CN105322177A - 一种锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池，本发明通过在正极或负极表面涂一层熔点较低的隔离粘结剂，正负极片接触过程中，隔离粘结剂涂层接触，而不是正负极活性涂层接触在一起。这样，在内部短路的情况下，正负极活性涂层接触点少，不会迅速起火燃烧，另外，在内部短路造成温度升高的过程中，隔离粘结剂涂层会熔化覆盖在极片表面，有效组织反应的进行。而且，涂层采用低熔点的粘结剂，外部短路情况下，随着温度升高，粘结剂熔化，能有效的覆盖在极片表面，防止因隔膜破裂引起正负极接触而短路。

Description

一种锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池。
背景技术
随着环境问题的日益凸显，国家对新能源汽车的研发及其配套基础设施建设的投入越来越大，尤其是节能减排方面的指标性要求，促使电动汽车用锂离子动力电池在近年来发展十分迅速。
电动汽车使用锂离子电池，首要考虑的是安全和循环问题，磷酸铁锂正极材料电池以其优异的循环性能和安全性能，受到大部分新能源汽车厂商青睐，一直占据着国内电动汽车电池领域的首要位置。然而随着人们对续航里程的要求越来越高，磷酸铁锂低能量密度的劣势凸显，因此使用能量密度更高的材料来替代磷酸铁锂，成为电动汽车企业的共识。越来越多的公司把目光集中在了三元材料上，包括行业巨头特斯拉的ModelS，装载的电池是由松下提供的18650镍钴铝三元电池。三元电池相比于磷酸铁锂电池，其高能量密度，与磷酸铁锂相近的循环寿命，成为学者争相关注的焦点，然而即使特斯拉的电芯、BMS、结构设计等技术在行业处于领先地位，ModelS仍然在使用过程中频繁出现起火现象。三元电池的安全问题凸显，研究者做了大量工作来改善三元电池的安全性能，通过电解液或正负极材料中添加阻燃剂，来阻止电池内部短路造成的燃烧链式反应的进行，通过使用耐高温陶瓷隔膜或无纺布隔膜，防止电池滥用过程中因温度升高导致的隔膜破裂，这些方法都存在弊端，无法满足电池的整体性能要求。
三元材料安全问题凸显，对于高能量密度的三元电芯，一般选用PTC或保险丝熔断措施来保护电芯外部因素引起的短路，而对于内部引起的短路，则通过阻燃添加剂、陶瓷隔膜等方式来解决。然而当壳体外部受到重物冲击、针刺等极端恶劣的环境造成的内部短路时，电池会在极短的时间内升温，燃烧甚至爆炸。阻燃剂虽然一定程度上可以阻止电池内部短路造成的燃烧和爆炸，但其添加量一般在5％-10％左右才起作用，另外阻燃剂的添加对循环会产生负面的影响，会造成循环性能的下降。而陶瓷隔膜仅仅只是因为具有较好的耐高温性能，在电池温度很高的情况，保持完整不破裂，对于针刺这种极端情况下的内部短路，则没有太大的帮助。也有材料厂家通过三元材料的掺杂、包覆等手段改善三元的安全性能，然而收效甚微。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池，旨在解决现有技术中三元电芯短路、挤压、针刺等安全测试无法通过的问题。
一种锂离子电池极片，其中，包括集流体、电极活性物质层以及隔离粘结剂层；集流体的正反两面涂覆有电极活性物质层，电极活性物质层表面涂覆有隔离粘结剂层；所述隔离粘结剂层中含有改性的低熔点PVDF。
所述的锂离子电池极片，其中，所述隔离粘结剂层用溶剂、改性的低熔点PVDF制成胶液涂覆而成；所述溶剂为水或有机溶剂；改性的低熔点PVDF的熔点在100-150℃之间。
所述的锂离子电池极片，其中，所述隔离粘结剂层中按照重量百分比计，溶剂占3-20％，隔离粘结剂占80％-97％。
所述的锂离子电池极片，其中，所述隔离粘结剂层所采用的溶剂为NMP。
所述的锂离子电池极片，其中，所述隔离粘结层的厚度为2-5μm。
所述的锂离子电池极片，其中，所述锂离子电池极片为正极极片或负极极片，当所述锂离子电池极片为正极极片时，所述集流体为铝箔，所述电极活性物质层为正极活性物质层，当所述锂离子电池极片为负极极片时，所述集流体为铜箔，所述电极活性物质层为负极活性物质层。
一种如上所述的锂离子电池极片制备方法，其中，包括以下步骤：
将电极活性物质浆料均匀涂覆于集流体的正反两面上，经过烤箱烘烤后滚压到工艺厚度；
再用含有隔离粘结剂的胶液涂覆集流体的正反两面上，涂层厚度为2～5μm，经80～100℃烘烤。
一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极片和负极片、隔离膜、电解液，其中，正极片或负极片采用如上所述的锂离子电池极片制成。
所述的锂离子电池，其中，隔离膜为16-20μm厚的多孔膜；所述多孔膜为聚丙烯和聚乙烯中的至少一种，在聚丙烯或聚乙烯表面单面或双面涂敷有Al2O3层。
所述的锂离子电池，其中，所述电解液为含有锂盐的有机溶液；所述锂盐包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂、三氟甲基磺酸锂中的一种或多种；所述有机溶液含有碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙烯酯、碳酸甲丙酯中的一种或多种。
有益效果：本发明提供一种锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池，本发明通过在正极或负极表面涂一层熔点较低的隔离粘结剂，正负极片接触过程中，隔离粘结剂涂层接触，而不是正负极活性涂层接触在一起。这样，在内部短路的情况下，正负极活性涂层接触点少，不会迅速起火燃烧，另外，在内部短路造成温度升高的过程中，隔离粘结剂涂层会熔化覆盖在极片表面，有效组织反应的进行。而且，涂层采用低熔点的粘结剂，外部短路情况下，随着温度升高，粘结剂熔化，能有效的覆盖在极片表面，防止因隔膜破裂引起正负极接触而短路。
附图说明
图1为本发明锂离子电池极片的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了解决三元电芯短路、挤压、针刺等安全测试无法通过的问题，本发明通过在正极或负极表面涂一层熔点较低的粘结剂，正负极片接触过程中，隔离粘结剂涂层接触，而不是正负极活性涂层接触在一起，而且内部短路过程中，隔离粘结剂在高温下融化并覆盖在正极或负极表面，即使隔膜破裂，正负极活性物质涂层也无法接触，从而避免了内部短路起火的问题。
具体地，本发明提供一种锂离子电池极片，包括集流体、电极活性物质层以及隔离粘结剂层电极活性物质层涂覆于集流体的正反两面，含有活性物质；隔离粘结剂层涂覆于正反两面的电极活性物质层表面，所述隔离粘结剂层是用溶剂、隔离粘结剂制成胶液涂覆而成。优选地，按照重量百分比计，溶剂占3-20％，隔离粘结剂占80％-97％。
其中，所述隔离粘结层的厚度为2-5μm。所述溶剂可以为水或有机溶剂，有机溶剂优选为NMP(甲基吡咯烷酮)。所述隔离粘结剂为改性的低熔点PVDF(阿科玛公司)熔点在100-150℃之间。
所述锂离子电池极片可以为正极极片或负极极片，当所述锂离子电池极片为正极极片时，所述集流体为铝箔，所述电极活性物质层为正极活性物质层，当所述锂离子电池极片为负极极片时，所述集流体为铜箔，所述电极活性物质层为负极活性物质层。
本发明中还提供所述锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：
将电极活性物质浆料均匀涂覆于集流体的正反两面上，经过烤箱烘烤后滚压到工艺厚度；
再用含有隔离粘结剂的胶液涂覆集流体的正反两面上，涂层厚度为2～5μm，经80～100℃烘烤；
烘烤干后，经分切后再焊接极耳就可以得到锂离子电池极片。
当所述锂离子电池极片为正极极片时，所述集流体为铝箔，所述电极活性物质浆料为含有正极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂的正极浆料，当时所述锂离子电池极片为负极极片时，所述集流体为铜箔，所述电极活性物质浆料为含有负极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂的负极浆料。电极活性物质浆料均采用现有配方物料制成。
经过上述制备方法制备得到的锂离子电池极片就可以用于锂离子电池的生产中。本发明中还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极片和负极片、隔离膜、电解液，正极片或负极片采用上述的锂离子电池极片制成(锂离子电池中只要正极片或负极片其中一片涂覆隔离粘结剂层就可以了)锂离子电池的制备方法与常规方法相同，将制备好的正极极片和负极极片叠放在一起，中间用隔离膜隔开，经卷绕而成电芯；电芯入壳经烘烤后注入适量的电解液，封口搁置一段时间后经预充得到成品电池。其中，以16-20μm厚的多孔膜为隔离膜。所述多孔膜为聚丙烯和聚乙烯中的至少一种，在聚丙烯或聚乙烯表面可以涂敷单面或双面Al2O3。所述电解液为含有一定浓度锂盐的有机溶液。所述锂盐包括六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双草酸硼酸锂(LiBOB)三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)等锂盐中的一种或多种。所述有机溶液含有碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸甲乙烯酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)等有机溶剂中的一种或多种。通过本方案，可以得到一种高能量密度、高安全性能、长循环寿命的锂离子动力电池，解决了三元正极材料电芯无法通过针刺、重物冲击、挤压、短路等安全测试的问题。
以下通过具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例
锂离子电池正极片的结构如图1所示，包括集流体1、依次涂覆于集流体1正反两面的电极活性物质层2以及隔离粘结剂层3。负极片没有隔离粘结层3。
电极活性物质层2中正极采用三元材料NCM，负极采用人造石墨，分别制备正、负极的电极活性物质浆料。
正极极片：将三元正极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂制成的正极活性物质浆料均匀涂敷于集流体1上，在90-110℃烘箱中烤干，辊压到工艺要求厚度。
负极极片：将含有负极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂的负极活性物质浆料均匀涂敷于集流体1上，在80-100℃烘箱中烤干，辊压到工艺要求厚度。
采用改性的低熔点PVDF(10％)和有机溶剂NMP(90％)混合搅拌得到隔离粘结剂胶液，涂覆于正极片的电极活性物质层2上，正反面涂覆厚度均为3μm，经过80-100℃烘烤后，得到隔离粘结剂涂层3。经分切后再焊接极耳得到正极片。负极片采用常规制作工艺制成。
将制好的正极片和负极片叠放在一起，中间用PE陶瓷隔膜隔开，通过卷绕的方式制成电芯，电芯入壳，经过高温烘烤后，注入适量的电解液，化成，分容后为成品电池。将成品电池以1C满充后，分别测试过充、短路、挤压、重物冲击、热冲击和针刺等安全测试。
对比例
电极活性物质层2的正极采用三元材料NCM，负极采用人造石墨，分别制备正、负极浆料，将制备的正负极浆料涂布在集流体1上，然后分别辊压到工艺厚度，通过卷绕的方式与PE陶瓷隔膜组装成电池，经过高温烘烤、注液、化成、分容后为成品电池。将成品电池以1C满充后，分别测试过充、短路、挤压、重物冲击、热冲击和针刺等安全测试。
表1中为实施例和对比例的安全测试对比结果，从表1的结果可以看出，实施例的锂离子电池测试全部合格，能通过过充、短路、挤压、重物冲击、热冲击和针刺等安全测试。
表1.实施案例结果对比
综上所述，本发明主要为了解决三元电芯短路、挤压、针刺等安全测试无法通过的问题。满充后的电芯无论是短路、挤压和针刺，最终的起火爆炸，都是由于内部短路造成的。特别是针刺测试，是最直接的内部短路，导致电芯正负极接触，在电解液的作用下起火燃烧，为阻止或延缓其短路，本发明通过在正极或负极表面涂一层熔点较低的粘结剂，正负极片接触过程中，粘结剂涂层接触，而不是正负极活性涂层接触在一起，而且内部短路过程中，粘结剂在高温下融化并覆盖在正极或负极表面，即使隔膜破裂，正负极活性物质涂层也无法接触，从而避免了内部短路起火的问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池极片，其特征在于，包括集流体、电极活性物质层以及隔离粘结剂层；集流体的正反两面涂覆有电极活性物质层，电极活性物质层表面涂覆有隔离粘结剂层；所述隔离粘结剂层中含有改性的低熔点PVDF。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述隔离粘结剂层用溶剂、改性的低熔点PVDF制成胶液涂覆而成；所述溶剂为水或有机溶剂；改性的低熔点PVDF的熔点在100-150℃之间。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述隔离粘结剂层中按照重量百分比计，溶剂占3-20％，隔离粘结剂占80％-97％。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述隔离粘结剂层所采用的溶剂为NMP。
5.根据权利要求1～4任一所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述隔离粘结层的厚度为2-5μm。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述锂离子电池极片为正极极片或负极极片，当所述锂离子电池极片为正极极片时，所述集流体为铝箔，所述电极活性物质层为正极活性物质层，当所述锂离子电池极片为负极极片时，所述集流体为铜箔，所述电极活性物质层为负极活性物质层。
7.一种如权利要求1～6任一所述的锂离子电池极片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电极活性物质浆料均匀涂覆于集流体的正反两面上，经过烤箱烘烤后滚压到工艺厚度；
再用含有隔离粘结剂的胶液涂覆集流体的正反两面上，涂层厚度为2～5μm，经80～100℃烘烤。
8.一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极片和负极片、隔离膜、电解液，其特征在于，正极片或负极片采用如权利要求1～5任一所述的锂离子电池极片制成。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，隔离膜为16-20μm厚的多孔膜；所述多孔膜为聚丙烯和聚乙烯中的至少一种，在聚丙烯或聚乙烯表面单面或双面涂敷有Al2O3层。
10.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述电解液为含有锂盐的有机溶液；所述锂盐包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂三氟甲基磺酸锂中的一种或多种；所述有机溶液含有碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙烯酯、碳酸甲丙酯中的一种或多种。
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