CN107732147A - 一种钛酸锂电池负极片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种钛酸锂电池负极片，包括集流体层，涂覆于集流体层的表面的含有活性炭的电容层，以及涂覆于电容层表面的活性物质层。本发明的一种钛酸锂电池负极片的制备方法，包括：分别配置电容层浆料和活性物质层浆料；将电容层浆料涂覆于集流体层上，经干燥、辊压后制成电容层；将活性物质层浆料利用同样工艺涂覆于电容层上，经过裁片、分条后即得钛酸锂电池负极片。本发明的一种钛酸锂电池负极片及其制备方法通过在集流体表面涂覆含有活性炭的电容层，在电容层涂覆活性物质层，提高活性物质材料和集流体的粘结强度，而且能增加导电性，降低极片内阻，使得制备的钛酸锂电池负极片同时具备超级电容器和钛酸锂电池特性。

Description

一种钛酸锂电池负极片及其制备方法
技术领域
本发明属于充放电电池技术领域，具体涉及一种钛酸锂电池负极片，还涉及一种上述钛酸锂电池负极片的制备方法。
背景技术
钛酸锂电池作为锂离子电池中的一种，当它作为锂电池的负极材料时，具有良好的循环性能、安全性能、快速充电和低温充电能力，有很大的市场领域空间。但是随着电动汽车动力电池对快速充放电能力的更高要求，目前钛酸锂电池负极片的制备技术仍存在钛酸锂材料和集流体粘结性差，导致内阻大，高温容易胀气等问题。
超级电容器，也称为电化学电容器，是介于传统电容器与电池之间的一种新型电化学储能器件，与传统电容器相比，有着更高的能量密度；与电池相比，具有充放电速度快、更高的功率密度和超长循环寿命，但是存在能量密度低的缺陷，这制约了其大规模推广应用。
将钛酸锂电池的优点和超级电容器的优点结合，则是一种新的突破性创新，这种技术同时利用钛酸锂材料的高能量密度，与超级电容器超长循环寿命和功率密度特点，其核心技术就是进行能量存储的极片制备。目前主要的思路是在制作钛酸锂负极片时，直接混入活性炭材料，这种工艺优点是简单成熟，但是存在钛酸锂材料和活性炭材料分散不充分，而且活性物质材料层和铝箔集流体粘结性差，活性物质材料容易脱落，导致极片内阻大；而且简单的混合后，会降低用此极片制成的钛酸锂电池功率密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛酸锂电池负极片，解决了现有的钛酸锂电池负极片的活性物质容易脱落、内阻大和功率密度低的问题。
本发明的目的还在于提供一种上述钛酸锂电池负极片的制备方法，在保证活性物质和集流体层的粘结强度的同时，降低极片内阻，提高钛酸锂电池的功率密度。
本发明所采用的一种技术方案是：一种钛酸锂电池负极片，包括集流体层，涂覆于所述集流体层的表面的含有活性炭的电容层，以及涂覆于所述电容层表面的活性物质层。
本发明的特点还在于，
所述电容层按照质量百分比由以下组分混合制成：80％-90％的活性炭，4％-10％的导电剂以及6％-10％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，所述电容层的厚度为4um-8um。
所述活性物质层按照质量百分比由以下组分混合制成：85％-95％的钛酸锂，2％-6％的导电剂以及3％-9％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，所述活性物质层的厚度为140um-200um。
所述钛酸锂为碳包覆钛酸锂，其D50为0.5um～2.0um。
所述导电剂为科琴黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、气相生长碳纤维和导电石墨的一种或一种以上。
所述粘结剂为羧甲基纤维素钠、PVDF、PAA、丁苯橡胶和明胶中的一种或一种以上。
所述集流体层为铝箔集流体层，其厚度为12um～30um。
本发明所采用的另一种技术方案是：一种钛酸锂电池负极片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，分别配置电容层浆料和活性物质层浆料；
步骤2，将所述电容层浆料涂覆于集流体层上，然后经过干燥、辊压后制成电容层；
步骤3，在所述活性物质层浆料涂覆于所述电容层上，然后经过干燥、辊压后制成活性物质层，经过裁片、分条后即得所述钛酸锂电池负极片。
本发明的特点还在于，
所述步骤1中配置电容层浆料具体为：按照质量百分比分别称取以下组分：80％-90％的活性炭，4％-10％的导电剂以及6％-10％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，然后将上述组分全部溶解于去离子水中，搅拌均匀后即得所述电容层浆料，其固含量15％～30％，粘度800-2500mPa.s；
所述步骤1中配置活性物质层浆料具体为：按照质量百分比分别称取以下组分：85％-95％的钛酸锂，2％-6％的导电剂以及3％-9％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，然后将上述组分全部溶解于N-甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀后即得所述活性物质层浆料，其固含量35％-50％，粘度4000-5000mPa.s。
所述步骤2和步骤3中干燥方式均为蒸汽干燥，干燥温度50℃-80℃，辊压均采用热辊压方式，热辊压温度100℃-160℃。
本发明的有益效果是：本发明的一种钛酸锂电池负极片及其制备方法通过在集流体表面首先涂覆一层含有活性炭的电容层，在电容层上涂覆活性物质层，不但可以提高活性物质材料和集流体的粘结强度，而且能增加导电性，降低极片内阻，彻底解决钛酸锂电池负极片粘结性差的问题；而且选择在电容层中加入活性炭材料，能利用其超级电容器的特性，使得制备的钛酸锂电池负极片同时具备超级电容器和钛酸锂电池特性，采用该极片制备的钛酸锂电池，可获得更高的比能量和功率密度，提高充放电速度和循环寿命。
附图说明
图1是本发明的一种钛酸锂电池负极片的结构示意图。
图中，1.集流体层，2.电容层，3.活性物质层。
具体实施方式
本发明提供的一种钛酸锂电池负极片的结构如图1所示，包括集流体层1，涂覆于所述集流体层1的表面的含有活性炭的电容层2，以及涂覆于所述电容层2表面的活性物质层3。
进一步的，电容层2按照质量百分比由以下组分混合制成：80％-90％的活性炭，4％-10％的导电剂以及6％-10％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，所述电容层2的厚度为4um-8um。
进一步的，活性物质层3按照质量百分比由以下组分混合制成：85％-95％的钛酸锂，2％-6％的导电剂以及3％-9％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，所述活性物质层3的厚度为140um-200um。
优选的，钛酸锂为碳包覆钛酸锂，其D50为0.5um～2.0um。
事例性的，导电剂为科琴黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、气相生长碳纤维和导电石墨的一种或一种以上。
事例性的，粘结剂为羧甲基纤维素钠、PVDF、PAA、丁苯橡胶和明胶中的一种或一种以上。
进一步的，集流体层1为铝箔集流体层，其厚度为12um～30um。
本发明还提供一种上述钛酸锂电池负极片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，分别配置电容层浆料和活性物质层浆料；
具体地，配置电容层浆料具体为：按照质量百分比分别称取以下组分：80％-90％的活性炭，4％-10％的导电剂以及6％-10％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，然后将上述组分全部溶解于去离子水中，搅拌均匀后即得所述电容层浆料，其固含量15％～30％，粘度800-2500mPa.s；
配置活性物质层浆料具体为：按照质量百分比分别称取以下组分：85％-95％的钛酸锂，2％-6％的导电剂以及3％-9％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，然后将上述组分全部溶解于N-甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀后即得所述活性物质层浆料，其固含量35％-50％，粘度4000-5000mPa.s。
步骤2，将所述电容层浆料涂覆于集流体层1上，然后经过干燥、辊压后制成电容层2；
步骤3，在所述活性物质层浆料涂覆于所述电容层2上，然后经过干燥、辊压后制成活性物质层，经过裁片、分条后即得所述钛酸锂电池负极片。
进一步地，上述步骤2和步骤3中干燥方式均为蒸汽干燥，干燥温度50℃-80℃，辊压均采用热辊压方式，热辊压温度100℃-160℃。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供的钛酸锂电池负极片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，分别配置电容层浆料和活性物质层浆料；
配置电容层浆料具体为：将活性炭、乙炔黑和丁苯橡胶按照80：10：10的质量比例称取后溶解于去离子水中，高速搅拌后制成电容层浆料，其固含量15％，粘度800mPa.s；
配置活性物质层浆料具体为：将钛酸锂、乙炔黑以及羧甲基纤维素钠按照85：6：9质量比称取后溶解于N-甲基吡咯烷酮中，经高速混合搅拌后即得活性物质层浆料，其固含量40％，粘度4200mPa.s。
步骤2，将电容层浆料用凹版印刷在铝集流体层的表面，然后再经过干燥、辊压形成电容层2，电容层2的厚度为5um；
步骤3，在活性物质层浆料用挤压式涂布机涂布在电容层2表面，然后再经过干燥、辊压制成活性物质层3，活性物质层3厚度140um，经过裁片、分条后即得钛酸锂电池负极片。
上述步骤2和步骤3中干燥方式均为蒸汽干燥，干燥温度50℃，辊压均采用热辊压方式，热辊压温度100℃。
制得的钛酸锂电池负极片厚度为157um，压实密度为1.80g/cm3，将其与正极、隔膜一起进行卷绕，焊接和入壳封装，在干燥箱中80℃真空干燥48小时后注液，再焊接，得到25AH圆柱型钛酸锂电池。
实施例2
本实施例提供的钛酸锂电池负极片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，分别配置电容层浆料和活性物质层浆料；
配置电容层浆料具体为：将活性炭、石墨烯和粘接剂(由PVDF和明胶组成，两者质量比为5:5)按照90：4：6的质量比例称取后溶解于去离子水中，高速搅拌后制成电容层浆料，其固含量20％，粘度1200mPa.s；
配置活性物质层浆料具体为：将D50为0.5um的碳包覆钛酸锂、导电石墨以及羧甲基纤维素钠按照95：2：3的质量比称取后溶解于N-甲基吡咯烷酮中，经高速混合搅拌后即得活性物质层浆料，其固含量42％，粘度4400mPa.s。
步骤2，将电容层浆料用凹版印刷在铝集流体层1的表面，然后再经过干燥、辊压形成电容层2，电容层2的厚度为5um；
步骤3，在活性物质层浆料用挤压式涂布机涂布在电容层2表面，然后再经过干燥、辊压制成活性物质层3，活性物质层3厚度200um，经过裁片、分条后即得钛酸锂电池负极片。
上述步骤2和步骤3中干燥方式均为蒸汽干燥，干燥温度60℃，辊压均采用热辊压方式，热辊压温度120℃。
制得的钛酸锂电池负极片厚度为225um，压实密度为1.85g/cm3，将其与正极、隔膜一起进行卷绕，焊接和入壳封装，在干燥箱中80℃真空干燥48小时后注液，再焊接，得到25AH圆柱型钛酸锂电池。
实施例3
本实施例提供的钛酸锂电池负极片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，分别配置电容层浆料和活性物质层浆料；
配置电容层浆料具体为：将活性炭、科琴黑和粘结剂(由PAA和羧甲基纤维素钠组成，两者质量比为1:1.5)按照85：6：9的质量比例称取后溶解于去离子水中，高速搅拌后制成电容层浆料，其固含量27％，粘度1800mPa.s；
配置活性物质层浆料具体为：将D50为2.0um的碳包覆钛酸锂、乙炔黑以及羧甲基纤维素钠按照90：4.5：5.5质量比称取后溶解于N-甲基吡咯烷酮中，经高速混合搅拌后即得活性物质层浆料，其固含量40％，粘度4200mPa.s。
步骤2，将电容层浆料用凹版印刷在铝集流体层的表面，然后再经过干燥、辊压形成电容层2，电容层2的厚度为5um；
步骤3，在活性物质层浆料用挤压式涂布机涂布在电容层2表面，然后再经过干燥、辊压制成活性物质层3，活性物质层3厚度180um，经过裁片、分条后即得钛酸锂电池负极片。
上述步骤2和步骤3中干燥方式均为蒸汽干燥，干燥温度50℃，辊压均采用热辊压方式，热辊压温度100℃。
制得的钛酸锂电池负极片厚度为205um，压实密度为1.86g/cm3，将其与正极、隔膜一起进行卷绕，焊接和入壳封装，在干燥箱中80℃真空干燥48小时后注液，再焊接，得到25AH圆柱型钛酸锂电池。
对比例1
本发明还提供一个对比例进行效果对比说明。
本对比例将钛酸锂、乙炔黑和粘结剂按照90：4：6的质量比溶解于N-甲基吡咯烷酮中，经高速混合配制成浆料，然后将浆料用挤压式涂布机涂布在集流体表面，然后再经过干燥、辊压制成钛酸锂负极片；活性物质厚度220um，进行裁片、分条后制得本对比例1的钛酸锂负极片，负极片厚度为240um，压实密度为1.80g/cm3。将上述得到的钛酸锂负极片，然后将其与正极、隔膜一起进行卷绕，焊接和入壳封装，干燥箱中80℃真空干燥48小时后注液，再焊接，得到25AH圆柱型钛酸锂电池。
本发明实施例1-3和对比例1的钛酸锂负极片制得的25AH圆柱型钛酸锂电池性能指标的对比表如表1所示：
钛酸锂负极片 直流内阻 功率密度
实施例1 0.3mΩ 2200w/kg
实施例2 0.35mΩ 2100w/kg
实施例3 0.4mΩ 2000w/kg
对比例1 0.8mΩ 1000w/kg
表1
由上表可见，本发明3个实施例的钛酸锂电池直流内阻都在0.3mΩ-0.4mΩ之间，远低于对比例1的0.8mΩ，而且电池的功率密度远高于对比例1使用传统方法制备的钛酸锂电池，利用本发明的负极片制得的钛酸锂电池的功率密度在2000w/kg以上，可以实现快速充放电，而对比例1的传统方法制得的电池功率密度仅为1000w/kg。

Claims (10)

1.一种钛酸锂电池负极片，其特征在于，包括集流体层(1)，涂覆于所述集流体层(1)的表面的含有活性炭的电容层(2)，以及涂覆于所述电容层(2)表面的活性物质层(3)。
2.如权利要求1所述的一种钛酸锂电池负极片，其特征在于，所述电容层(2)按照质量百分比由以下组分混合制成：80％-90％的活性炭，4％-10％的导电剂以及6％-10％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，所述电容层(2)的厚度为4um-8um。
3.如权利要求1所述的一种钛酸锂电池负极片，其特征在于，所述活性物质层(3)按照质量百分比由以下组分混合制成：85％-95％的钛酸锂，2％-6％的导电剂以及3％-9％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，所述活性物质层(3)的厚度为140um-200um。
4.如权利要求3所述的一种钛酸锂电池负极片，其特征在于，所述钛酸锂为碳包覆钛酸锂，其D50为0.5um～2.0um。
5.如权利要求2或3所述的一种钛酸锂电池负极片，其特征在于，所述导电剂为科琴黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、气相生长碳纤维和导电石墨的一种或一种以上。
6.如权利要求2或3所述的一种钛酸锂电池负极片，其特征在于，所述粘结剂为羧甲基纤维素钠、PVDF、PAA、丁苯橡胶和明胶中的一种或一种以上。
7.如权利要求1所述的一种钛酸锂电池负极片，其特征在于，所述集流体层(1)为铝箔集流体层，其厚度为12um～30um。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种钛酸锂电池负极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，分别配置电容层浆料和活性物质层浆料；
步骤2，将所述电容层浆料涂覆于集流体层(1)上，然后经过干燥、辊压后制成电容层(2)；
步骤3，在所述活性物质层浆料涂覆于所述电容层(2)上，然后经过干燥、辊压后制成活性物质层，经过裁片、分条后即得所述钛酸锂电池负极片。
9.如权利要求8所述的一种钛酸锂电池负极片的制备方法，其特征在于，所述步骤1中配置电容层浆料具体为：按照质量百分比分别称取以下组分：80％-90％的活性炭，4％-10％的导电剂以及6％-10％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，然后将上述组分全部溶解于去离子水中，搅拌均匀后即得所述电容层浆料，其固含量15％-30％，粘度800-2500mPa.s；
所述步骤1中配置活性物质层浆料具体为：按照质量百分比分别称取以下组分：85％-95％的钛酸锂，2％-6％的导电剂以及3％-9％的粘结剂，上述组分的质量百分比之和为100％，然后将上述组分全部溶解于N-甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀后即得所述活性物质层浆料，其固含量35％-50％，粘度4000-5000mPa.s。
10.如权利要求8所述的一种钛酸锂电池负极片的制备方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3中干燥方式均为蒸汽干燥，干燥温度50℃-80℃，辊压均采用热辊压方式，热辊压温度100℃-160℃。
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