：分别用丙酮、乙醇与去离子水对正极集流体或负极集流体进行超声清洗；S4：以所述导电金属陶瓷粉末B为原料，采用大气等离子喷涂技术将所述金属陶瓷粉末B均匀喷涂在经步骤S3清洗过的正极集流体或负极集流体表面，所述正极集流体或负极集流体表面形成一层导电金属陶瓷涂层C。

Description

一种导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池制造技术领域，特别是一种导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法。
背景技术
锂离子电池作为新一代绿色可充电电源，具有能量密度大，工作电压高，循环性能好等优点。正逐渐取代镍/氢、镍/镉等电池在电动汽车，混合动力汽车，电动工具，3C产品以及储能等领域有着广泛的应用前景，同时也能够为现代军事装备如通信系统，航空航天等提供可靠的二次电源。因此发展环境适应性好，使用寿命长，能量密度高，安全性能好的锂电池成为研究的重点。
集流体作为锂电池重要的组成部分，在电池中起到收集电流，提供电子通道，加快电荷转移，形成电流对外输出等作用；直接影响到电池整体性能。作为锂电池集流体需要其具备导电导热性能好，质量轻，机械强度高，内阻小，成本低等特点，同时也要求集流体具备优秀的化学稳定性。
传统的锂电池极片制备工艺是将活性物质通过粘接剂均匀的涂布在铝箔(正极集流体)或铜箔(负极集流体)表面，然而粘接剂的用量却对电池性能产生矛盾的影响，用量太少时会使得活性物质与集流体粘接不牢固，在加工和充放电过程中容易发生溶胀或掉粉，致使电池循环性能的寿命降低；粘接剂用量过高则会增加极片电阻，造成电池内阻过大，明显降低电池性能。
同时，集流体在使用过程中还面临电解液分解产物侵蚀的挑战，腐蚀形成的金属离子不仅会攻击活性物质，造成内阻增大，而且溶解在电解液中会造成自放电速率变慢，还会在负极表面还原沉积消耗Li+，这些都会造成较严重的容量衰减，致使电池循环寿命降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其包括以下步骤：
S1：导电金属陶瓷浆料制备：以导电金属陶瓷粉末、成膜助剂和粘结剂作为原料，水作为分散剂，混合得到导电金属陶瓷浆料A；
S2：导电金属陶瓷粉末制备：将所述浆料A以喷雾干燥的方式制备颗粒大小均一的导电金属陶瓷粉末B；
S3：锂电池集流体金属表面清洁处理：分别用丙酮、乙醇与去离子水对正极集流体或负极集流体进行超声清洗；
S4：等离子喷涂：以所述导电金属陶瓷粉末B为原料，采用大气等离子喷涂技术将所述金属陶瓷粉末B均匀喷涂在经步骤S3清洗过的正极集流体或负极集流体表面，所述正极集流体或负极集流体表面形成一层导电金属陶瓷涂层C。
较佳地，所述步骤S1中对所述导电金属陶瓷粉末、成膜助剂和粘结剂与水的混合过程为：
使用行星式球磨机以400r/min的转速混合4h得到导电金属陶瓷浆料A。
较佳地，所述步骤S2中采用喷雾干燥塔进行喷雾干燥，所述喷雾干燥的进气温度250℃，出气温度120℃，进料量25mL/min。
较佳地，所述导电金属陶瓷粉末包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、氮化钛、氮化铬中的一种或多种。
较佳地，所述成膜助剂包括镍粉，铁粉，铝粉中的一种或几种，所述成膜助剂含量为0.1-3％。
较佳地，所述粘接剂包括聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚丙烯酸中的一种或几种，所述粘接剂含量为1-3％。
较佳地，喷雾干燥后导电金属陶瓷粉末粒径大小为4-9μm。
较佳地，所述等离子喷涂参数：主气Ar流速35-70L/min，辅气H2流速3-10L/min，喷涂距离100-150mm，喷枪移动速率130-190mm/s，送粉率25-45g/min。
较佳地，所述导电金属陶瓷涂层C厚度为0.5～1.5μm。
本发明具有以下有益效果：
采用本发明提供的工艺处理的以导电金属陶瓷涂层修饰的铝箔(正极集流体)和铜箔(负极集流体)，作为集流体应用于锂电池中，在保证其导电性能的前提下，不仅与活性物质结合力强，能够增加活性物质剥离强度，减少极片制备时粘结剂的用量，降低其接触内阻，可以改善现有技术中电池极片在长期循环过程中造成的溶胀，掉粉现象，也能够增加电池循环使用寿命和倍率性能。而且导电金属陶瓷涂层本身优秀的耐蚀性也能够有效阻挡有机电解液中分解产物对集流体金属的侵蚀。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明进行较为详细的说明。
实施例1
S1：导电金属陶瓷浆料制备：碳化钨粉末中加入0.1％镍粉(质量比)，加入1％聚乙烯醇(质量比)为粘结剂，以水为分散剂，使用行星式球磨机以400r/min的转速混合4h得到导电金属陶瓷浆；
S2：导电金属陶瓷粉末制备：通过蠕动泵将浆料泵入喷雾干燥塔制备颗粒大小为4μm左右的导电金属陶瓷粉末，通过控制喷雾干燥塔的以下参数来实现导电金属陶瓷粉末的制备：进气温度250℃，出气温度120℃，进料量25mL/min；
S3：锂电池集流体金属表面清洁处理：分别用丙酮、乙醇和去离子水对锂电池正极(铝箔)集流体金属进行超声清洗各一次；
S4：等离子喷涂：采用大气等离子喷涂技术将金属陶瓷粉末均匀喷涂在经表面清洁处理的铝箔表面，通过控制以下参数实现：主气Ar流速35L/min，辅气H2流速3L/min，喷涂距离100mm，喷枪移动速率130mm/s，送粉率25g/min，即可在其表面形成一层厚度为0.5μm的导电金属陶瓷涂层。
实施例2
S1：导电金属陶瓷浆料制备：碳化钛粉末中加入0.1％铝粉(质量比)，加入1％聚四氟乙烯(质量比)为粘结剂，以水为分散剂，使用行星式球磨机以400r/min的转速混合4h得到导电金属陶瓷浆；
S2：导电金属陶瓷粉末制备：通过蠕动泵将浆料泵入喷雾干燥塔制备颗粒大小为4μm左右的导电金属陶瓷粉末，通过控制以下参数来实现：进气温度250℃，出气温度120℃，进料量25mL/min；
S3：锂电池集流体金属表面清洁处理：分别用丙酮、乙醇和去离子水对锂电池负极(铜箔)集流体金属进行超声清洗各一次；
S4：等离子喷涂：采用大气等离子喷涂技术将金属陶瓷粉末均匀喷涂在经表面清洁处理的铜箔表面，通过控制以下参数实现：主气Ar流速35L/min，辅气H2流速3L/min，喷涂距离100mm，喷枪移动速率130mm/s，送粉率25g/min，即可在其表面形成一层厚度为0.5μm的导电金属陶瓷涂层。
实施例3
S1：导电金属陶瓷浆料制备：碳化铬粉末中加入2％铁粉(质量比)，加入2％聚丙烯酸(质量比)为粘结剂，以水为分散剂，使用行星式球磨机以400r/min的转速混合4h得到导电金属陶瓷浆；
通过蠕动泵将浆料泵入喷雾干燥塔制备颗粒大小为7μm左右的导电金属陶瓷粉末，通过控制以下参数来实现：进气温度250℃，出气温度120℃，进料量25mL/min；
S2：导电金属陶瓷粉末制备：通过蠕动泵将浆料泵入喷雾干燥塔制备颗粒大小为4μm左右的导电金属陶瓷粉末，通过控制以下参数来实现：进气温度250℃，出气温度120℃，进料量25mL/min；
S3：锂电池集流体金属表面清洁处理：分别用丙酮、乙醇和去离子水对锂电池正极(铝箔)集流体金属进行超声清洗各一次；
S4：等离子喷涂：采用大气等离子喷涂技术将金属陶瓷粉末均匀喷涂在经表面清洁处理的铝箔表面，通过控制以下参数实现：主气Ar流速50L/min，辅气H2流速7L/min，喷涂距离130mm，喷枪移动速率170mm/s，送粉率35g/min，即可在其表面形成一层厚度为1μm的导电金属陶瓷涂层。
实施例4
S1：导电金属陶瓷浆料制备：氮化钛粉末中加入2％镍粉(质量比)，加入2％聚乙烯醇(质量比)为粘结剂，以水为分散剂，使用行星式球磨机以400r/min的转速混合4h得到导电金属陶瓷浆；
S2：导电金属陶瓷粉末制备：通过蠕动泵将浆料泵入喷雾干燥塔制备颗粒大小为7μm左右的导电金属陶瓷粉末，通过控制以下参数来实现：进气温度250℃，出气温度120℃，进料量25mL/min；
S3：锂电池集流体金属表面清洁处理：分别用丙酮、乙醇和去离子水对锂电池负极(铜箔)集流体金属进行超声清洗各一次；
S4：等离子喷涂：采用大气等离子喷涂技术将金属陶瓷粉末均匀喷涂在经表面清洁处理的铜箔表面，通过控制以下参数实现：主气Ar流速50L/min，辅气H2流速7L/min，喷涂距离130mm，喷枪移动速率170mm/s，送粉率35g/min，即可在其表面形成一层厚度为1μm的导电金属陶瓷涂层。
实施例5
S1：导电金属陶瓷浆料制备：氮化铬粉末中加入3％镍粉(质量比)，加入3％聚乙烯醇(质量比)为粘结剂，以水为分散剂，使用行星式球磨机以400r/min的转速混合4h得到导电金属陶瓷浆；
S2：导电金属陶瓷粉末制备：通过蠕动泵将浆料泵入喷雾干燥塔制备颗粒大小为9μm左右的导电金属陶瓷粉末，通过控制以下参数来实现：进气温度250℃，出气温度120℃，进料量25mL/min；
S3：锂电池集流体金属表面清洁处理：分别用丙酮、乙醇和去离子水对锂电池正极(铝箔)集流体金属进行超声清洗各一次；
S4：等离子喷涂：采用大气等离子喷涂技术将金属陶瓷粉末均匀喷涂在经表面清洁处理的铝箔表面，通过控制以下参数实现：主气Ar流速70L/min，辅气H2流速10L/min，喷涂距离150mm，喷枪移动速率190mm/s，送粉率45g/min，即可在其表面形成一层厚度为1.5μm的导电金属陶瓷涂层。
实施例6
S1：导电金属陶瓷浆料制备：碳化钛粉末中加入3％铁粉(质量比)，加入3％聚丙烯酸(质量比)为粘结剂，以水为分散剂，使用行星式球磨机以400r/min的转速混合4h得到导电金属陶瓷浆；
S2：导电金属陶瓷粉末制备：通过蠕动泵将浆料泵入喷雾干燥塔制备颗粒大小为9μm左右的导电金属陶瓷粉末，通过控制以下参数来实现：进气温度250℃，出气温度120℃，进料量25mL/min；
S3：锂电池集流体金属表面清洁处理：分别用丙酮、乙醇和去离子水对锂电池负极(铜箔)集流体金属进行超声清洗各一次；
S4：等离子喷涂：采用大气等离子喷涂技术将金属陶瓷粉末均匀喷涂在经表面清洁处理的铜箔表面，通过控制以下参数实现：主气Ar流速70L/min，辅气H2流速10L/min，喷涂距离150mm，喷枪移动速率190mm/s，送粉率45g/min，即可在其表面形成一层厚度为1.5μm的导电金属陶瓷涂层。
以下为各个实施例与现有技术做的剥离强度与电阻率对比试验：
①、按照91:4.5:4.5的比例混合正极活性物质(磷酸铁锂)，粘接剂(聚偏氟乙烯PVDF)和导电剂(SP)制成正极浆料，分别涂布于实施例1、实施例3、实施例5处理的铝箔及未处理铝箔表面，经80℃烘烤1h得到正极极片，对正极极片进行剥离实验并测试极片电阻率，如表1所示。
表1不同正极极片剥离强度与电阻率
通过表1可以看出：经过本发明处理的锂电池正极集流体能够增强正极极片剥离强度，同时降低其内阻。
②、按照93:4:3的比例混合负极活性物质(石墨)，粘接剂(丁苯橡胶SBR)和导电剂(SP)制成负极浆料，分别涂布于实施例2、实施例4、实施例6处理的铜箔及未处理铜箔表面，经80℃烘烤1h得到负极极片，对负极极片进行剥离实验并测试极片电阻率，如表2所示。
表2不同负极极片剥离强度与电阻率
通过表2可以看出：经过本发明处理的锂电池负极集流体能够增强负极极片剥离强度，同时降低其内阻。
从上述各实施例可以看出采用本发明提供的工艺处理的以导电金属陶瓷涂层修饰的铝箔(正极集流体)和铜箔(负极集流体)，作为集流体应用于锂电池中，在保证其导电性能的前提下，不仅与活性物质结合力强，能够增加活性物质剥离强度，减少极片制备时粘结剂的用量，降低其接触内阻，可以改善现有技术中电池极片在长期循环过程中造成的溶胀，掉粉现象，也能够增加电池循环使用寿命和倍率性能。而且导电金属陶瓷涂层本身优秀的耐蚀性也能够有效阻挡有机电解液中分解产物对集流体金属的侵蚀。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：导电金属陶瓷浆料制备：以导电金属陶瓷粉末、成膜助剂和粘结剂作为原料，水作为分散剂，混合得到导电金属陶瓷浆料A；
S2：导电金属陶瓷粉末制备：将所述浆料A以喷雾干燥的方式制备颗粒大小均一的导电金属陶瓷粉末B；
S3：锂离子电池集流体金属表面清洁处理：分别用丙酮、乙醇与去离子水对正极集流体或负极集流体进行超声清洗；
S4：等离子喷涂：以所述导电金属陶瓷粉末B为原料，采用大气等离子喷涂技术将所述金属陶瓷粉末B均匀喷涂在经步骤S3清洗过的正极集流体或负极集流体表面，所述正极集流体或负极集流体表面形成一层导电金属陶瓷涂层C。
2.如权利要求1所述的导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其特征在于，所述步骤S1中对所述导电金属陶瓷粉末、成膜助剂和粘结剂与水的混合过程为：
使用行星式球磨机以400r/min的转速混合4h得到导电金属陶瓷浆料A。
3.如权利要求1所述的导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其特征在于，所述步骤S2中采用喷雾干燥塔进行喷雾干燥，所述喷雾干燥的进气温度250℃，出气温度120℃，进料量25mL/min。
4.如权利要求1所述的导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其特征在于，所述导电金属陶瓷粉末包括碳化钨、碳化钛、碳化铬、氮化钛、氮化铬中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其特征在于，所述成膜助剂包括镍粉、铁粉、铝粉中的一种或几种，所述成膜助剂含量为0.1-3wt％。
6.如权利要求1所述的导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其特征在于，所述粘接剂包括聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚丙烯酸中的一种或几种，所述粘接剂含量为1-3wt％。
7.如权利要求1所述的导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其特征在于，喷雾干燥后导电金属陶瓷粉末粒径大小为4-9μm。
8.如权利要求1所述的导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其特征在于，所述等离子喷涂参数：主气Ar流速35-70L/min，辅气H2流速3-10L/min，喷涂距离100-150mm，喷枪移动速率130-190mm/s，送粉率25-45g/min。
9.如权利要求1所述的导电金属陶瓷修饰锂离子电池集流体的方法，其特征在于，所述导电金属陶瓷涂层C厚度为0.5～1.5μm。
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