CN106784621A - 锂离子电池极片及其制作方法、锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池极片及其制作方法、锂离子电池，锂离子电池极片的制作方法包括以下步骤：S1、在集流体的相对两个表面设置活性材料层；S2、在一个所述活性材料层上设置PTC涂层；S3、在另一个所述活性材料层上设置陶瓷涂层，制得锂离子电池极片。本发明中，在极片中设置PTC涂层，当电池处于热失控时，可以迅速增加内阻，电池断路，阻止进一步的放电，最终起到电芯保护的作用。在极片中设置陶瓷涂层，可以有效的改善极片的吸液性能，提高极片抗氢氟酸能力，起到很好的热阻隔效果，使得电芯的电性能及安全性能有很大的提升。

Description

锂离子电池极片及其制作方法、锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池极片及其制作方法、锂离子电池。
背景技术
随着全球环境污染日益严重，石油储备量日益消耗，全球对清洁能源的需求明显。其中锂离子电池作为一种高能量密度、环境友好的新能源备受各方关注。
随着对锂离子电池高能量能密度的追求，电芯容量越来越大，对电池的安全性能的挑战也越来越大。当电池出现短路，过充，热冲击等滥用情况时，电芯内部的温度会持续升高，最终引起一系列的副反应。此副反应不但会引起电芯性能失效，严重的会引起起火、爆炸，造成人身安全及各方面的财产损失。
安全性能是制约锂离子电池大型化发展的关键，因此提高电池的安全性能是亟需的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种提高电池安全性能的锂离子电池极片及其制作方法、具有该极片的锂离子电池。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种锂离子电池极片的制作方法，包括以下步骤：
S1、在集流体的相对两个表面设置活性材料层；
S2、在一个所述活性材料层上设置PTC涂层；
S3、在另一个所述活性材料层上设置陶瓷涂层，制得锂离子电池极片。
优选地，所述活性材料层为正极活性材料层或者负极活性材料层。
优选地，步骤S1包括：
S1.1、将活性材料层的原料混合均匀，制成活性材料浆料；
S1.2、将所述活性材料浆料分别涂布在集流体的两个表面上，烘烤，形成活性材料层。
优选地，步骤S2包括：
S2.1、将PTC涂层的原料混合均匀，制成PTC浆料；
S2.2、将所述PTC浆料涂布在所述活性材料层上，烘烤，形成PTC涂层。
优选地，步骤S3包括：
S3.1、将陶瓷涂层的原料混合均匀，制成陶瓷浆料；
S3.2、将所述陶瓷浆料涂布在所述活性材料层上，烘烤，形成陶瓷涂层。
优选地，所述PTC涂层的厚度为2-3μm；所述陶瓷涂层的厚度为2-3μm。
优选地，所述PTC涂层的面积大于或等于所述活性材料层的面积；
所述陶瓷涂层的面积大于或等于所述活性材料层的面积。
本发明还提供一种锂离子电池极片，包括集流体、分别设置在所述集流体相对两表面上的活性材料层、以及分别设置在两个所述活性材料层上的PTC涂层和陶瓷涂层。
优选地，所述PTC涂层的厚度为2-3μm；所述陶瓷涂层的厚度为2-3μm。
优选地，所述PTC涂层的面积大于或等于所述活性材料层的面积；
所述陶瓷涂层的面积大于或等于所述活性材料层的面积。
本发明还提供一种锂离子电池，包括电芯，所述电芯包括上述任一项所述的制作方法制成的锂离子电池极片或者上述的锂离子电池极片。
本发明的有益效果：在极片中设置PTC涂层，当电池处于热失控时，可以迅速增加内阻，电池断路，阻止进一步的放电，最终起到电芯保护的作用。在极片中设置陶瓷涂层，可以有效的改善极片的吸液性能，提高极片抗氢氟酸能力，起到很好的热阻隔效果，使得电芯的电性能及安全性能有很大的提升。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一实施例的锂离子电池极片的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1，本发明一实施例的锂离子电池极片的制作方法，包括以下步骤：
S1、在集流体10的相对两个表面设置活性材料层20。
对于正极片，集流体为铝板；对于负极片，集流体为铜板。
活性材料层20可为正极活性材料层，从而制得的极片为正极片；活性材料层20也可为负极活性材料层，从而制得的极片为负极片。
活性材料层20由活性材料浆料涂覆在集流体上固化形成，活性材料浆料根据正极或负极需要采用对应的原料混合制成。
具体地，步骤S1可包括：
S1.1、将活性材料层20的原料混合均匀，制成活性材料浆料；
S1.2、将活性材料浆料分别涂布在集流体10的两个表面上，烘烤，形成活性材料层20。
具体地，步骤S1.2中，先将活性材料浆料涂布在集流体10的一个表面上，烘烤形成一个活性材料层20；再将活性材料浆料涂布在集流体10的另一个表面，烘烤形成另一个活性材料层20。
烘烤温度为60-85℃，烘烤时间根据实际情况而定，例如为5-8min。
其中，活性材料层20的原料包括活性主料、导电剂、粘结剂以及溶剂。活性主料选自钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料、磷酸铁锂及石墨等活性物质；导电剂选用导电石墨、炭黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；粘结剂选用聚偏氟乙烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、丙烯酸系共聚物、羧甲基纤维素及丁苯橡胶中的一种或多种；溶剂选用N-甲基吡咯烷酮、丙酮或水中的至少一种。各原料按照一定的比例(采用现有技术实施)，通过搅拌混合以得到混合均匀的浆料。
S2、在一个活性材料层20上设置PTC涂层30。
PTC涂层30的厚度为2-3μm。PTC涂层30的面积大于或等于活性材料层20的面积。
步骤S2进一步可包括：
S2.1、将PTC涂层30的原料混合均匀，制成PTC浆料；
S2.2、将PTC浆料涂布在活性材料层20上，烘烤，形成PTC涂层30。
烘烤温度为60-85℃，烘烤时间根据实际情况而定，例如为2-3min，还可根据涂层厚度增减烘烤时间。
其中，PTC涂层30的原料包括PTC材料(正温度系数热敏电阻材料)、导电剂、粘结剂和溶剂，各原料按适当配比混合。PTC材料主要成分为钛酸钡与聚乙烯的混合物；优选的PTC材料的常温电阻为0.004-1Ω.cm，居里温度为90-130℃。
PTC涂层30为正温度系数热敏电阻材料涂层，超过一定温度后，PTC材料的电阻值随温度的升高呈阶梯性的增大。PTC涂层30在活性材料层20的表面，在电池中可以避免锂离子电池因短路或是过充等不当操作而引起的着火或爆炸等安全问题。以短路为例，当电池内部出现短路时，正负极极片接触产生大量热量，达到一定的温度后，位于活性材料层20表面的PTC涂层30即会动作形成电子绝缘层，阻断正极与负极的继续放电，从而阻止此滥用的持续进行，最终起到保护锂离子电池安全的目的。
S3、在另一个活性材料层20上设置陶瓷涂层40，制得锂离子电池极片。
陶瓷涂层40的厚度为2-3μm。陶瓷涂层40的面积大于或等于活性材料层20的面积。
步骤S3包括：
S3.1、将陶瓷涂层40的原料混合均匀，制成陶瓷浆料；
S3.2、将陶瓷浆料涂布在活性材料层20上，烘烤，形成陶瓷涂层40，从而陶瓷涂层40和PTC涂层30相对位于不同的活性材料层20上。
烘烤温度为60-85℃，烘烤时间可为5-8min，还可根据实际情况增减烘烤时间。
将陶瓷涂层40的原料包括氧化硅粉末和/或氧化铝粉末，还包括导电剂、粘结剂和溶剂，各原料按适当配比混合。氧化硅粉末和/或氧化铝粉末的粒径为100～1000nm。
陶瓷涂层40中主要陶瓷成分为氧化硅、氧化铝等材料，其具有化学惰性及绝缘性的特点，具有良好的保液性能，以此可以提升电芯的安全性能，循环性能。
PTC材料、氧化硅粉末、氧化铝粉末均为市场常规使用物料，可市购获得。
如图1所示，本发明一实施例的锂离子电池极片，可通过上述的制作方法制成，该锂离子电池极片包括集流体10、分别设置在集流体10相对两表面上的活性材料层20、以及分别设置在两个活性材料层20上的PTC涂层30和陶瓷涂层40。
根据活性材料层20的原料选择决定该锂离子电池极片为正极片或负极片。当活性材料层20为正极活性材料等制成的正极活性材料层时，锂离子电池极片为正极片；当活性材料层20为负极活性材料等制成的正极活性材料层时，锂离子电池极片为负极片。
PTC涂层30在活性材料层20上的厚度为2-3μm；PTC涂层30的面积大于或等于其所在的活性材料层20的面积。
陶瓷涂层40在活性材料层20上的厚度为2-3μm；陶瓷涂层40的面积大于或等于其所在的活性材料层20的面积。
本发明的锂离子电池，包括电芯。电芯包括上述的锂离子电池极片。
具体地，电芯中，正极片和负极片两者中可以任一种选用上述的锂离子电池极片，也可以两者都选用上述的锂离子电池极片。
下面通过具体实施例对本发明进行说明。
一、锂离子极片
1、正极活性材料浆料：正极活性主料为三元活性物质，导电剂采用Super-P，粘结剂采用聚偏氟乙烯PVDF，三者按质量比97.2：1.3：1.5的比例与溶剂N-甲基吡咯烷酮NMP混合均匀制成正极活性材料浆料。将正极活性材料浆料涂覆在集流体两面上，形成双面的正极活性材料层。
2、负极活性材料浆料：负极活性主料为石墨，导电剂采用Super-P，粘结剂采用CMC和SBR，将四种按质量比96：1：1.3：1.7的比例与水混合均匀后制成负极活性材料浆料。将负极活性材料浆料涂覆在集流体两面上，形成双面的负极活性材料层。
3、PTC浆料：PTC材料主要为钛酸钡与聚乙烯的混合物(其常温电阻率为0.08Ω.cm；当温度超过90℃后，电阻率迅速上升至5000Ω.cm)。将PTC材料进行研磨2-3h，将研磨均匀的PTC材料，导电剂Super，粘结剂聚偏氟乙烯PVDF按照比例96：2：2与溶剂N-甲基吡咯烷酮均匀混合，制成PTC浆料。
4、陶瓷浆料：陶瓷材料主要是Al2O3陶瓷粉末(颗粒粒径在100～1000纳米)；首先将Al2O3陶瓷粉末进行研磨，细化；再将Al2O3陶瓷粉末，导电剂Super-P，粘结剂聚偏氟乙烯PVDF按照比例96：2：2与N-甲基吡咯烷酮混合制成陶瓷浆料。
根据实际要求，分别在一正极活性材料层和一负极活性材料层表面涂覆一层PTC浆料，经过烘烤后去除溶剂，PTC浆料形成PTC涂层；分别在另一正极活性材料层和另一负极活性材料层涂覆一层陶瓷浆料，经过烘烤后去除溶剂，陶瓷浆料形成陶瓷涂层，从而分别制得正极片和负极片。
实施例1
采用上述制得的正极片以及只涂覆有负极活性材料层的负极片，经过后续制片、装配、注液、活化过程，制得锂离子电池。
实施例2
采用上述制得的负极片以及只涂覆有正极活性材料层的正极片，经过后续制片、装配、注液、活化过程，制得锂离子电池。
实施例3
采用上述制得的正极片和负极片经过后续制片、装配、注液、活化过程，制得锂离子电池。
比较例1
采用只涂覆有正极活性材料层的正极片以及只涂覆有负极活性材料层的负极片，经过后续制片、装配、注液、活化过程，制得锂离子电池。
将实施例1-3及比较例1制得锂离子电池按照锂离子电池GB-T31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法进行安全性能测试，主要测试项目包括过充测试、短路测试、针刺测试。
过充测试：电池按1C恒流恒压充电，截止电流0.05C；再对电池以1C恒流充电至6.3V。观察1h，监控此过程电芯表面的温度。并记录电芯是否起火，爆炸。
短路测试：电池按1C恒流恒压充电，截止电流0.05C；再以外部线路内阻＜5mΩ的导线连接电芯正负极，短路时间10min；观察1h，监控此过程电芯表面的温度。并记录电芯是否起火，爆炸。
针刺测试：电池按1C恒流恒压充电，截止电流0.05C；用直径6mm的耐高温钢针，以25mm/s的速度，从垂直于蓄电池极板的方向贯穿，贯穿位置宜靠近刺面的中心位置。钢针停留在蓄电池中。观察1h，监控此过程电芯表面的温度。并记录电芯是否起火，爆炸。
实施例1-3以及比较例1制作的锂离子电池的安全性能测试结果见表1。其中，所有测试以起火、爆炸视为测试不合格，其中测试通过率n/m中n为测试通过的锂离子电池数量，m为测试的总电池数量。
表1.锂离子电池的安全性能测试结果
从表1的测试结果可以看出，当极片表面涂覆有PTC涂层和陶瓷涂层时(实施例1-3)，电芯的基本的安全性能有很大改善。在过充测试、短路测试的通过率都有很大的提升，全部通过。其中安全隐患最大的针刺测试，通过率也是100％，极大的改善了电芯的安全性能，从而提高了锂离子电池的安全性能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池极片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在集流体的相对两个表面设置活性材料层；
S2、在一个所述活性材料层上设置PTC涂层；
S3、在另一个所述活性材料层上设置陶瓷涂层，制得锂离子电池极片。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述活性材料层为正极活性材料层或者负极活性材料层。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S1包括：
S1.1、将活性材料层的原料混合均匀，制成活性材料浆料；
S1.2、将所述活性材料浆料分别涂布在集流体的两个表面上，烘烤，形成活性材料层。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S2包括：
S2.1、将PTC涂层的原料混合均匀，制成PTC浆料；
S2.2、将所述PTC浆料涂布在所述活性材料层上，烘烤，形成PTC涂层。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S3包括：
S3.1、将陶瓷涂层的原料混合均匀，制成陶瓷浆料；
S3.2、将所述陶瓷浆料涂布在所述活性材料层上，烘烤，形成陶瓷涂层。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述PTC涂层的厚度为2-3μm；所述陶瓷涂层的厚度为2-3μm。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述PTC涂层的面积大于或等于所述活性材料层的面积；
所述陶瓷涂层的面积大于或等于所述活性材料层的面积。
8.一种锂离子电池极片，其特征在于，包括集流体、分别设置在所述集流体相对两表面上的活性材料层、以及分别设置在两个所述活性材料层上的PTC涂层和陶瓷涂层。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述PTC涂层的厚度为2-3μm；所述陶瓷涂层的厚度为2-3μm；
所述PTC涂层的面积大于或等于所述活性材料层的面积；所述陶瓷涂层的面积大于或等于所述活性材料层的面积。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括电芯，所述电芯包括权利要求1-7任一项所述的制作方法制成的锂离子电池极片或者权利要求8-9任一项所述的锂离子电池极片。
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