CN105921343B - 单体大容量锂离子电池制造方法和极片涂布设备 - Google Patents

Abstract

一种单体大容量锂离子电池制造方法和极片涂布设备，在该方法中，直接将制备好的隔膜浆料涂布于正极片或负极片的表面，烘干后再进行极片的叠加，制成电芯后，通过入壳、注液等步骤得到电池成品。本申请提供的单体大容量锂离子电池制造方法和极片涂布设备，通过将隔膜浆料直接涂布于正极片或负极片上的方式，解决了电池在组装过程中隔膜不容易平整、移位、析锂等问题，从而很好地保证了电池的质量，可以实现单体电池大容量化。

Description

单体大容量锂离子电池制造方法和极片涂布设备

技术领域

本申请涉及锂离子电池制造技术领域，具体涉及一种锂离子电池制造方法和极片涂布设备，尤其涉及到单体大容量锂离子电池的制造方法和极片涂布设备。

背景技术

随着新能源汽车产业的发展，对汽车的续航能力越来越重视，如何提高汽车的续航能力也是行业内需要攻关的技术难点。而为了提高汽车的续航能力，主要是需要提高电池的容量，因此，大容量电池应用而生。并且，大容量电池不仅可以应用到汽车产业，也可以应用到储能、电力等领域。

请参考图1，为锂离子电池中单个电芯的结构示意图。

电池电芯中包括正极片A101、负极片A102和隔膜A103。正极片A101与负极片A102之间放置有隔膜A103。图1所示的电芯中，包括一个负极片A102和两片正极片A101。正极片A101的集流体内侧涂布有正极浆料，负极片A102的集流体两侧涂布有负极浆料。

目前单体大容量的聚合物锂离子电池的内部极片结构主要是采用层叠式结构，其生产工艺主要包括：首先经过搅拌涂布制成整卷极片卷料，然后根据电池的大小再切成单片的正极片和负极片，再与隔膜交替层叠组装而成。采用此工艺主要的缺点是极片与隔膜之间难以平整贴合，特别是在单体大容量电池的生产中；另外，叠好片的电池在工艺转运的过程当中也容易发生移位，造成内部短路，接触不良；在电池做成成品后，电池在充放电过程中，极片与极片之间也因受外力容易发生移位，发生内部短路；充放电过程中极片之间会膨胀，时间一长容易产生锂析出，造成电池内部短路，产生安全问题。因此，目前的聚合物锂离子电池制造方法难以生产单体大容量大于50安时的电池。

现有聚合物锂离子电池正极材料主要是由正极集流体、正极活性材料、粘合剂PVDF、导电剂组成，负极则由负极集流体、负极活性材料、导电剂、水性粘合剂组成。隔膜则采用聚丙烯或聚乙烯等薄膜组成。由于正极、负极里所有的粘合剂与隔膜组份都不能产生聚合粘接作用，因此，电池极片在充放电过程中容易发生极片移位或膨胀分离，引起电池内部短路或析锂，产生安全问题。

另外，电池组装时隔膜易发生折皱，特别是当电池单体容量要做大时，因电池极片面积变大，隔膜在叠片时跟极片之间的接触平整难度很大。

发明内容

本申请提供了一种单体大容量锂离子电池制造方法和极片涂布设备，解决了电池在组装过程中隔膜不容易平整、移位、析锂等问题，因此极片尺寸可以加大，电池的单体容量可以做到更大。

根据本申请的第一方面，本申请提供了一种单体大容量锂离子电池制造方法，包括：

第一极片制造步骤，用于将制备好的第一极浆料涂布于第一集流体上，得到第一极片；

第二极片制造步骤，用于将制备好的第二极浆料涂布于第二集流体上，得到第二极片；所述第一极片为正极片，第一极浆料为正极浆料，第一集流体为正极集流体，第二极片为负极片，第二极浆料为负极浆料，第二集流体为负极集流体；或者，所述第一极片为负极片，第一极浆料为负极浆料，第一集流体为负极集流体，第二极片为正极片，第二极浆料为正极浆料，第二集流体为正极集流体；

隔膜涂布步骤，所述隔膜涂布步骤包括：制备隔膜浆料；将所述隔膜浆料涂布于第一极片的一面或两面；将涂布有隔膜浆料的第一极片进行烘干；

组装步骤，用于根据电池容量大小将涂布有隔膜浆料的第一极片与第二极片依次叠加，得到电池电芯，将电芯入壳、注液后得到电池成品。由于极片与隔膜之间是平整不起皱的，所以极片尺寸可以按照设备最大的加大能力来裁切，按目前的设备能力，采用本法，电池的极片尺寸最大可以切成长度和宽度分别是1000mm,按目前的普通的能量密度250Wh/L来计算，对于3.2V的磷酸铁锂电池来讲，如果叠片厚度为20mm,则1000*1000mm(长*宽)的容量可达1500Ah以上，实现了大容量的设计目标。

根据本申请的第二方面，本申请还提供了一种用于上述方法的极片涂布设备，包括：

第一极片放卷装置，用于将整卷第一极片放卷；

隔膜浆料涂布装置，用于将制备好的隔膜浆料涂布于第一极片的一面或两面；

烘干装置，用于将涂布有隔膜浆料的第一极片进行烘干；

收卷装置，用于对涂布有隔膜浆料并且烘干后的第一极片进行收卷。

本申请提供的单体大容量锂离子电池制造方法和极片涂布设备中，直接将制备好的隔膜浆料涂布于正极片或负极片的表面，烘干后再进行极片的叠加，制成电芯后，通过入壳、注液等步骤得到电池成品。本申请提供的单体大容量锂离子电池制造方法和极片涂布设备，通过将隔膜浆料直接涂布于正极片或负极片上的方式，解决了电池在组装过程中隔膜不容易平整、移位、析锂等问题，从而很好地保证了电池的质量，可以实现单体电池大容量化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为锂离子电池中单个电芯的结构示意图；

图2为本申请一种实施例中单体大容量锂离子电池的制造方法的流程示意图；

图3为本申请一实施例中涂布隔膜浆料前的正极片卷料的结构示意图；

图4为本申请一种实施例中涂布隔膜浆料后的正极片卷料的结构示意图；

图5为本申请一种实施例中在对涂布好隔膜浆料的正极片进行切片时，切出的左极耳极片和右极耳极片的结构示意图；

图6为本申请一种实施例中，根据电池容量大小将涂布有隔膜浆料的正极片与负极片依次叠加，得到电池电芯的结构示意图；

图7为本申请一种实施例中用于单体大容量锂离子电池制造方法的极片涂布设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的发明构思在于：考虑到隔膜较薄，在其与正极片或负极片叠加时，容易导致叠加不平整的问题。本申请直接将制备好的隔膜浆料涂布于正极片或负极片的表面，烘干后再进行极片的叠加，制成电芯后，通过入壳、注液等步骤得到电池成品。通过将隔膜浆料直接涂布于正极片或负极片上的方式，解决了电池在组装过程中隔膜不容易平整、移位、析锂等问题，从而很好地保证了电池的质量。

需要说明的是，本申请中，第一极片为正极片，第一极浆料为正极浆料，第一集流体为正极集流体，第二极片为负极片，第二极浆料为负极浆料，第二集流体为负极集流体；或者，第一极片为负极片，第一极浆料为负极浆料，第一集流体为负极集流体，第二极片为正极片，第二极浆料为正极浆料，第二集流体为正极集流体。本申请实施例中，以第一极片为正极片，第一极浆料为正极浆料，第一集流体为正极集流体，第二极片为负极片，第二极浆料为负极浆料，第二集流体为负极集流体为例进行说明。当第一极片为负极片，第一极浆料为负极浆料，第一集流体为负极集流体，第二极片为正极片，第二极浆料为正极浆料，第二集流体为正极集流体时，其原理相同。

实施例一

请参考图2，本实施例提供了一种单体大容量锂离子电池制造方法，包括下面步骤：

S01：正极片制造步骤，用于将制备好的正极浆料涂布于正极集流体上，得到正极片。

S02：负极片制造步骤，用于将制备好的负极浆料涂布于负极集流体上，得到负极片。

S03：隔膜涂布步骤。隔膜涂布步骤包括：制备隔膜浆料；将隔膜浆料涂布于正极片的一面或两面；将涂布有隔膜浆料的正极片进行烘干。

S04：组装步骤，用于根据电池容量大小将涂布有隔膜浆料的正极片与负极片依次叠加，得到电池电芯，将电芯入壳、注液后得到电池成品。

本实施例中，步骤S01具体可以采用下面步骤：

1、先将正极粘合剂、导电剂和正极活性材料按配方比例称好料，并按固液质量百份比3：2称好相对应的溶剂，溶剂具体可以采用NMP(N-甲基吡咯烷酮)。

2、先往搅拌容器内加入配方量的NMP，然后加入配方量的粘合剂聚偏氟乙烯(PVDF)，将温度升至35～45度，搅拌2～4小时，待粘合剂充份溶解后加入导电剂，搅拌2～4小时后再加入配方量的正极活性材料，搅拌2～4小时，经抽真空除气后，涂布在正极集流体铝箔上。涂布可以是分段涂布，每一段就是一个极片大小。

3、涂布好的卷料经过辊压后收卷起来，当作隔膜涂布的基材。

具体的，正极集流体为铝箔，正极材料主要由正极活性材料，正极粘合剂、导电剂组成。正极活性材料主要是含锂的金属氧化物，如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等，导电剂可以是乙炔黑、超细石黑粉等，粘合剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)等。

在具体实施例中，正极活性材料的质量分数为90～97％，导电剂的质量分数为1～5％，粘合剂的质量分数为2～8％。进一步，正极活性材料的质量分92％-95％，导电剂的质量分数为1-3％，粘合剂的质量分数为3％-5％。本实施例中，正极活性材料的质量分数为95％，导电剂的质量分数为2.5％，粘合剂的质量分数为2.5％。

另外，本实施例步骤S01采用的正极片可以采用上述提供的方法制备，也可以采用现有技术中其他方法制备。

本实施例中，步骤S01具体可以采用下面步骤：

1、先将负极粘合剂、导电剂和负极活性材料按配方比例称好料，并按固液质量百份比1：1称好相对应的溶剂，溶剂可以采用NMP(N-甲基吡咯烷酮)。

2、先往搅拌容器内配方量的NMP，然后加入配方量的粘合剂PVDF，将温度升至35～45度，搅拌2～4小时，待粘合剂充份溶解后加入导电剂，搅拌2～4小时后再加入配方量的负极活性材料，搅拌2～4小时，经抽真空除气后，涂布在负极集流体铜箔上。如果负极集流体两而都需要涂布负极浆料，则在第一面烘干后继续涂第二面。

3、双面涂布完成后，整卷辊压后根据电池大小尺寸切片，并将切好的小片收集起来，准备下一个叠片工序。

具体的，负极主要由负极集流体和负极材料组成。负极集流体为铜箔，负极材料主要为负极活性材料、负极粘结剂、导电剂组成；负极活性材料可以是人工石墨、天然石墨、硬碳、中间相碳微球等碳材料或硅系材料或其他金属复合氧化物如钛酸锂等，负极粘合剂可以是油性粘合剂，如聚偏氟乙烯(PVDF)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)。也可以水性粘合剂，如聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯腈-四基丙烯酸甲酯(AMMA)、聚丙烯睛(PAN)、聚丙烯到酯类、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)等。导电剂可以是乙炔黑、超细石墨粉、碳纳米管、碳纤维等。

在具体实施例中，负极活性材料的质量分数为90％-97％，导电剂的质量分数为1％-5％，粘合剂的质量分数为2％-8％。进一步，负极活性材料的质量分92％-96％，导电剂的质量分数为1-3％，粘合剂的质量分数为3％-5％。本实施例中，负极活性材料的质量分数为94％，导电剂的质量分数为2.5％，粘合剂采用采用聚偏氟乙烯(PVDF)，质量分数为3.5％。

另外，本实施例步骤S02采用的负极片可以采用上述提供的方法制备，也可以采用现有技术中其他方法制备。

隔膜涂布步骤S03中：制备隔膜浆料；在分段涂布有正极浆料的整卷正极集流体基材上，将隔膜浆料涂布于正极片的一面或两面；将涂布有隔膜浆料的正极极片进行烘干，之后根据正极片的大小进行分切。

优选的，在分段涂布有正极浆料的整卷正极集流体基材上，将隔膜浆料涂布于正极片的一面或两面时，涂布的隔膜浆料覆盖在正极浆料上，并超出正极浆料边沿0mm-10mm。如图3和4所示，其分别示出了涂布隔膜浆料前、后的正极片卷料的结构。

本实施例中，隔膜浆料至少包括绝缘填料和隔膜聚合物。具体的，隔膜聚合物采用聚偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物。

本实施例中，按正常工艺得到正极片卷料后，经辊压，将此正极片卷料作为基材，直接在上面进行二次涂布一层隔膜层，然后经烘干切片后与负极片叠片而成锂离子电池。由于目前锂离子电池的极片涂布方式一般采用刮刀转移涂布，基材的厚度一致性对涂层影响很大，一般要求基材厚度变化在0.002mm以内，而一次涂布生成的极片厚度经辊压后变化一般在0.010mm范围内，厚度差异太大。另外，如果采用刮刀转移涂布方式在极片上进行二次涂布，隔膜浆料粘度低，涂布辊和擦拭辊之间会不停的漏料，因此，目前的涂布方式不适合隔膜在极片上涂布。所以本实施例优选的，隔膜涂布方式采用的是条缝挤压涂布(slot-die coating)方式涂布。挤压头是密封的，直接涂布在极片上，极片本身厚度对挤压二次涂布厚度影响不大。隔膜涂布时涂布宽度会大于正极材料涂布宽度，因此隔膜涂层除了与正极材料涂层接触，边缘区域也会与正极集流体铝箔接触。本实施例所用的隔膜层与铝金属有较好的粘接作用，同时，因为正极配方中有粘合剂聚偏氟乙烯(PVDF)，经烘干后两者也会发生一定的聚合物粘接作用，因此，隔膜涂层会牢牢地粘在正极片上，不会脱落，方便后续的切片叠片等加工生产。

在具体实施例中，隔膜的聚合物的质量分数为50～85％，绝缘填料的质量分数为15％-50％。进一步，聚合物的质量分数为60-80％，绝缘填料的质量分数为20％-40％。本实施例中，聚合物的质量分数为66％，绝缘填料的质量分数为34％。

隔膜涂布步骤S03可以具体包括：在容器中加入溶剂；往溶剂中加入隔膜聚合物，升温至30-38℃，搅拌2～4小时，待隔膜聚合物全部溶解后加入绝缘填料，研磨搅拌2～6小时；待绝缘填料充份分散开后，经200～300目过滤网过滤；采用条缝挤压涂布的方式，将隔膜浆料涂布覆盖在正极浆料上，并超出正极浆料边沿3mm-10mm；隔膜浆料涂层的厚度为0.02mm～0.1mm；之后经过56～70℃烘干。

本实施例中，对在得到电池成品时的入壳、注液、充电化成、老化等步骤不做具体说明，这些步骤可以采用现有技术中任意可行的实现方案。

如图5所示，在对涂布好隔膜浆料的正极片进行切片时，需要注意等量切出左极耳极片和右极耳极片。

如图6所示，为根据电池容量大小将涂布有隔膜浆料的正极片与负极片依次叠加，得到电池电芯的结构示意图。

实施例二

请参考图7，本实施例提供了一种用于上述实施例一提供的单体大容量锂离子电池制造方法的极片涂布设备，包括第一极片放卷装置301、隔膜浆料涂布装置302、烘干装置303和收卷装置304。

第一极片放卷装置301用于将整卷第一极片放卷。

隔膜浆料涂布装置302用于将制备好的隔膜浆料涂布于第一极片的一面或两面。优选的，隔膜浆料涂布装置302用于将所述隔膜浆料通过条缝挤压涂布的方式涂布于第一极片的一面或两面。

烘干装置303用于将涂布有隔膜浆料的第一极片进行烘干。

收卷装置304用于对涂布有隔膜浆料并且烘干后的第一极片进行收卷。

本申请实施例提供的单体大容量锂离子电池制造方法和极片涂布设备具备下面优点：

1、隔膜属于共聚高分子，做成电池后，跟正负极片里的粘合剂会发生一定的共聚作用，能够起到稳定内部的作用，使电池性能更加稳定。

2、隔膜是用倒相法涂布在极片上的，隔膜跟正极片之间毫无缝隙，再与负极叠片时，隔膜表面是平整完美的，不会有任何的皱折现象。电芯在注液时通过夹具化成工艺，隔膜跟负极之间也能反生共聚反应，最终消除了极片与隔膜之间的界面不稳定的问题。

3、隔膜不需要外购，可以根据电池尺寸自行生产，大大节约了成本。

4、隔膜涂布使用挤压高速涂布，高速分切，可以实现自动化大规模生产。

5、目前广泛使用的聚乙烯或聚丙烯隔膜投资巨大，一条生产线动则上亿元，另外，隔膜卷出来之后还有一系列的分切过程，电池规格型号又多，导致产品利用率低下，造成较大的资源浪费。采用本申请提供的方法后，隔膜用多少涂多少，不需要分切使用，材料利用率达到最高，节约了大量成本。

6、目前广泛使用的聚乙烯或聚丙烯隔膜跟极片之间不会产生任何胶粘作用，直接使用，极片与隔膜之间没有粘接作用，会造成体系结构不稳定，特别是当电池单体容量做大，更难保障电池之间的界面稳定。采用本申请提供的方法后，隔膜直接涂布在极片上，后续通过夹具化成，极片与隔膜之间得到很好的粘结效果。因此，电池单体容量可以做的更大，以适应新能源汽车和动力储能市场需要。

7、目前广泛使用的聚乙烯或聚丙烯隔膜非常柔软，无论是采用叠片式组装或卷绕式组装，都需要增加一系列的张力和纠偏系统，设备投入和维护成本高，而且始终难以杜绝隔膜在与极片组装和电芯干燥，注液等工序时产生的皱折，电池始终存在品质隐患，采用本申请提供的方法后，隔膜永不会打皱，彻底解决了这个品质隐患。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种单体大容量锂离子电池制造方法，其特征在于，包括：

第一极片制造步骤，用于将制备好的第一极浆料涂布于第一集流体上，得到第一极片；

第二极片制造步骤，用于将制备好的第二极浆料涂布于第二集流体上，得到第二极片；所述第一极片为正极片，第一极浆料为正极浆料，第一集流体为正极集流体，第二极片为负极片，第二极浆料为负极浆料，第二集流体为负极集流体；或者，所述第一极片为负极片，第一极浆料为负极浆料，第一集流体为负极集流体，第二极片为正极片，第二极浆料为正极浆料，第二集流体为正极集流体；

隔膜涂布步骤，所述隔膜涂布步骤包括：制备隔膜浆料；将所述隔膜浆料涂布于第一极片的一面或两面；将涂布有隔膜浆料的第一极片进行烘干，所述隔膜浆料至少包括绝缘填料和隔膜聚合物，所述隔膜聚合物采用聚偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物，所述隔膜聚合物的质量分数为60％-80％，绝缘填料的质量分数为20％-40％；

组装步骤，用于根据电池容量大小将涂布有隔膜浆料的第一极片与第二极片依次叠加，得到电池电芯，将电芯入壳、注液后得到电池成品。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述隔膜浆料通过条缝挤压涂布的方式涂布于第一极片的一面或两面。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

第一极片制造步骤包括：在整卷第一集流体基材上，根据第一极片的大小，在第一集流体基材上分段涂布第一极浆料；

第二极片制造步骤包括：在整卷第二集流体基材上，根据第二极片的大小，在第二集流体基材上分段涂布第二极浆料，之后根据第二极片的大小进行分切；

隔膜涂布步骤包括：制备隔膜浆料；在分段涂布有第一极浆料的整卷第一集流体基材上，将所述隔膜浆料涂布于第一极片的一面或两面；将涂布有隔膜浆料的第一极片进行烘干，之后根据第一极片的大小进行分切。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在分段涂布有第一极浆料的整卷第一集流体基材上，将所述隔膜浆料涂布于第一极片的一面或两面时，涂布的隔膜浆料覆盖在第一极浆料上，并超出第一浆料边沿0mm-10mm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述隔膜涂布步骤包括：在容器中加入溶剂；往溶剂中加入隔膜聚合物，升温至30-38℃，搅拌2～4小时，待隔膜聚合物全部溶解后加入绝缘填料，研磨搅拌2～6小时；待绝缘填料充份分散开后，经200～300目过滤网过滤；采用条缝挤压涂布的方式，将隔膜浆料涂布覆盖在第一极浆料上，并超出第一浆料边沿3mm-10mm；隔膜浆料涂层的厚度为0.02mm～0.1mm；之后经过56～70℃烘干。

6.一种极片涂布设备，其特征在于，所述极片涂布设备用于如权利要求1-5中任一项所述方法，包括：

第一极片放卷装置，用于将整卷第一极片放卷；

隔膜浆料涂布装置，用于将制备好的隔膜浆料涂布于第一极片的一面或两面；

烘干装置，用于将涂布有隔膜浆料的第一极片进行烘干；

收卷装置，用于对涂布有隔膜浆料并且烘干后的第一极片进行收卷。

7.如权利要求6所述的极片涂布设备，其特征在于，所述隔膜浆料涂布装置用于将所述隔膜浆料通过条缝挤压涂布的方式涂布于第一极片的一面或两面。