CN104701569B - 可弯折锂离子电池及该电池用的极片及极片制备工艺及涂布机 - Google Patents

可弯折锂离子电池及该电池用的极片及极片制备工艺及涂布机 Download PDF

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Abstract

一种可弯折锂离子电池及该电池用的极片及极片制备工艺及涂布机。所述锂离子电池至少一个部位为可弯折部位，在所述锂离子电池的可弯折部位处，所述锂离子电池的极片表面的活性物质层的面密度，低于在所述锂离子电池的不可弯折部位处的极片表面的活性物质层的面密度。应用该技术方案能减少电池由于弯折而导致短路或者导致电池循环性能下降等问题。

Description

可弯折锂离子电池及该电池用的极片及极片制备工艺及涂 布机
技术领域
本发明涉及锂离子电池制造领域，尤其涉及一种可弯折锂离子电池及该电池用的极片及极片制备工艺及涂布机。
背景技术
自20世纪90年代锂离子电池商品化以来，锂离子电池以其高比能量、高电压等优点已成为电动车、移动通讯、笔记本电脑等产品的主要电源之一。
随着穿戴电子产品的不断涌现，穿戴电子产品的电池需求也在增加，而目前的锂离子电池大多为刚性的、大块的，其不仅外观笨重，而且形状单一不便于携带以及应用，生产特定的可由用户根据需要而弯折或扭曲的锂离子电池(也称柔性电池)是穿戴产品电池所面临的一个难题。而
电池极片表面的活性物质容易因弯折而脱落。
发明内容
本发明实施例的目的之一在于提供一种可弯折锂离子电池及该电池用的极片及极片制备工艺及涂布机，应用该技术方案能减少电池由于弯折而导致短路或者导致电池循环性能下降等问题。
本发明实施例提供的一种可弯折锂离子电池用极片，包括：
在所述极片上的第一预定区域处的活性物质层的面密度低于涂覆于其他涂布区域的活性物质层的面密度，当应用所述极片制成可弯折锂离子电池后，所述第一预定区域位于所述锂离子电池的可弯折部位。
在所述极片的所述第一预定区域上还预先涂覆有惰性材料层，所述惰性材料为与所述锂离子电池内部材料都不发生反应的材料，
所述惰性材料层由挥发性惰性材料以及粘结添加剂构成，所述挥发材料的质量百分比含量大于所述粘结添加剂的质量百分比含量；
在所述第一预定区域，所述活性物质浆料涂覆在所述惰性材料层的顶部或者不涂覆，在其他涂覆区域，所述活性物质浆料涂覆在所述极片的集流体的顶部。
可选地，所述挥发性惰性材料的沸点等于或者低于所述烘干室的温度，使在所述极片烘干前，所述挥发性惰性材料完全挥发。
可选地，所述挥发性惰性材料的沸点为30至60摄氏度。
可选地，所述惰性材料层的厚度为2μm-100μm。
可选地，在所述第一预定区域处不涂覆活性物质浆料，在其他涂布区域均匀涂覆所述活性物质浆料。
本发明实施例提供的一种可弯折锂离子电池用极片的制备工艺，包括：
在所述极片的第一预定区域上预先涂覆有惰性材料层，所述惰性材料为与所述锂离子电池内部材料都不发生反应的材料，
所述惰性材料层由挥发性惰性材料以及粘结添加剂构成，所述挥发材料的质量百分比含量大于所述粘结添加剂的质量百分比含量；
将待涂布的极片传送经过涂布机，在所述极片经过所述涂布机的涂布上刀口下方时，所述涂布上刀口在经过的所述极片的顶面涂覆活性物质浆料时时，在所述第一预定区域，将所述活性物质浆料涂覆在所述惰性材料层的顶部或者不涂覆，在其他涂覆区域，将所述活性物质浆料涂覆在所述极片的集流体的顶部；，
使涂覆在所述极片上的所述第一预定区域处的活性物质浆料的面密度低于涂覆于其他涂布区域的活性物质浆料的面密度，
当应用所述极片制成可弯折锂离子电池后，所述第一预定区域位于所述锂离子电池的可弯折部位；
将涂覆有所述活性物质浆料的极片由所述涂布机传送至烘干室，在所述烘干室内烘干所述极片，所述活性物质浆料干燥，在所述极片表面形成活性物质层。
可选地，使在所述极片由所述涂布机到所述烘干室的传送过程中，所述挥发性惰性材料完全挥发。
可选地，所述挥发性惰性材料的沸点为30至60摄氏度。
可选地，所述惰性材料层的厚度为2μm-100μm。
可选地，使涂覆在所述极片上的第一预定区域处的活性物质浆料的面密度低于所述极片上的其他涂布区域的活性物质浆料的面密度具体是，
所述涂布机间歇性涂布，在所述第一预定区域处不涂覆活性物质浆料，在其他涂布区域均匀涂覆所述活性物质浆料。
本发明实施例提供的一种i采用上述工艺制成的锂离子电池。
由上可见，应用本实施例技术方案，由于本实施例可弯折锂离子电池中的可弯折部位上的极片的活性物质的面密度低于其他不可弯折部位的活性物质的面密度，或者在该可弯折部位上不涂覆活性物质，故在用户弯折该可弯折部位时，该部位不容易发生活性物质脱落，应用本实施例技术方案有利于降低电池的短路率以及提高电池的循环性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中提供的一种可弯折锂离子电池用的极片的横截结构示意图；
图2为本发明实施例1中提供的另一种极片的横截结构示意图；
图3为本发明实施例1中提供的再一种极片的横截结构示意图；
图4为本发明实施例1中提供的又一种极片的横截结构示意图；
图5为本发明实施例1中提供的又一种极片的横截结构示意图；
图6为本发明实施例1提供的一种可弯折的电池的结构示意图；
图7为本发明对比例中的极片的涂覆区域横截结构示意图。
附图标记：
101：集流体； 102：活性物质浆料； 103：惰性材料层；
100：第一预定区域； 601：不可弯折部位；
602：第一可弯折部位； 603：第二可弯折部位。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本实施例提供一种可弯折锂离子电池，该锂离子电池包括极片、隔膜，在各极片上分别粘结有活性物质层，具体是在正极片的表面粘结有正极活性物质层，在负极片的表面粘结有负极活性物质层，隔膜间隔在任意相邻的正极片与负极片之间。
其中，本实施例的极片可以为单面涂覆，也可以为双面涂覆。
本实施例的锂离子电池的至少一个部位为可弯折部位，在本实施例锂离子电池的内部，在电池的可弯折部位处，极片表面的活性物质层的面密度低于在电池的不可弯折部位处的极片的活性物质层的面密度。
其中，活性物质层的面密度为：在极片表面单位面积下的活性物质的质量，当涂覆的活性物质既定时，涂布的厚度越大，面密度越大。
作为本实施例的示意，本实施例锂离子电池用的极片的制备工艺如下：
将待涂布的极片卷装在涂布机的一端，使待涂布的极片被传送经过涂布机的涂布装置，涂布上刀口的下方，使在极片经过涂布上刀口时，涂布上刀口在极片的顶面涂覆活性物质浆料，在涂布时，使在极片的预定区域(记为第一预定区域100，在电池制成后，这些区域刚好为电池的可弯折部位)的活性物质浆料的面密度低于其他涂布区域的活性物质层的面密度。将涂布后的极片呈平直状传送一定的长度，使极片在常温下进行预干燥，然后将极片传送进入烘干室，极片在烘干室内被完全烘干，使活性物质浆料固化而完全粘贴在极片的集流体101的表面，将完全烘干后的极片在烘干室的另一端被收卷，以进行下一步的辊压工艺。
在本实施例中，烘干室的温度一般被预设在80摄氏度至120摄氏度左右，湿度设置在33.1％至60.0％之间。
作为本实施例的示意，在进行本实施例极片的涂布过程中，可以但不限于采用间歇涂布的方式，使在极片的集流体101的第一预定区域100上不涂覆活性物质浆料，在其他涂布区域涂覆活性物质浆料102。当该极片为单面涂覆时，其结构参见图1所示，当该极片为双面涂覆时，其结构参见图2所示。
作为本实施例的示意，在进行本实施例极片的涂布过程中，还可以动态调整涂布上刀口的水平高度，或者使涂布机间歇性工作，使在极片的集流体101第一预定区域100上涂布的活性物质浆料102的厚度较薄，甚至在第一预定区域100上不涂覆活性物质浆料。此时得到的极片的厚度不一。这样得到的极片在第一预定区域100处的整体厚度，薄于极片在其他涂布区域的整体厚度。当极片的集流体101的第一预定区域100上涂覆的活性物质浆料102的厚度薄于其他涂布区域的涂布厚度时，且当该极片为单面涂覆时，其结构参见图3所示，当该极片为双面涂覆时，其结构参见图4所示。
作为本实施例的示意，还可以在待涂布的极片的集流体101的第一预定区域100的顶面预先粘结一层惰性材料层103，在进行涂布时，采用现有技术的涂布机的平直涂布上刀口，按照现有技术的静态涂布技术，即可实现活性物质的涂布，由于涂布上刀口与极片的集流体101之间的高度恒定，故涂布后得到的极片的各涂布区域的厚度一致，而由于在第一预定区域100上设置有惰性材料层103，故惰性材料层103顶部的活性物质浆料102的面密度低于其他涂布区域的活性物质浆料102的面密度。当该极片为单面涂覆时，其结构参见图5所示。
其中，上述的惰性材料层103的惰性材料为与电池内部材料(譬如极片的集流体101、以及涂覆的活性物质层102以及电解液等材料)都不会反应的材料。
作为本实施例的示意，在本实施例中可以采用性能稳定的聚异戊二烯作为惰性材料，将其混合粘结添加剂，待极片上的惰性材料干燥固化后，进行上述的活性物质浆料涂布。
作为本实施例的示意，还可以选用具有挥发性、且沸点低于烘干室的最低温度的二氯甲烷作为惰性材料，将该挥发性惰性材料混合粘结添加剂预先涂覆在极片的集流体101的第一预定区域100表面，在涂布的挥发性惰性材料干燥前，再进行活性物质浆料涂布，此时当极片从涂布机上刀口出来时，极片的涂布区域各处的厚度一致，当极片由涂布机至烘干室传动的过程中，二氯甲烷挥发，在极片被烘干后，二氯甲烷挥发完全，当极片从烘干室出来后，极片在涂布区域上的厚度不一，具体是在原涂覆有惰性材料层103的位置，由于二氯甲烷挥发，在此处的极片厚度较薄，且该处的活性物质层的面密度较小。
作为本实施例的示意，在本实施例中选用二氯甲烷作为沸点低、具有挥发性的惰性材料，但并不仅限于此，还可以选用其他的挥发性惰性材料。
作为本实施例的进一步示意，选用沸点为室温的挥发性惰性材料，使涂布挥发性惰性材料后，迅速进行活性物质浆料涂布，此时挥发性惰性材料几乎未挥发而惰性材料层保持一定的厚度，在极片由涂布机到烘干室的过程中，使惰性材料在室温环境下挥发完全，以确保挥发材料在活性物质干燥前完全挥发，避免残留。
作为本实施例的示意，无论采用挥发性惰性材料还是非挥发性惰性材料，该预涂覆的惰性材料层103的厚度为2μm-100μm。具体厚度根据电池的可弯折程度以及电池的规格确定，譬如电池的可弯折程度越大，则惰性材料层103的厚度约厚，使该处的活性物质层的厚度越薄，即活性物质层的面密度越小。
作为本实施例的示意，无论采用挥发性惰性材料还是非挥发性惰性材料，该预涂覆的惰性材料层103的厚度为2μm-100μm。具体厚度根据电池的可弯折程度以及电池的规格确定，譬如电池的可弯折程度越大，则惰性材料层103的厚度越厚，使该处的活性物质层的厚度越薄，即活性物质层的面密度越小，确保用户在弯折或者扭曲电池的可弯折部位时，该处的活性物质不易于松散脱落。
作为本实施例的示意，还可以对现有的涂布机的涂布上刀口进行改良设计，使在涂布上刀口的低于设置有至少一向底部凸起的凸起部，这样使在涂布时，即使待涂布的极片上未涂覆有惰性材料层103而为平直的集流体101，则在进行可弯折电池的极片涂覆时，使得涂布上刀口的凸起部与极片的第一预定区域100相正对，其凸起部下方的活性物质层的涂布厚度较薄，即面密度较小，这样，在涂布时只需要根据当前的可弯折电池型号，换用其相对应的涂布上刀口即可实现当前可弯折电池的极片涂布，得到在电池的可弯折部位处的第一预定区域100的极片的活性物质层的厚度较薄，面密度较小。
以下进一步通过实验数据对本实施例的技术方案的效果进行说明：
实验例1：
本实施例的可弯折锂离子电池的形状如图6所示，该电池的规格为：ASP3824038-13A-410mAh，其中AS表示纯钴水系负极，3824038表示该聚合物锂离子电池的厚、宽、长尺寸为3.8mm、24mm、38mm，1表示标称倍率为1C，3表示电池为超高容量型，A表示正极为纯钴酸锂，410表示电池的标称容量。
该可弯折锂离子电池的制备工艺为，正负极片采用叠片式(负极-隔膜-正极)经隔膜将其分开，经烘箱干燥烘烤，注电解液，铝塑膜封装制得预定形状的锂离子电池后，在锂离子电池图6所示的不可弯折部位601包裹刚性材料，使这些部位不可认为弯折或者扭曲，而使电池的第一可弯折部位602、第二可弯折部位603的这些区域外包裹柔性材料，用户可对这些部位进行弯折或者扭曲操作。
本实验例的电池包括极片以及隔膜，其中隔膜采用陶瓷隔膜，隔膜的规格为14μm*34mm(其中厚度14μm为涂覆陶瓷后的厚度)，极片包括：集流体以及涂覆在集流体一面的活性物质层，正负极片均为单面涂布。
并且，在锂离子电池制备工艺中，要求正极片与负极片的相对正对面上的活性物质层的面密度相互匹配，一般要求负极片上的活性物质层的面密度大于正极片上的活性物质层的面密度，过量率一般为质量百分比8％-10％。即当正极片上某处的活性物质层的面密度较小，其负极片上的对应位置处的活性物质层的面密度也相对较小,故当正极片的活性物质层的面密度确定后，负极片上的各处的活性物质层的面密度确定，以下以正极片为例对极片的涂布进行示意性分析。
在本实验例中，在电池的可弯折位置602、603处，正极片上涂覆的活性物质层的面密度为：120g/m2，在电池的不可弯折部位处，正极片上涂覆的极性电极材料层的面密度为192g/m2。该极片结构可以但不限于参见图3所示。
实验例2：
本实验例与实验例1的唯一区别仅仅在于电池的隔膜不同，本实施例隔膜采用常规隔膜聚烯烃多孔膜，其规格为14μm*34mm。该极片结构可以但不限于参见图3所示。
实验例3：
本实验例的可弯折电池的形状、电池的规格、以及制备工艺以及隔膜与实验例1相同。
本实验例的极片包括：集流体以及涂覆在集流体一面的活性物质层。
其中，在可弯折位置602、603处未涂覆有活性物质，在电池的不可弯折部位处，正极片上的活性物质的面密度为192g/m2。该极片结构可以但不限于参见图1所示。
实验例4：
本实施例的可弯折锂离子电池的形状、电池的规格、以及制备工艺以及隔膜与实验例1相同。
本实验例的电池在极片包括集流体、涂覆在极片的预定区域的惰性材料层103、该惰性材料为聚异戊二烯、以及涂覆在极片上的活性物质层。
其中，惰性材料层103涂覆区域正对电池的可弯折位置602、603处，惰性材料层103位于集流体与活性物质层之间。其中惰性材料层103厚度为60μm，在电池的不可弯折部位处，正极片上的活性物质的面密度为192g/m2。该极片结构可以但不限于参见图5所示。
实验例5：
本实施例的可弯折锂离子电池的形状、电池的规格、以及制备工艺以及隔膜与实验例1相同。
本实验例的电池在极片的涂布工艺如下，在极片的集流体上的低于预定区域先涂覆二氯甲烷与粘结添加剂的混合惰性材料，惰性材料层103涂覆区域正对电池的可弯折位置602、603处，在惰性材料未干前迅速进行活性物质浆料涂布，平直传送一定距离后送入烘干室，在进入烘干室前二氯甲烷完全挥发。
其中，得到的极片的集流体101上涂覆有活性物质层，其中，在电池的可弯折位置602、603处，正极片上涂覆的活性物质层的面密度为：120g/m2，在电池的不可弯折部位处，正极片上的活性物质的面密度为192g/m2。该极片结构可以但不限于参见图3所示。
对比例：
本实施例的可弯折锂离子电池的形状、电池的规格、以及制备工艺以及隔膜与实验例1相同。
本实验例的电池在极片包括集流体以及涂覆的活性物质层。
其中，在电池的极片各处涂覆的活性物质层的面密度均一致，正极片上的活性物质的面密度均为192g/m2。该极片结构可以但不限于参见图7所示。
分别制得上述的电池样品，随机取样100个，分别对样品进行短路率和循环容量衰减率进行测试，得到以下的实验数据表：
项目 短路率/(％) 100周循环容量保持率/(％) 相对于对比例的降低率/(％)
实验例1 0.5 99.0 96.89
实验例2 3.1 91.7 80.75
实验例3 0.05 99.5 99.69
实验例4 1.5 95.6 90.68
实验例5 2.7 92.8 83.23
对比例 16.1 85.4 -
以上以单面涂布的锂离子电池进行示意性说明，对于双面涂布的电池同理具有上述的有益效果。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种可弯折锂离子电池用极片，其特征是，包括：
在所述极片上的第一预定区域处的活性物质层的面密度低于涂覆于其他涂布区域的活性物质层的面密度，当应用所述极片制成可弯折锂离子电池后，所述第一预定区域位于所述锂离子电池的可弯折部位，
在所述极片的所述第一预定区域上还预先涂覆有惰性材料层，所述惰性材料为与所述锂离子电池内部材料都不发生反应的材料，
所述惰性材料层由挥发性惰性材料以及粘结添加剂构成，所述挥发材料的质量百分比含量大于所述粘结添加剂的质量百分比含量；
在所述第一预定区域，所述活性物质浆料涂覆在所述惰性材料层的顶部，在其他涂覆区域，所述活性物质浆料涂覆在所述极片的集流体的顶部。
2.根据权利要求1所述的可弯折锂离子电池用极片，其特征是，
使在所述极片由所述涂布机到烘干室的传送过程中，所述挥发性惰性材料完全挥发。
3.根据权利要求1所述的可弯折锂离子电池用极片，其特征是，
所述挥发性惰性材料的沸点为30至60摄氏度。
4.根据权利要求1至3之任一所述的可弯折锂离子电池用极片，其特征是，
所述惰性材料层的厚度为2μm-100μm。
5.根据权利要求1至3之任一所述的可弯折锂离子电池用极片，其特征是，
在所述第一预定区域处不涂覆活性物质浆料，在其他涂布区域均匀涂覆所述活性物质浆料。
6.一种可弯折锂离子电池用极片的制备工艺，其特征是，包括：
在所述极片的第一预定区域上预先涂覆有惰性材料层，所述惰性材料为与所述锂离子电池内部材料都不发生反应的材料，
所述惰性材料层由挥发性惰性材料以及粘结添加剂构成，所述挥发材料的质量百分比含量大于所述粘结添加剂的质量百分比含量；
将待涂布的极片传送经过涂布机，在所述极片经过所述涂布机的涂布上刀口下方时，所述涂布上刀口在经过的所述极片的顶面涂覆活性物质浆料时，
在所述第一预定区域，将所述活性物质浆料涂覆在所述惰性材料层的顶部或者不涂覆，在其他涂覆区域，将所述活性物质浆料涂覆在所述极片的集流体的顶部，
使涂覆在所述极片上的所述第一预定区域处的活性物质浆料的面密度低于涂覆于其他涂布区域的活性物质浆料的面密度，
当应用所述极片制成可弯折锂离子电池后，所述第一预定区域位于所述锂离子电池的可弯折部位；
将涂覆有所述活性物质浆料的极片由所述涂布机传送至烘干室，在所述烘干室内烘干所述极片，所述活性物质浆料干燥，在所述极片表面形成活性物质层。
7.根据权利要求6所述的可弯折锂离子电池用极片的制备工艺，其特征是，
所述挥发性惰性材料的沸点等于或者低于所述烘干室的温度，使在所述极片烘干前，所述挥发性惰性材料完全挥发。
8.根据权利要求7所述的可弯折锂离子电池用极片的制备工艺，其特征是，
使在所述极片由所述涂布机到所述烘干室的传送过程中，所述挥发性惰性材料完全挥发。
9.根据权利要求8所述的可弯折锂离子电池用极片的制备工艺，其特征是，
所述挥发性惰性材料的沸点为30至60摄氏度。
10.根据权利要求6至9之任一所述的可弯折锂离子电池用极片的制备工艺，其特征是，
所述惰性材料层的厚度为2μm-100μm。
11.根据权利要求6至9之任一所述的可弯折锂离子电池用极片的制备工艺，其特征是，
使涂覆在所述极片上的第一预定区域处的活性物质浆料的面密度低于所述极片上的其他涂布区域的活性物质浆料的面密度具体是，
所述涂布机间歇性涂布，在所述第一预定区域处不涂覆活性物质浆料，在其他涂布区域均匀涂覆所述活性物质浆料。
12.根据权利要求6至11之任一所述工艺制成的锂离子电池。
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