CN106784610A - 正极片及二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种正极片及二次电池。所述正极片包括：正极集流体；以及正极膜片，位于正极集流体上且包括正极活性物质以及粘结剂。所述正极集流体的表面存在羟基。所述粘结剂包括有机高分子粘结剂。所述正极片还包括：底涂层，位于正极集流体和正极膜片之间。所述底涂层包括导电高分子材料以及掺杂剂。所述导电高分子材料为含氮元素的具有共轭结构的导电高分子材料。所述掺杂剂为质子酸。本发明的正极片具有较高的粘结力以及电子导电性，保证二次电池具有较低的内阻以及较高的安全性能。

Description

正极片及二次电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种正极片及二次电池。
背景技术
电池的正极层一般是由正极活性物质、导电剂(诸如导电碳)和粘结剂(诸如PVDF)构成。增加导电性的方式通常为提高正极配方中导电剂的用量，提高粘结力的方式通常是提高正极配方中粘结剂的用量。提高导电剂的用量能提高正极的电子导电性，但是会损失正极活性物质的配比，使正极活性物质的含量相对降低，带来能量密度的降低，同时导电剂的增加一般来说会消耗较多的粘结剂，从而带来粘结性不足的缺点；提高粘结剂的用量虽然能一定程度上提高正极层的粘结性，但是会带来电池的阻抗增加、动力学性能变差、有效活性物质含量降低等一系列问题，而且粘结性的提高非常有限。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种正极片及二次电池，所述正极片具有较高的粘结力以及电子导电性，保证二次电池具有较低的内阻以及较高的安全性能。
为了达到上述目的，在本发明的一方面，本发明提供了一种正极片，其包括：正极集流体；以及正极膜片，位于正极集流体上且包括正极活性物质以及粘结剂。所述正极集流体的表面存在羟基。所述粘结剂包括有机高分子粘结剂。所述正极片还包括：底涂层，位于正极集流体和正极膜片之间。所述底涂层包括导电高分子材料以及掺杂剂。所述导电高分子材料为含氮元素的具有共轭结构的导电高分子材料。所述掺杂剂为质子酸。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种二次电池，其包括：正极片；负极片；隔离膜，间隔于正极片和负极片之间；以及电解液。所述正极片为根据本发明一方面所述的正极片。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
在本发明的正极片中，无需改变正极膜片中导电剂或者粘结剂的用量，因此不会损失正极片的能量密度，导电高分子材料的共轭结构能增强正极的电子导电性，降低二次电池的内阻，同时导电高分子材料中的氮原子与正极集流体表面的羟基形成的氢键以及导电高分子材料的长分子链与有机高分子粘结剂的长分子链相互缠结形成的范德华力能显著提高正极片的粘结性，达到增强正极的电子导电性和粘结力的目的。
本发明的正极片的粘结性较高，因此能保证二次电池的安全性能得到明显提高。
附图说明
图1为聚苯胺导电机理的示意图，其中A表示掺杂剂；
图2为聚吡咯导电机理的示意图，其中A表示掺杂剂；
图3为聚苯胺粘结机理的示意图，其中B表示正极集流体；
图4为聚吡咯粘结机理的示意图，其中B表示正极集流体。
具体实施方式
下面详细说明根据本发明的正极片及二次电池。
首先说明根据本发明第一方面的正极片，其包括正极集流体以及正极膜片，正极膜片位于正极集流体上且包括正极活性物质以及粘结剂。所述正极集流体的表面存在羟基。所述粘结剂包括有机高分子粘结剂。所述正极片还包括：底涂层，位于正极集流体和正极膜片之间。所述底涂层包括导电高分子材料以及掺杂剂。所述导电高分子材料为含氮的具有共轭结构的导电高分子材料。所述掺杂剂为质子酸。导电高分子材料中的氮原子与正极集流体表面存在的羟基产生氢键以及导电高分子材料的长分子链与有机高分子粘结剂的长分子链相互缠结，以将正极集流体和正极膜片粘结。
导电高分子材料中的N元素由于孤对电子的存在，具有吸引质子的性质，会与正极集流体表面的羟基产生部分氢键，从而在正极集流体和正极膜片之间产生很好的粘结作用。导电高分子材料的长分子链结构，能与正极膜片中的有机高分子粘结剂的长分子链在正极片涂布干燥的过程中相互缠结，并产生分子间的范德华力，从而与正极膜片产生较强的粘结效果。导电高分子材料具有共轭结构，经掺杂剂质子酸掺杂后形成电荷转移络合物，π电子容易从轨道上逃逸形成自由电子，离域能力加强，长分子链内和链间π电子轨道重叠形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了足够的通道，从而电子导电性显著增加。因此导电高分子材料能同时发挥增强正极电子导电性和提高正极片粘结性的作用。
在根据本发明第一方面所述的正极片中，所述正极集流体可选自铝箔、镍箔、不锈钢箔中的一种。铝箔、镍箔、不锈钢箔等金属的表面容易与空气中的水蒸气等作用形成金属氧化物，金属氧化物进一步和空气中的水蒸气反应生成所对应的碱，因此使得正极集流体的表面存在羟基。
在根据本发明第一方面所述的正极片中，所述导电高分子材料可选自聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)或二者的组合。参见图1以及图2，聚苯胺、聚吡咯是共轭体系，经掺杂剂质子酸掺杂后形成电荷转移络合物，π电子容易从轨道上逃逸形成自由电子，离域能力加强，长分子链内和链间π电子轨道重叠形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了足够的通道，从而电子导电性显著增加。参见图3以及图4，聚苯胺、聚吡咯中的N元素由于孤对电子的存在，具有吸引质子的性质，会与正极集流体表面的羟基产生部分氢键，从而在正极集流体和正极膜片之间产生很好的粘结作用。
在根据本发明第一方面所述的正极片中，所述质子酸可为有机质子酸。有机质子酸可为十二烷基磺酸、十二烷基苯磺酸、樟脑磺酸、甲苯磺酸、对甲苯磺酸、萘磺酸中的一种或几种。例如，参见图1以及图2，其中A可以表示十二烷基苯磺酸根离子。
在根据本发明第一方面所述的正极片中，所述底涂层还可包括增稠剂。增稠剂可以调节底涂层制备过程中浆料的流变性，防止浆料沉淀。优选地，所述增稠剂可为聚丙烯酸钠、甲基丙烯钠或二者的组合。
在根据本发明第一方面所述的正极片中，导电高分子材料在底涂层中的质量百分含量可为98.5％～99％。掺杂剂在底涂层中的质量百分含量可为0.5％～1％。增稠剂在底涂层中的质量百分含量可为0.5％～1％。
在根据本发明第一方面所述的正极片中，底涂层的厚度可为1μm～20μm。
在根据本发明第一方面所述的正极片中，所述正极活性物质可选自钴酸锂、锰酸锂、锂镍锰钴材料、磷酸铁锂中的一种或几种。
在根据本发明第一方面所述的正极片中，所述正极膜片还可包括导电剂。所述导电剂可选自乙炔黑、导电炭黑、碳纤维、碳纳米管、科琴黑中的一种或几种。
在根据本发明第一方面所述的正极片中，所述有机高分子粘结剂可选自聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯中的一种或几种。导电高分子材料的长分子链结构，能与有机高分子粘结剂的长分子链在正极片涂布干燥的过程中相互缠结，并产生分子间的范德华力，从而在底涂层与正极膜片之间产生较强的粘结效果。
其次说明根据本发明第二方面的正极片的制备方法，用于制备本发明第一方面的正极片，包括步骤：(1)采用搅拌分散的方法将导电高分子材料、掺杂剂共混溶于溶剂中得到底涂层浆料，之后将底涂层浆料涂布在正极集流体上；(2)将正极活性物质以及粘结剂溶于溶剂中得到正极浆料，之后将正极浆料涂布在底涂层浆料上，之后经过干燥、辊压机压实，得到正极片，其中底涂层浆料干燥后形成底涂层，正极浆料干燥后形成正极膜片。
在浆料干燥过程中，导电高分子中材料的氮原子由于孤对电子的存在能与正极集流体表面存在的羟基产生氢键，导电高分子的长分子链结构能与正极浆料中的有机高分子粘结剂的长分子链相互缠结，并产生分子间的范德华力，因而可以把正极集流体和正极膜片牢固粘结在一起。
在根据本发明第二方面的正极片的制备方法中，底涂层浆料可涂布在集流体的一个表面上，也可涂布在集流体的两个表面上。
在根据本发明第二方面的正极片的制备方法中，底涂层浆料的固含量为1％～10％，底涂层浆料的粘度为300mPa.s～1800mPa.s。
再次说明根据本发明第三方面的二次电池，其包括：正极片；负极片；隔离膜，间隔于正极片和负极片之间；以及电解液。所述正极片为根据本发明第一方面的正极片。
在根据本发明第三方面所述的二次电池中，所述二次电池可选自锂聚合物电池、锂离子二次电池或镍氢电池。
接下来说明根据本发明的正极片及二次电池的实施例和对比例。
实施例1
将99.0wt％聚苯胺、0.5wt％十二烷基苯磺酸和0.5wt％聚丙烯酸钠溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中高速分散搅拌均匀得到底涂层浆料，底涂层浆料的固含量约为7％、粘度为300mPa.s，之后将底涂层浆料涂布到铝箔上，控制涂布厚度为1μm～6μm，即得到含有底涂层的基材J1。
实施例2
将98.5wt％聚吡咯、1wt％十二烷基苯磺酸和0.5wt％聚丙烯酸钠溶于NMP中高速分散搅拌均匀得到底涂层浆料，底涂层浆料的固含量约为10％、粘度为1800mPa.s，之后将底涂层浆料涂布到铝箔上，控制涂布厚度为2μm～10μm，即得到含有底涂层的基材J2。
对比例1
将十二烷基苯磺酸和聚丙烯酸钠按质量比2:1溶于NMP中高速分散搅拌均匀得到涂层浆料，涂层浆料的固含量约为1％，之后将涂层浆料涂布到铝箔上，控制涂布厚度为1μm～4μm，即得到对比基材J3。
接下来说明锂离子二次电池的制备。
正极片的制备：将96wt％钴酸锂、2wt％聚偏氟乙烯、2wt％导电炭黑混合溶于NMP中经高速分散制成正极浆料，正极浆料的固含量为73％，之后将正极浆料均匀地涂布在上述基材J1、J2和J3的两面，经过干燥、辊压机压实，得到正极片，分别记为S1、S2和S3。
负极片的制备：将95wt％石墨、1wt％羧甲基纤维素钠、2wt％导电炭黑、2wt％的SBR溶于去离子水中经高速分散制成负极浆料，负极浆料的固含量为42％，之后将负极浆料均匀地涂布在铜箔的两面，经过干燥、辊压机压实，得到负极片记为A。
锂离子二次电池的制备：将不同正极极片S1、S2和S3和负极片A分别焊接金属极耳，采用10μm厚的聚乙烯隔离膜，卷绕后形成裸电芯，再用铝塑膜封装。采用含1M的六氟磷酸锂、溶剂为碳酸丙烯酯/碳酸二甲酯/碳酸甲基乙基酯1:1:1(体积比)的混合溶剂作为电解液。注入电解液对电芯进行化成和老化，得到长宽厚为80mm×60mm×4mm的方形软包装锂离子二次电池，分别记为C1、C2和D1。
接下来说明锂离子二次电池的测试过程。
(1)正极片的粘结力测试：
将20mm×80mm的3M双面胶粘贴在30mm×300mm的钢板的一端，取对比例和实施例中的正极片，充切成20mm×200mm的矩形，正极片的一端粘贴在双面胶的表面，另一端翻折180°，将钢板的一端和翻折的正极片分别固定在高铁拉力机的上下两个夹具上，采用180°剥离的方法对正极片的粘结力进行测试表征，详细测试方法参见《压敏胶粘带180°剥离强度试验方法》(GB/T 2792-1998)。测试数据见表1。
(2)正极片的电阻测试：
用内阻仪测试正极片电阻。内阻仪工作频率1000Hz，正、负极铜探头直径均为10mm。将正极片裁成约20mm×20mm的方形，正极片中央放置于两探头的中间，探头压力约0.5t，读取正极片的电阻值。测试数据见表2。
(3)锂离子二次电池的内阻测试：
25℃下，将电池以0.5C倍率恒流充电至3.95V，用内阻仪(频率1000Hz)测试电池内阻，测试结果见表3。
(4)锂离子二次电池的穿钉测试：
每组测试10个电池，统计电池的测试通过个数为N，测试结果见表4。测试流程如下：在25℃下，以1C倍率恒流充电至4.2V，之后恒压充电至电流<0.01C；用直径约3mm的钢钉，以速度100mm/s从电池宽面的正中央垂直穿透电池；测试过程中观察电池是否有爆炸、起火、冒烟现象，有上述现象则表示电池的安全性能较差，测试不通过。同时记录测试完成后电池表面的温度。
(5)锂离子二次电池的撞击测试：
每组测试10个电池，统计电池的测试通过个数为N，测试结果见表5。测试流程如下：在25℃下，以1C倍率恒流充电至4.2V，之后恒压充电至电流<0.01C；将直径为20mm、长度为30cm的圆棒垂直于电池试样；用10Kg的重锤，距离圆棒与电池试样交叉处50cm，垂直自由状态落下；测试过程中观察电池是否有爆炸、起火、冒烟现象，有上述现象则表示电池的安全性能较差，测试不通过。同时记录测试完成后电池表面的温度。
表1：正极片的粘结力测试结果
实施例1 实施例2 对比例1
粘结力(N/m) 88 67 43
表2：正极片的电阻测试结果
实施例1 实施例2 对比例1
电阻(Ω) 0.560 0.691 3.453
表3：电池内阻测试结果
实施例1 实施例2 对比例1
内阻(mohm) 28 27 32
表4：电池穿钉测试结果
实施例1 实施例2 对比例1
通过个数N 9 10 1
电池表面最高温度(℃) 58 46 550(起火)
表5：电池撞击测试结果
实施例1 实施例2 对比例1
通过个数N 10 9 1
电池表面最高温度/℃ 55 61 573(起火)
在表1中，正极片S1、S2的粘结力较正极片S3明显增加。在表2中，正极片S1、S2的电阻较正极片S3明显降低。在表3中，锂离子二次电池C1、C2的内阻较锂离子二次电池D1明显降低。在表4和表5中，锂离子二次电池C1、C2的安全性能较锂离子二次电池D1明显提高。

Claims (10)

1.一种正极片，包括：
正极集流体；以及
正极膜片，位于正极集流体上且包括正极活性物质以及粘结剂；
其特征在于，
所述正极集流体的表面存在羟基；
所述粘结剂包括有机高分子粘结剂；
所述正极片还包括：
底涂层，位于正极集流体和正极膜片之间；
所述底涂层包括导电高分子材料以及掺杂剂；
所述导电高分子材料为含氮元素的具有共轭结构的导电高分子材料；
所述掺杂剂为质子酸。
2.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述正极集流体选自铝箔、镍箔、不锈钢箔中的一种。
3.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述导电高分子材料选自聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)或二者的组合。
4.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述质子酸为有机质子酸。
5.根据权利要求4所述的正极片，其特征在于，所述有机质子酸为十二烷基磺酸、十二烷基苯磺酸、樟脑磺酸、甲苯磺酸、对甲苯磺酸、萘磺酸中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述底涂层还包括增稠剂，所述增稠剂为聚丙烯酸钠、甲基丙烯钠或二者的组合。
7.根据权利要求6所述的正极片，其特征在于，
导电高分子材料在底涂层中的质量百分含量为98.5％～99％；
掺杂剂在底涂层中的质量百分含量为0.5％～1％；
增稠剂在底涂层中的质量百分含量为0.5％～1％。
8.根据权利要求1或6所述的正极片，其特征在于，所述正极膜片还包括导电剂。
9.根据权利要求1所述的正极片，其特征在于，所述有机高分子粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯中的一种或几种。
10.一种二次电池，包括：
正极片；
负极片；
隔离膜，间隔于正极片和负极片之间；以及
电解液；
其特征在于，
所述正极片为根据权利要求1-9中任一项所述的正极片。
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