CN106848184A - 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

本发明公开了一种锂离子电池极片，包括集流体，所述集流体的上下两面分别涂覆有电极活性物质层；所述电极活性物质层的外表面在经过辊压后形成有一层微孔结构。本发明先配制好水性电极浆料和挥发剂的水溶液，然后将电极浆料涂敷在集流体上，把挥发剂的水溶液喷洒在湿润电极的外表面，一起进烤箱低温烘烤，得到原始的极片；然后对极片进行辊压，最后把辊压后的极片放入烤箱中高温烘烤，将电极表面的挥发剂去除，得到表面具有孔隙结构的电池极片。本发明制备的极片的外层表面具有一层稀疏的孔隙结构，在锂离子电池充放电过程中，该结构解决了锂离子在极片外表面部分发生离子极化的问题，有效解决了因辊压带来的高能量密度电池的析锂问题。

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，尤其涉及到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
随着消费类电子产品的更新换代以及动力交通工具的快速发展，储能设备正在朝着更高能量密度、更长的使用寿命、更高的安全性方向发展。在所有二次电池中，锂离子电池具备比能量高、高比功率、长循环寿命和高温性能好等特点，已经在各种领域得到了广泛应用。
二次锂离子电池经过了近25年的发展，能量密度已经可以做到700Wh/L甚至更高，但是收到材料本身性质以及工艺方法的限制。当锂离子电池能量密度提高后，它的倍率新能、循环寿命、高温性能以及安全性等性能受到了不同程度的抑制。就目前技术来说，钴酸锂是公认的能量密度最高的正极材料，电压可以做到4.45V，无论是材料还是工艺技术都已经接近极限。因此提高锂离子电池能量密度主要采取的手段有提高负极活性物质的比能量、采用更薄的隔膜、采用更极限的结构设计等。无论是以上的那种途径，都是以牺牲锂离子电池某一方面性能来实现的，因此研发新型材料、新的制造加工工艺的工作势在必行。
而现有提高锂离子电池能量密度的技术主要来自以下两个方面：(1)高能量密度材料的开发应用。(2)对有限空间的挖掘和应用(如对电极厚涂布，大压实)；在锂离子电池充放电过程中，在极片的z向(垂直于集流体的方向)，靠近就流体一侧电极材料所承受的电子密度最大，易发生电子极化；在远离集流体一侧的电极材料所承受的离子电荷密度最大，易发生离子极化。随着电池能量密度的提高，各大电池制造厂家和科研机构都已关注到了以上存在的极化问题，但大家目前的做法是在集流体上涂敷导电材料来改善极片的电子极化问题，而对于极片外侧由高压光密度造成的电荷离子极化却无人问津。
在极片受辊压后，压光的极片外表面具有更高的压实密度，在最外测的压实密度是极片内部压实的1.5～3倍，而最外侧恰恰是电荷交换最集中的区域，因此在大电流放电时极易发生离子极化造成析锂问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处而提供一种能够解决高压实极片高光状态下的极化问题的锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池。
本发明是通过如下方式实现的：
一种锂离子电池极片，其特征在于：包括集流体11，所述集流体11的上下两面分别涂覆有电极活性物质层12；所述电极活性物质层12的外表面在经过辊压后形成有一层微孔结构13。
所述电极活性物质层12经过造孔处理，得到了电极活性物质层12内部具有多通道微孔的结构；微孔结构13的孔隙率不低于电极活性物质层12内部多通道微孔的结构的孔隙率。
一种锂离子电池极片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.称取质量份数为1～60的碳酰胺，加入到质量份数为40～99的去离子水中，配制成浓度为1％～60％的碳酰胺水溶液，备用；
b.称取质量份数为0.6～1.0的增稠剂CMC与质量份数为25～35的去离子水加入双行星搅拌罐中，以公转30转/分钟，搅拌10小时；然后将质量份数为38的人造石墨与质量份数为0.2～0.6的导电剂Super-P加入其中，以公转30转/分钟，分散转子为800转/分钟，搅拌30分钟，制备得到预混浆料；然后向其中加入质量份数为24～32的去离子水，以公转40转/分钟，分散转子为1500转/分钟，搅拌120分钟，然后向其中加入质量份数为1～3的固含量40％的SBR粘结剂乳液，关闭搅拌罐分散转子，公转30转/分钟，搅拌30分钟，得到电极浆料，备用；
c.使用挤压涂布机将步骤b中制备得到的电极浆料均匀涂敷在集流体11的铜箔上，然后使用喷雾器将步骤a中制备得到的碳酰胺水溶液均匀喷洒在上述电极浆料的表面，喷涂量为0.2～2.0g/平方米；将以上湿润的电极极片一起通过烤箱进行烘烤，烤箱温度90～110℃；重复以上步骤，得到双面的原始极片；
d.将步骤c中制备得到的原始极片使用辊压机压实，辊压机压力范围200～400吨，辊压速度10～30米/分钟，压实后的体积密度为1.40～1.90g/cm3，得到压实的半成品极片；
e.将以上压实后的半成品极片放入真空烤箱中烘烤，烘烤温度180～200℃，真空度≤-0.095Mpa，烘烤时间4～8小时，即可得到表面多孔极片。
一种锂离子电池，包括正极片、负极片、隔离膜和电解液，其特征在于：正极片或负极片采用所述的锂离子电池极片制成。
本发明优点在于：首先，极片在辊压的过程中，可以消除由于辊压过程中的波动对极片带来的干扰，因此可以提高辊压速度，提升生产效率；
其次，制备得到的极片外表面形成了一层稀疏的微孔结构，有效解决了辊压后极片表面由辊压带来的亮条等问题；
再次，使用该极片制备的电池由离子极化带来的风险得到了有效控制，有效降低了充放电过程中的析锂风险；
最后，高能量密度电池的倍率放电性能、长循环性能得到了明显的改善。
附图说明
图1本发明结构示意图。
具体实施方式
现结合附图，详述本发明具体实施方式：
如图1所示，一种锂离子电池极片，其特征在于：包括集流体11，所述集流体11的上下两面分别涂覆有电极活性物质层12；所述电极活性物质层12的外表面在经过辊压后形成有一层微孔结构13。
本发明电极活性物质层12经过造孔处理，得到了电极活性物质层12内部具有多通道微孔的结构；微孔结构13的孔隙率不低于电极活性物质层12内部多通道微孔的结构的孔隙率。
一种锂离子电池极片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.称取质量份数为1～60的碳酰胺，加入到质量份数为40～99的去离子水中，配制成浓度为1％～60％的碳酰胺水溶液，备用；
b.称取质量份数为0.6～1.0的增稠剂CMC与质量份数为25～35的去离子水加入双行星搅拌罐中，以公转30转/分钟，搅拌10小时；然后将质量份数为38的人造石墨与质量份数为0.2～0.6的导电剂Super-P加入其中，以公转30转/分钟，分散转子为800转/分钟，搅拌30分钟，制备得到预混浆料；然后向其中加入质量份数为24～32的去离子水，以公转40转/分钟，分散转子为1500转/分钟，搅拌120分钟，然后向其中加入质量份数为1～3的固含量40％的SBR粘结剂乳液，关闭搅拌罐分散转子，公转30转/分钟，搅拌30分钟，得到电极浆料，备用；
c.使用挤压涂布机将步骤b中制备得到的电极浆料均匀涂敷在集流体11的铜箔上，然后使用喷雾器将步骤a中制备得到的碳酰胺水溶液均匀喷洒在上述电极浆料的表面，喷涂量为0.2～2.0g/平方米；将以上湿润的电极极片一起通过烤箱进行烘烤，烤箱温度90～110℃；重复以上步骤，得到双面的原始极片；
d.将步骤c中制备得到的原始极片使用辊压机压实，辊压机压力范围200～400吨，辊压速度10～30米/分钟，压实后的体积密度为1.40～1.90g/cm3，得到压实的半成品极片；
e.将以上压实后的半成品极片放入真空烤箱中烘烤，烘烤温度180～200℃，真空度≤-0.095Mpa，烘烤时间4～8小时，即可得到表面多孔极片。
本发明的碳酰胺可以采用其他挥发剂替换，挥发剂所指的是低温下为固态，高温下分解挥发或直接挥发的物质，可以是无机盐，例如：碳酰胺、碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等其中的一种或者几种的混合物。
一种锂离子电池，包括正极片、负极片、隔离膜和电解液，其特征在于：正极片或负极片采用所述的锂离子电池极片制成。
实施例1：
a.称取20kg的碳酰胺，加入80kg的去离子水中，配制成浓度为20％的水溶液，备用。
b.将0.8kg增稠剂CMC与30kg去离子水加入双行星搅拌罐中搅拌均匀，以公转30转/分钟，搅拌10小时；然后将38kg人造石墨与0.4kg导电剂Super-P加入其中，以公转30转/分钟，分散转子为800转/分钟，搅拌30分钟，制备得到预混浆料；然后向其中加入28.8kg去离子水，以公转40转/分钟，分散转子为1500转/分钟，搅拌120分钟，然后向其中加入2kg固含量40％的SBR粘结剂乳液，关闭搅拌罐分散转子，公转30转/分钟，搅拌30分钟，得到电极浆料，备用；
c.使用挤压涂布机将步骤b中制备得到的电极浆料均匀涂敷在集流体11铜箔上，然后使用喷雾器将步骤a中制备得到的碳酰胺水溶液均匀喷洒在上述电极浆料的表面；将以上湿润的电极极片一起通过烤箱进行烘烤，烤箱温度90～110℃；重复以上步骤，得到双面的原始极片；
d.将步骤c中制备得到的原始极片使用辊压机压实，压实后的体积密度为1.40～1.90g/cm3，得到压实的半成品极片；
e.将以上压实后的半成品极片放入真空烤箱中烘烤，烘烤温度180～200℃，真空度≤-0.095Mpa，烘烤时间4～8小时；即可得到表面多孔极片。
将以上制备得到的负极片进行分切、焊接极耳，然后和正极片、铝塑包装膜等进行装配，注入电解液，进行化成制作得到锂离子电池。然后对以上制备得到的电池进行倍率和循环测试。
实施例2
a.称取5kg的碳酰胺，加入95kg的去离子水中，配制成浓度为5％的碳酰胺水溶液，备用。
b.将0.8kg的增稠剂CMC与30kg的去离子水加入双行星搅拌罐中，以公转30转/分钟，搅拌10小时；然后将38k的人造石墨与0.4kg的导电剂Super-P，以公转30转/分钟，分散转子为800转/分钟，搅拌30分钟，制备得到预混浆料；然后向其中加入28.8kg去离子水，以公转40转/分钟，分散转子为1500转/分钟，搅拌120分钟，然后向其中加入2kg固含量40％的SBR粘结剂乳液，关闭搅拌罐分散转子，公转30转/分钟，搅拌30分钟，得到电极浆料，备用；
c.使用挤压涂布及将步骤b中制备得到的浆料均匀涂敷在集流体11铜箔上然后使用喷雾器将步骤a中制备得到的碳酰胺水溶液均匀喷洒在上述电极浆料的表面；将以上湿润的电极极片一起通过烤箱进行烘烤，烤箱温度90～110℃；重复以上步骤，得到双面的原始极片；
d.将步骤c中制备得到的原始极片使用辊压机压实，压实后的体积密度为1.40～1.90g/cm3，得到压实的半成品极片；
e.将以上压实后的半成品极片放入真空烤箱中烘烤，烘烤温度180～200℃，真空度≤-0.095Mpa，烘烤时间4～8小时；即可得到高压实的多孔极片。
将以上制备得到的负极片进行分切、焊接极耳，然后和正极片、铝塑包装膜等进行装配，注入电解液，进行化成制作得到锂离子电池。然后对以上制备得到的电池进行倍率和循环测试。
对比例1：
a.将0.8kg增稠剂CMC与30kg去离子水加入双行星搅拌罐中搅拌均匀，然后将38kg人造石墨与0.4kg导电剂Super-P加入其中，以公转30转/分钟，分散转子为800转/分钟，搅拌30分钟，制备得到预混浆料；然后向其中加入28.8kg去离子水，以公转40转/分钟，分散转子1500转/分钟，搅拌120分钟，然后向其中加入2kg固含量40％的SBR粘结剂乳液，关闭分散转子，公转30转/分钟，搅拌30分钟，得到电极浆料，备用。
b.使用挤压涂布及将步骤a中制备得到的浆料均匀涂敷在集流体11铜箔上，然后将上述涂敷后的湿润极片过烘箱干燥，烘烤温度90～110℃；重复上述步骤，得到双面原始极片。
c.将步骤b中制备得到的原始极片使用辊压机压实，压实后的体积密度为1.40～1.90g/cm3，得到压实的半成品极片。
d.将以上压实后的半成品极片放入真空烤箱中烘烤，烘烤温度100～200℃，真空度≤-0.095Mpa，烘烤时间2～12小时；得到极片。
将以上制备得到的负极片进行分切、焊接极耳，然后和正极片、铝塑包装膜等进行装配，注入电解液，进行化成制作得到锂离子电池。然后对以上制备得到的电池进行倍率和循环测试。
电池性能测试：
对以上实施例1、实施例2以及对比例1制作的电池进行电性能测试，其中正极片的集流体材料采用Umicore钴酸锂材料，压实密度为4.15g/cm3；负极片的集流体11材料采用江西紫宸的石墨材料，压实密度为1.70g/cm3；
分别对以上三组电池进行倍率放电测试和常温循环测试，测试条件如下：
倍率放电：0.2C充电，然后分别在0.2C/0.5C/1.0C/2.0C电流密度下放电，观测放电容量百分比；
常温循环：25℃1C/1C循环100次和800次然后解剖，观测负极片是否析锂。
综上所述，本发明论述的锂离子电池极片能够有效解决在辊压压光过程中极片外表面的离子极化问题，同时该极片在高压实密度的情况下具备更好的吸收电解液的能力；从而解决了高能量密度锂离子电池的倍率放电性能差、常温循环析锂、长循环跳水等问题，同时也提高了电池的安全性。因此，本发明有效解决了目前高能量密度电池所面临的技术难题，而具有高度的产业实用价值。
上述实施例只用来说明本发明的具体实施原理和功效，而非用来限制本发明。任何熟悉本行业技术的人士都可以在本发明阐述的方法的基础上加以修改或修饰，因此凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种锂离子电池极片，其特征在于：包括集流体(11)，所述集流体(11)的上下两面分别涂覆有电极活性物质层(12)；所述电极活性物质层(12)的外表面在经过辊压后形成有一层微孔结构(13)。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池极片，其特征在于：所述电极活性物质层(12)经过造孔处理，得到了电极活性物质层(12)内部具有多通道微孔的结构；微孔结构(13)的孔隙率不低于电极活性物质层(12)内部多通道微孔的结构的孔隙率。
3.一种如权利要求1～2任一所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.称取质量份数为1～60的碳酰胺，加入到质量份数为40～99的去离子水中，配制成浓度为1％～60％的碳酰胺水溶液，备用；
b.称取质量份数为0.6～1.0的增稠剂CMC与质量份数为25～35的去离子水加入双行星搅拌罐中，以公转30转/分钟，搅拌10小时；然后将质量份数为38的人造石墨与质量份数为0.2～0.6的导电剂Super-P加入其中，以公转30转/分钟，分散转子为800转/分钟，搅拌30分钟，制备得到预混浆料；然后向其中加入质量份数为24～32的去离子水，以公转40转/分钟，分散转子为1500转/分钟，搅拌120分钟，然后向其中加入质量份数为1～3的固含量40％的SBR粘结剂乳液，关闭搅拌罐分散转子，公转30转/分钟，搅拌30分钟，得到电极浆料，备用；
c.使用挤压涂布机将步骤b中制备得到的电极浆料均匀涂敷在集流体(11)的铜箔上，然后使用喷雾器将步骤a中制备得到的碳酰胺水溶液均匀喷洒在上述电极浆料的表面，喷涂量为0.2～2.0g/平方米；将以上湿润的电极极片一起通过烤箱进行烘烤，烤箱温度90～110℃；重复以上步骤，得到双面的原始极片；
d.将步骤c中制备得到的原始极片使用辊压机压实，辊压机压力范围200～400吨，辊压速度10～30米/分钟，压实后的体积密度为1.40～1.90g/cm3，得到压实的半成品极片；
e.将以上压实后的半成品极片放入真空烤箱中烘烤，烘烤温度180～200℃，真空度≤-0.095Mpa，烘烤时间4～8小时，即可得到表面多孔极片。
4.一种锂离子电池，包括正极片、负极片、隔离膜和电解液，其特征在于：正极片或负极片采用如权利要求1～2中任一所述的锂离子电池极片制成。
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