CN105742569A - 一种锂离子电池负极极片及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池负极极片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池负极极片及其制备方法，该负极极片包括集流体和涂覆在所述集流体表面的活性物质涂层，所述活性物质涂层表面涂覆有SEI膜，所述SEI膜中含有锂盐物质；该制备方法包括将所述锂盐物质通过物理气相沉积法涂覆到所述活性物质涂层表面形成SEI膜。本发明解决了因为化成工序造成有效容量降低的问题，提高电池材料的克容量、倍率及首次效率等化学性能，同时提高电池的安全性能。

Description

一种锂离子电池负极极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池负极极片，以及该负极极片的制备方法，属于锂离子动力电池技术领域。
背景技术
上世纪九十年代日本索尼(SONY)公司研发成功锂离子电池，并实现商品化。锂离子电池以其重量轻、体积比容量大、电压高、循环寿命长等特点得到了快速发展。目前，锂离子电池正极原料主要采用LiCoO2、LiFePO4、LiMnO4和Li(NiCoMn)O2三元体系材料，负极材料为石墨、钛酸锂、硬碳等非金属材料，锂离子电池制作过程中将正极、负极、电解液、隔膜等关键材料组合在一起，进而通过组装、注液、化成、分容等工序完成电池的制作。
锂离子电池在化成工序，实际上是将负极材料形成一种致密而稳定的SEI膜(“固体电解质界面膜”，solidelectrolyteinterface)，这与电池的安全性能有直接关系，SEI膜的主要成分为Li2CO3、LiF、Li2O、LiOH等无机成分及ROCO2Li、ROLi、(ROCO2Li)2等有机成分，典型的反应式：
2EC+2e-+2Li+→(CH2OCO2Li)2+CH2＝CH2
其中EC为电解液主要成分，Li+则来自正极材料及电解液盐六氟磷酸锂，SEI膜的形成消耗了一部分正极材料锂源，减少了正极材料有效容量；另一方面，SEI膜的形成需要后续化成工序，增加了电池的制作周期，电池在化成工序的产气也使得电池出现鼓包现象；并且，SEI膜在负极材料形成过程中，由于局部温度不一致，反应活性不一样，生成的SEI膜厚度不均匀。
发明内容
本发明提供一种锂离子电池负极极片，以解决因为化成工序造成有效容量降低的问题，提高电池材料的克容量、倍率及首次效率等化学性能，同时提高电池的安全性能。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种锂离子电池负极极片，包括集流体和涂覆在所述集流体表面的活性物质涂层，所述活性物质涂层表面涂覆有SEI膜，所述SEI膜中含有锂盐物质。
优选地，所述锂盐物质选自Li2CO3、LiF、Li2O、LiOH、ROCO2Li、ROLi、(ROCO2Li)2中的任一种或几种。
优选地，所述集流体为铜箔，进一步优选地，所述铜箔的厚度为0.009-0.025mm。
优选地，所述SEI膜均匀地涂覆在所述活性物质涂层表面上；进一步优选地，所述SEI膜的厚度为0.1-100nm。
优选地，所述活性物质涂层的密度为150g/m2-380g/m2，进一步优选为320g/m2。
优选地，所述活性物质涂层主要由包括负极活性材料、导电剂和粘结剂的组分制成。
进一步优选地，所述负极活性材料、导电剂和粘结剂的质量比例为93-97：1-5：1-5；更进一步优选地，所述负极活性材料、导电剂和粘结剂的质量比例为93-94∶3-4∶3。
优选地，所述负极活性材料选自石墨、钛酸锂、硬碳等非金属材料中的一种或几种；进一步优选为石墨，例如天然石墨。
优选地，所述导电剂选自乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、磷片石墨、导电炭黑、导电石墨中的一种或者几种。
优选地，所述粘结剂为高分子量羧甲基纤维素钠(CMC)。
本发明还提供上述锂离子电池负极极片的制备方法，包括将所述锂盐物质通过物理气相沉积法涂覆到所述活性物质涂层表面形成SEI膜。
具体地，上述制备方法，包括以下步骤：
1)将所述粘结剂分散到溶剂中，在真空度-0.08～-0.1MPa条件下搅拌均匀；然后加入所述导电剂，在真空度-0.08～-0.1MPa条件下搅拌均匀；再加入所述负极活性材料，抽真空至真空度-0.1MPa，充入高纯气体，保持真空度-0.06～-0.09MPa，搅拌均匀；常压下过滤；将所得浆料涂覆于所述集流体上，烘干后形成双面涂布所述活性物质涂层的电极片；
2)将所述锂盐物质通过物理气相沉积法涂覆到所述活性物质涂层表面形成SEI膜。
上述制备方法，其中，
优选地，步骤1)所述溶剂为水；
优选地，步骤1)所述高纯气体包括氮气、氩气中的一种或几种；
优选地，步骤2)所述中物理气相沉积法选自真空镀，真空溅射和离子镀中的任一种；优选为真空溅射；
优选地，所述真空溅射条件：真空度2E-7Torr，使用氩气、氮气、氧气中的一种作为工艺气体，衬底升温：450℃，反溅功率：100W-500W，厚度均匀性：<±5％，溅射时间5-300S，成膜厚度0.1-100nm；
所述步骤2)中物理气相沉积法是借助于惰性气体辉光放电，使镀料气化蒸发离子化，离子经电场加速，沉积在负极材料表面。
本发明还提供一种锂离子电池，包括上述锂离子电池负极极片或所述制备方法制得的锂离子电池负极极片。
本发明有益效果：
本发明中锂离子电池负极极片具有均匀的SEI膜，在制作过程中利用物理气相沉积的方法涂覆在活性物质表层，省去了化成工序，避免了在化成工序中电池出现鼓包现象，提高了电池材料的安全性能。
本发明中锂离子电池负极极片的制备方法是通过物理气相沉积法，惰性气体辉光放电，使镀料气化蒸发离子化，离子经电场加速，沉积在负极材料表面，避免了正极材料中锂盐的消耗，正极材料锂盐的消耗会减少电池材料的有效容量，通过将锂盐物质物理气相沉积到活性物质涂层表面，可以提高电池材料的容量，提高电池材料的首次效率。
附图说明
图1为实施例4锂离子电池与对比例1锂离子电池的循环保持率对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
实施例1
一种锂离子电池负极极片，包括以厚度为15um的铜箔为集流体和涂覆在所述集流体表面的活性物质涂层，所述活性物质涂层表面涂覆有厚度为10nm的SEI膜，所述SEI膜中含有锂盐物质Li2CO3。其中，所述活性物质涂层的的密度为320g/m2；其原料包括质量分数93％天然石墨，3％导电炭黑(SP)，1％导电石墨(KS6)，3％CMC。
本实施例还提供上述锂离子电池负极极片的制备方法，包括如下步骤：
1)按以下质量配比称取制备活性物质涂层的各原料：93％天然石墨，3％导电炭黑(SP)，1％导电石墨(KS6)，3％CMC；先将各原料放入到120℃真空烘箱中干燥4小时，真空度为-0.1MPa；
再将粘结剂CMC和去离子水按质量比1:65真空搅拌4小时得粘结胶，真空度为：-0.1MPa；然后将导电炭黑(SP)和导电石墨(KS6)两种混合导电剂加入到粘结胶中，真空搅拌1小时得导电胶，真空度为：-0.1MPa；接着将天然石墨加入到导电胶中，抽真空到-0.1MPa，充入高纯气体氮气，真空度保持-0.08MPa，搅拌6小时；常压下用120筛网过滤，得浆料；
将制备好的浆料涂敷于铜箔(厚度为15um)表面上，烘干后完成第一次极片涂布，再将浆料涂敷于铜箔的另一面，烘干后形成双面涂布所述活性物质涂层的电极片；其双面涂层总面密度为320g/m2。
2)将步骤1)制得的电极片放置于气相沉积真空室，借助于惰性气体辉光放电，使镀料(Li2CO3)气化蒸发离子化，离子经电场加速，以较高能量轰击电极片表面，低压2torr，沉积时间200s；从而将Li2CO3涂覆到所述活性物质涂层表面形成厚度为10nmSEI膜。
实施例2
一种锂离子电池负极极片，包括以厚度为15um的铜箔为集流体和涂覆在所述集流体表面的活性物质涂层，所述活性物质涂层表面涂覆有厚度为20nm的SEI膜，所述SEI膜中含有锂盐物质(Li2CO3(50％wt)+ROCO2Li(50％wt))。其中，所述活性物质涂层的的密度为320g/m2；其原料包括质量分数94％天然石墨，2％导电炭黑(SP)，1％导电石墨(KS6)，3％CMC。
本实施例还提供上述锂离子电池负极极片的制备方法，包括如下步骤：
1)按以下质量配比称取制备活性物质涂层的各原料：94％天然石墨，2％导电炭黑(SP)，1％导电石墨(KS6)，3％CMC；先将各原料放入到120℃真空烘箱中干燥4小时，真空度为-0.1MPa；
再将粘结剂CMC和去离子水质量比1:65真空搅拌4小时得粘结胶，真空度为：-0.1MPa；然后将导电炭黑(SP)和导电石墨(KS6)两种混合导电剂加入到粘结胶中，真空搅拌1小时得导电胶，真空度为：-0.1MPa；接着将天然石墨加入到导电胶中，抽真空到-0.1MPa，充入高纯气体氮气，真空度保持-0.08MPa，搅拌6小时；常压下用120筛网过滤，得浆料；
将制备好的浆料涂敷于铜箔(厚度为15um)表面上，烘干后完成第一次极片涂布，再将浆料涂敷于铜箔的另一面，烘干后形成双面涂布所述活性物质涂层的电极片；其双面涂层总面密度为320g/m2。
2)将步骤1)制得的电极片放置于气相沉积真空室，借助于惰性气体辉光放电，使镀料(Li2CO3(50％wt)+ROCO2Li(50％wt))气化蒸发离子化，离子经电场加速，以较高能量轰击电极片表面，低压5torr，沉积时间300s；从而将镀料涂覆到所述活性物质涂层表面形成厚度为20nmSEI膜。
实施例3
一种锂离子电池，将正极三元材料(622材料)、实施例1制得的锂离子电池负极极片、电解液、隔膜等按常规锂离子电池工艺制片-卷绕-焊接-注液-封口做成053048铝壳电池。封口后直接0.1C充放电测试(3.0-4.3V)。结果见表1。
实施例4
一种锂离子电池，将正极三元材料(622材料)、实施例2制得的锂离子电池负极极片、电解液、隔膜等按常规锂离子电池工艺制片-卷绕-焊接-注液-封口做成053048铝壳电池。封口后直接0.1C充放电测试(3.0-4.3V)。结果见表1。
对比例1
按与实施例1相同的方法制备双面涂布活性物质涂层的电极片，其双面涂层总面密度为320g/m2。
将正极三元材料(622材料)、负极(即上述电极片)、隔膜等按常规锂离子电池工艺做成053048铝壳半成品，注液后，注液口胶带密封，搁置24h，待电解液充分浸润后，在新威测试柜上化成，0.05C恒流充电4h(SEI膜的化成反应)，搁置5min，打钢珠封口，搁置18h后，分容测试，0.2C充电至4.2V,0.2C放电至3.0V，完成首次充放电测试。结果见表1。
表1实施例3-4及对比例1制备锂离子电池性能比较
结果表明，采用本发明制作电池，首次效率提升3％，正极材料发挥提高近20mAh/g，并且节省接化成工序近10h。
实施例4锂离子电池(采用物理气相沉积负极片)与对比例1锂离子电池的循环保持率对比见图1。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池负极极片，其特征在于，包括集流体和涂覆在所述集流体表面的活性物质涂层，所述活性物质涂层表面涂覆有SEI膜，所述SEI膜中含有锂盐物质。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述SEI膜均匀地涂覆在所述活性物质涂层表面上，优选地，所述SEI膜的厚度为0.1-100nm。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述锂盐物质为Li2CO3、LiF、Li2O、LiOH、ROCO2Li、ROLi、(ROCO2Li)2中的任一种或几种。
4.根据权利要求1或2所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述集流体为铜箔，优选地，所述铜箔的厚度为0.009-0.025mm。
5.根据权利要求1或2所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述活性物质涂层的密度为150g/m2-380g/m2，进一步优选为320g/m2。
6.根据权利要求1或2所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述活性物质涂层主要由包括负极活性材料、导电剂和粘结剂的组分制成；
优选地，所述负极活性材料、导电剂和粘结剂的质量比例为93-97：1-5：1-5；进一步优选地，所述负极活性材料、导电剂和粘结剂的质量比例为93-94∶3-4∶3。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，所述负极活性材料选自石墨、钛酸锂、硬碳等非金属材料中的一种或几种；
和/或，所述导电剂选自乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、磷片石墨、导电炭黑、导电石墨中的一种或者几种；
和/或，所述粘结剂为CMC。
8.权利要求1-7任一项所述锂离子电池负极极片的制备方法，其特征在于，包括将所述锂盐物质通过物理气相沉积法涂覆到所述活性物质涂层表面形成SEI膜。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将所述粘结剂分散到溶剂中，在真空度-0.08～-0.1MPa条件下搅拌均匀；然后加入所述导电剂，在真空度-0.08～-0.1MPa条件下搅拌均匀；再加入所述负极活性材料，抽真空至真空度-0.1MPa，充入高纯气体，保持真空度-0.06～-0.09MPa，搅拌均匀；常压下过滤；将所得浆料涂覆于所述集流体上，烘干后形成双面涂布所述活性物质涂层的电极片；
2)将所述锂盐物质通过物理气相沉积法涂覆到所述活性物质涂层表面形成SEI膜；所述物理气相沉积法优选为真空溅射，其条件：真空度2E-7Torr，使用氩气、氮气、氧气中的一种作为工艺气体，衬底升温：450℃，反溅功率：100W-500W，厚度均匀性：<±5％，溅射时间5-300S，成膜厚度0.1-100nm。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述锂离子电池负极极片，或包括权利要求8或9所述方法制得的锂离子电池负极极片。
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