CN104409696B - 使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法 - Google Patents

使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法。本发明改进了改性水性粘结剂的制备，再将改性水性粘结剂与去离子水混合，搅拌后加入导电剂，再搅拌后加入磷酸铁锂干粉和去离子水，得到浆料，最后将浆料涂覆于涂炭导电铝箔集流体表面，得到成品。本发明不仅无毒无害、环保安全，价格也较为低廉，而且本发明降低了电池的内阻，同时提升了电池能量密度、倍率放电性能。

Description

使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极 极片的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池正极电极片的制备方法，尤其是磷酸铁锂电池正极极片的制备方法，特别是使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法。
背景技术
随着人们生活水平的提升，对城市环境不断提高，加上国内资源紧缺，新能源纯电动汽车及油电混合动力汽车成为公共交通工具的首选。
目前，锂离子电池正极极片的制备方法大部分采用PVDF(聚偏氟乙烯)粘结剂，NMP(N-甲基吡烷酮)为溶剂，加其他导电剂及活性物质溶解PVDF；溶胶后将活性物质粉料分散在胶液中，再将胶液涂覆在铝片表面制得。但是，采用NMP+PVDF体系制作电极，成本较高，且NMP有毒性，制作极片时会有NMP气体挥发到空气中，对操作工身体危害较大。另一方面，虽然现有的制备方法采用了NMP回收系统，但是不能做到百分之百回收，因此导致锂离子电池成本居高不下，成为新能源电动汽车产业发展的瓶颈。
针对上述问题，本行业内开始研发采用壳聚糖及其衍生物制备锂离子电池的水系粘结剂，并用该粘结剂与磷酸铁锂粉体混合制成正极浆料，最后涂覆于铝箔制得正极极片成品。如公开号为102760883A公开的中国专利，其公开了一种锂离子电池电极材料用粘结剂。然而，现有的水性粘结剂虽然具有成本低廉，环保安全的特点，但是由于该技术在水系粘结剂制备方法以及将该水系粘结剂制备极片的方法不够成熟，导致制得的锂离子电池在充放电次数、电池内阻等方面性能并不理想。
此外，由于磷酸铁锂电池具有良好的循环性和安全性能，目前电动汽车使用的主流电池为磷酸铁锂动力电池。但是磷酸铁锂动力电池的大规模商业化应用还受到成本高的限制，其循环使用的寿命还需要提高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法。本发明不仅无毒无害、环保安全，价格也较为低廉，而且本发明降低了电池的内阻，同时提升了电池能量密度、倍率放电性能。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法，该方法所用的磷酸铁锂正极片使用涂炭导电铝箔集流体，粘结剂使用水性粘结剂。
该制备方法包括以下步骤；
(1)改性水性粘结剂的制备；按质量份将35-45份壳聚糖、15-25份聚环氧乙烷、15-25份水性粘结剂、5-15份羧甲基纤维素钠和5-15份聚氨基甲酸酯充分混合后制得改性水性粘结剂；
(2)将3-5份改性水性粘结剂和70-90份去离子水混合，在自转1000-1500转/分钟和公转15-20转/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌20-30分钟；得到A品；
(3)向A品中加入A品质量2％-3％的导电剂，搅拌至导电剂充分润湿后，再在自转2500-3000转/分钟和公转60-70转/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌180-240min；得到B品；
(4)向1-5份B品中加入92-95份磷酸铁锂干粉和15-25份去离子水混合，再在自转2500-3000转/分钟和公转60-80转/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌180-240min；得到C品；
(5)将C品用150-200目的筛网过滤，将过滤得到的浆料涂覆于涂炭导电铝箔集流体表面，得到成品。
上述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法中，步骤(1)中，按质量份将40份壳聚糖、20份聚环氧乙烷、20份水性粘结剂、10份羧甲基纤维素钠和10份聚氨脂树脂充分混合后制得改性水性粘结剂。
前述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法中，所述的水性粘结剂为式I所示的壳聚糖及其衍生物，分散体系为去离子水或1％的醋酸-水混合体系；
其中，衍生物I型的X选自各种烃类酰基、芳香酰基、烷基和芳香基；衍生物II型的Y选自烷烃类酰基和芳香酰基。
前述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法中，步骤(2)中，将4份改性水性粘结剂和80份去离子水混合。
前述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法中，步骤(4)中，向1份B品中加入92-95份纳米级磷酸铁锂干粉和20份去离子水混合。
前述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法中，步骤(4)中，分2-3次均匀向B品中加入磷酸铁锂干粉和去离子水。
前述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法中，步骤(5)中，所述的将过滤得到的浆料均匀涂覆在涂炭导电铝箔集流体表面时，以实验涂布机为例走速为2000mm-3000mm/min，涂覆完经60-70℃加热干燥，再经辊压和膜切后制得成品。
与现有技术相比，本发明不仅对水性粘结剂的组分和配比关系作了改进，还对该水性粘结剂和纳米级磷酸铁制备极浆料制备方法的众多工序和参数作了改进，同时，本发明还对锂离子电池正极浆料的涂布方法作了改进，改进后的众参数协同作用，降低了电池的内阻，同时提升了电池能量密度、倍率放电性能，提高使用寿命。
涂炭导电铝箔集流体能够提高磷酸铁锂正极活性材料和金属铝箔集流体之间的粘结力，从而极大的提高磷酸铁锂电池的循环寿命；水性粘结剂的使用可以降低电池的生产成本，且具有环保优势。本发明结合两种技术的优势，使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体制备磷酸铁锂正极极片，提高磷酸铁锂电池的循环寿命，降低电池的生产成本，将推动磷酸铁锂电池技术的发展以及新能源电动汽车产业的发展。
申请人将本发明制得的锂电池，与常规水系工艺生产的锂电池，进行了充放电试验，试验结果如附图1所示，从图中可知前者在循环充放电1000周后容量保持率分别为91％，而后者只有84.1％，由此可以看出，本发明产品的充放电次数明显优于常规工艺产品的充放电次数。
同时，申请人还对本发明产品和常规工艺产品的内阻作了测验，如果如下表所示：
由上表可以看出，随机抽取的18个样本中，本发明产品的平均内阻在4.4mΩ，而常规工艺产品的平均内阻达到了6.1mΩ，相比之下可以发现，本发明大大优化了电池内阻，提高了电池使用效率。
附图说明
附图1是本发明的充放电试验对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：该制备方法包括以下步骤；
(1)改性水性粘结剂的制备；按质量份将35份壳聚糖、25份聚环氧乙烷、20份水性粘结剂、11份羧甲基纤维素钠和10份聚氨基甲酸酯(也称PU胶)充分混合后制得水性粘结剂，其中聚环氧乙烷、羧甲基纤维素钠和聚氨基甲酸酯均可通过市售获得。作为优选，所述的水性粘结剂可以采用公开号为102760883A公开的锂离子电池电极材料用粘结剂。具体地，所述的水性粘结剂为式I所示的壳聚糖及其衍生物，分散体系为去离子水或1％的醋酸-水混合体系；
其中，衍生物I型的X选自各种烃类酰基、芳香酰基、烷基和芳香基；衍生物II型的Y选自烷烃类酰基和芳香酰基。
作为其它选择，所述的水性粘结剂也可以采用市场在售的常规水性粘结剂。
(2)将4份改性水性粘结剂和80份去离子水混合，在自转1200转/分钟和公转17/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌30分钟；得到A品；
(3)向A品中加入A品质量2％-3％的导电剂，搅拌至导电剂充分润湿后，再在自转3000转/分钟和公转60转/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌240min；得到B品；
(4)向3份B品中加入95份磷酸铁锂干粉和15份去离子水混合，再在自转3000转/分钟和公转60转/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌180min；得到C品；
(5)将C品用200目的筛网过滤，将过滤得到的浆料均匀涂覆在涂炭导电铝箔集流体表面时，以实验涂布机为例走速为2000mm/min，涂覆完经70℃加热干燥，再经辊压和膜切后制得成品。
实施例2：该制备方法包括以下步骤；
(1)改性水性粘结剂的制备；按质量份将40份壳聚糖、20份聚环氧乙烷、20份水性粘结剂、10份羧甲基纤维素钠和10份聚氨基甲酸酯充分混合后制得水性粘结剂。
(2)将4份改性水性粘结剂和80份去离子水混合，在自转1500转/分钟和公转15/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌25分钟；得到A品；
(3)向A品中加入A品质量3％的导电剂，搅拌至导电剂充分润湿后，再在自转2700转/分钟和公转70转/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌200min；得到B品；
(4)向1份B品中加入93份磷酸铁锂干粉和20份去离子水混合，再在自转2500转/分钟和公转60转/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌200min；得到C品；
(5)将C品用150目的筛网过滤，将过滤得到的浆料均匀涂覆在涂炭导电铝箔集流体表面时，以实验涂布机为例走速为2500mm/min，涂覆完经65℃加热干燥，再经辊压和膜切后制得成品。

Claims (7)

1.使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤；
(1)改性水性粘结剂的制备；按质量份将35-45份壳聚糖、15-25份聚环氧乙烷、15-25份水性粘结剂、5-15份羧甲基纤维素钠和5-15份聚氨基甲酸酯充分混合后制得改性水性粘结剂；
(2)将3-5份改性水性粘结剂和70-90份去离子水混合，在自转1000-1500转/分钟和公转15-20转/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌20-30分钟；得到A品；
(3)向A品中加入A品质量2％-3％的导电剂，搅拌至导电剂充分润湿后，再在自转2500-3000转/分钟和公转60-70转/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌180-240min；得到B品；
(4)向1-5份B品中加入92-95份磷酸铁锂干粉和15-25份去离子水混合，再在自转2500-3000转/分钟和公转60-80转/分钟、且-0.9mPa的真空条件下搅拌180-240min；得到C品；
(5)将C品用150-200目的筛网过滤，将过滤得到的浆料涂覆于涂炭导电铝箔集流体表面，得到成品。
2.根据权利要求1所述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，按质量份将40份壳聚糖、20份聚环氧乙烷、20份水性粘结剂、10份羧甲基纤维素钠和10份聚氨脂树脂充分混合后制得改性水性粘结剂。
3.根据权利要求1所述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法，其特征在于：所述的水性粘结剂为式I所示的壳聚糖及其衍生物，分散体系为去离子水或质量浓度为1％的醋酸-水混合体系；
其中，衍生物I型的X选自各种烃类酰基、芳香酰基、烷基和芳香基；衍生物II型的Y选自烷烃类酰基和芳香酰基。
4.根据权利要求1所述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，将4份改性水性粘结剂和80份去离子水混合。
5.根据权利要求1所述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，向1份B品中加入92-95份纳米级磷酸铁锂干粉和20份去离子水混合。
6.根据权利要求1所述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，分2-3次均匀向B品中加入磷酸铁锂干粉和去离子水。
7.根据权利要求1所述的使用水性粘结剂和涂炭导电铝箔集流体的磷酸铁锂电池正极极片的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，所述的将过滤得到的浆料均匀涂覆在涂炭导电铝箔集流体表面时，以实验涂布机为例走速为2000mm-3000mm/min，涂覆完经60-70℃加热干燥，再经辊压和膜切后制得成品。
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