CN107749479B - 一种涂碳铜箔负极片及含有该负极片的动力电池 - Google Patents

一种涂碳铜箔负极片及含有该负极片的动力电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池领域，公开了一种涂碳铜箔负极片，包括铜箔（2）、负极材料涂层（1），所述铜箔的两个表面上设有涂碳层（3），所述负极材料涂层设于涂碳层表面；所述涂碳铜箔负极片的制备方法包括以下步骤：1）铜箔预处理：对铜箔进行预腐蚀处理；2）涂覆碳浆料：配制碳浆料，将所述碳浆料涂覆于预腐蚀处理后的铜箔上，固化后形成涂碳层；3）涂覆负极浆料：配制负极浆料，将所述负极浆料涂覆于涂碳层表面，固化后形成负极材料涂层；4）碾压：对步骤3）处理后的铜箔进行碾压，制得涂碳铜箔负极片。本发明的涂碳铜箔负极片中各层粘结力强，负极材料涂层不易脱落；制得的动力电池电化学性能好，循环使用寿命长。

Description

一种涂碳铜箔负极片及含有该负极片的动力电池
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种涂碳铜箔负极片及含有该负极片的动力电池。
背景技术
现有锂离子动力电池所用负极片技术方案为直接采用厚度为9~20um的光箔，涂覆负极活性物质制得负极片。其不足之处在于普通光箔的表面粗糙度较低，比表面积较小，在涂覆负极浆料后光箔和浆料间的粘结力会比较差，从而导致负极极片在后续的分切、冲片、转移的过程中容易出现局部甚至大面积掉料的现象，使得产品的合格率降低，成本增加。在充电过程中，由于锂离子的插入石墨层间，导致石墨体积膨胀，由于箔材与浆料之间的粘结力较差，导致负极涂层与光箔产生位移，负极涂层脱落。从而会直接影响电芯的电性能发挥，特别是在循环过程中，随着充放电的反复进行，负极箔材与活性物质之间因粘结力变差，逐渐发生膨胀，电子导通受阻，负极阻抗增加，最终将会大大缩短电池的使用寿命。特别是当所涂覆负极材料本身颗粒粒径较小，表面面积较大时，其涂覆后极片的粘结力会更差。在所用负极材料及粘结剂种类限定的情况下，现有提升极片的粘结力的普遍方法是增加负极浆料中粘结剂的比例。但是这种方式会直接增加极片阻抗，降低电芯的电性能发挥，同时会降低单体电芯的体积能量密度。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种涂碳铜箔负极片及含有该负极片的动力电池。本发明的涂碳铜箔负极片中各层粘结力强，负极材料涂层不易脱落；制得的动力电池电化学性能好，循环使用寿命长。
本发明的具体技术方案为：一种涂碳铜箔负极片，包括铜箔、负极材料涂层，所述铜箔的两个表面上设有涂碳层，所述负极材料涂层设于涂碳层表面；所述涂碳铜箔负极片的制备方法包括以下步骤：
1）铜箔预处理：对铜箔进行预腐蚀处理。
2）涂覆碳浆料：配制碳浆料，将所述碳浆料涂覆于预腐蚀处理后的铜箔上，固化后形成涂碳层。
3）涂覆负极浆料：配制负极浆料，将所述负极浆料涂覆于涂碳层表面，固化后形成负极材料涂层。
4）碾压：对步骤3）处理后的铜箔进行碾压，制得涂碳铜箔负极片。
本发明在涂覆负极浆料前，先在铜箔上涂覆碳浆料。由于涂碳层中不含有石墨，不易发生膨胀，因此不会与铜箔发生形变位移，同时通过涂碳层提升箔材比表面积的方式来增强其与负极浆料间的粘结力。从而固化后的涂碳层分别与铜箔、负极浆料之间的粘结力较好， 采用此涂碳铜箔作为锂离子动力电池的负极集流体可有效地提升箔材与负极浆料间的粘结力，降低负极片在加工转移过程中的因粘结不良所造成的掉料的风险。另外由于涂碳层在负极片充放电过程中，没有锂离子的嵌入和脱出，不会产生体积膨胀和收缩。因此可以有效避免负极活性物质涂层在长期充放电过程中体积膨胀和收缩产生位移，从而导致负极活性物质脱了。从根本上解决负极活性涂层脱了问题，提高电池使用寿命。同时涂碳层降低了负极片的阻抗，减少了电池内部电压降，降低了电池的直流内阻。从而达到提升锂离子动力电池的电性能的目的。
此外，本发明还对铜箔进行了预腐蚀处理，预腐蚀处理后，铜箔表面酸处理后，可形成凹坑状表面，能够增加铜箔与涂碳层的接触面积，一方面能够提高粘结力，另一方面能够降低涂碳层的导电内阻。如果直接在预腐蚀处理后的铜箔表面涂覆负极浆料，由于负极浆料中含有容易受热膨胀的石墨，容易与铜箔表面发生形变位移，因此无法达到上述技术效果。
作为优选，所述铜箔的厚度为8-12微米。
作为优选，步骤1）铜箔预处理方法为：配制质量浓度为5-10%的草酸溶液，将所述草酸溶液加热至60-85摄氏度，再将待处理铜箔牵引浸泡于草酸溶液中，以5-15m/min的速度匀速移动铜箔，铜箔表面酸处理时间为3-5min，然后将铜箔取出并在80-90℃、干燥氮气保护下进行干燥，即得到预处理的铜箔。
作为优选，所述碳浆料包括以下质量百分含量的组份：石墨烯6.8-11.1%，导电碳1.2-2.0%，PVDF粘结剂0.12-0.40%，N-甲基吡咯烷酮余量。
作为优选，所述碳浆料中还包括聚酰亚胺1-3%。
在涂碳层中添加适量的聚酰亚胺，能够降低导电内阻。同时聚酰亚胺与负极浆料中的负极活性物质之间具有较好的结合力，其自身也具有塑料的韧性，能够进一步避免负极片弯折或受压导致负极材料层的脱落。
作为优选，所述碳浆料的涂覆量的0.2-0.8g/m2，涂覆后控制涂碳层的比表面积为0.8-2.6m2/g，抗拉强度≥150MPa。
作为优选，所述负极浆料包括以下质量百分含量的组份：负极活性物质32-35%，粘结剂1.5-2.5%，导电剂1.8-2.0%，水余量。
作为优选，所述负极浆料涂覆后负极片面密度为22±0.4mg/cm2。
作为优选，步骤4）碾压过程中，极片碾压设计压实密度为1.40-1.50g/cm3，碾压后厚度161±3um，极片粘结力范围为4.0-6.0mN/mm。
一种动力电池，含有上述的涂碳铜箔负极片。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明的涂碳铜箔负极片中各层粘结力强，负极材料涂层不易脱落；制得的动力电池电化学性能好，循环使用寿命长。
附图说明
图1为本发明负极片的一种结构示意图；
图2为本发明实施例1与对比例1的循环性能测试对比图。
附图标记为：负极材料涂层1，铜箔2，涂碳层3。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1所示，一种涂碳铜箔负极片，包括厚度为10微米的铜箔2、负极材料涂层1，所述铜箔的两个表面上设有涂碳层3，所述负极材料涂层设于涂碳层表面。
所述涂碳铜箔负极片的制备方法包括以下步骤：
1）铜箔预处理：配制质量浓度为7.5%的草酸溶液，将所述草酸溶液加热至72摄氏度，再将待处理铜箔牵引浸泡于草酸溶液中，以10m/min的速度匀速移动铜箔，铜箔表面酸处理时间为4min，然后将铜箔取出并在85℃、干燥氮气保护下进行干燥，即得到预处理的铜箔。
2）涂覆碳浆料：配制碳浆料，所述碳浆料包括以下质量百分含量的组份：石墨烯9.0%，导电碳1.6%，PVDF粘结剂0.26%，N-甲基吡咯烷酮余量。
将所述碳浆料涂覆于预腐蚀处理后的铜箔上，固化后形成涂碳层。所述碳浆料的涂覆量的0.5g/m2，涂覆后控制涂碳层的比表面积为1.7 m2/g，抗拉强度≥150MPa。
3）涂覆负极浆料：配制负极浆料，负极浆料包括以下质量百分含量的组份：负极活性物质33.1%，粘结剂2%，导电剂1.9%，水余量。
将所述负极浆料涂覆于涂碳层表面，固化后形成负极材料涂层；所述负极浆料涂覆后负极片面密度为22±0.4mg/cm2。
4）碾压：对步骤3）处理后的铜箔进行碾压，制得涂碳铜箔负极片，其中，极片碾压设计压实密度为1.45g/cm3，碾压后厚度161±3um，极片粘结力范围为4.0-6.0mN/mm。
实施例2
如图1所示，一种涂碳铜箔负极片，包括厚度为12微米的铜箔2、负极材料涂层1，所述铜箔的两个表面上设有涂碳层3，所述负极材料涂层设于涂碳层表面。
所述涂碳铜箔负极片的制备方法包括以下步骤：
1）铜箔预处理：配制质量浓度为10%的草酸溶液，将所述草酸溶液加热至85摄氏度，再将待处理铜箔牵引浸泡于草酸溶液中，以15m/min的速度匀速移动铜箔，铜箔表面酸处理时间为3min，然后将铜箔取出并在90℃、干燥氮气保护下进行干燥，即得到预处理的铜箔。
2）涂覆碳浆料：配制碳浆料，所述碳浆料包括以下质量百分含量的组份：石墨烯11.1%，导电碳2.0%，PVDF粘结剂0.40%，聚酰亚胺3%，N-甲基吡咯烷酮余量。
将所述碳浆料涂覆于预腐蚀处理后的铜箔上，固化后形成涂碳层。所述碳浆料的涂覆量的0.8g/m2，涂覆后控制涂碳层的比表面积为2.6m2/g，抗拉强度≥150MPa。
3）涂覆负极浆料：配制负极浆料，负极浆料包括以下质量百分含量的组份：负极活性物质35%，粘结剂2.5%，导电剂2.0%，水余量。
将所述负极浆料涂覆于涂碳层表面，固化后形成负极材料涂层；所述负极浆料涂覆后负极片面密度为22±0.4mg/cm2。
4）碾压：对步骤3）处理后的铜箔进行碾压，制得涂碳铜箔负极片，其中，极片碾压设计压实密度为1.50g/cm3，碾压后厚度161±3um，极片粘结力范围为4.0-6.0mN/mm。
实施例3
如图1所示，一种涂碳铜箔负极片，包括厚度为8微米的铜箔2、负极材料涂层1，所述铜箔的两个表面上设有涂碳层3，所述负极材料涂层设于涂碳层表面。
所述涂碳铜箔负极片的制备方法包括以下步骤：
1）铜箔预处理：配制质量浓度为5%的草酸溶液，将所述草酸溶液加热至60摄氏度，再将待处理铜箔牵引浸泡于草酸溶液中，以5m/min的速度匀速移动铜箔，铜箔表面酸处理时间为5min，然后将铜箔取出并在80℃、干燥氮气保护下进行干燥，即得到预处理的铜箔。
2）涂覆碳浆料：配制碳浆料，所述碳浆料包括以下质量百分含量的组份：石墨烯6.8%，导电碳1.2%，PVDF粘结剂0.12%，聚酰亚胺1%，N-甲基吡咯烷酮余量。
将所述碳浆料涂覆于预腐蚀处理后的铜箔上，固化后形成涂碳层。所述碳浆料的涂覆量的0.2g/m2，涂覆后控制涂碳层的比表面积为0.8m2/g，抗拉强度≥150MPa。
3）涂覆负极浆料：配制负极浆料，负极浆料包括以下质量百分含量的组份：负极活性物质32%，粘结剂1.5%，导电剂1.8%，水余量。
将所述负极浆料涂覆于涂碳层表面，固化后形成负极材料涂层；所述负极浆料涂覆后负极片面密度为22±0.4mg/cm2。
4）碾压：对步骤3）处理后的铜箔进行碾压，制得涂碳铜箔负极片，其中，极片碾压设计压实密度为1.40g/cm3，碾压后厚度161±3um，极片粘结力范围为4.0-6.0mN/mm。
实施例4
如图1所示，一种涂碳铜箔负极片，包括厚度为9微米的铜箔2、负极材料涂层1，所述铜箔的两个表面上设有涂碳层3，所述负极材料涂层设于涂碳层表面。
所述涂碳铜箔负极片的制备方法包括以下步骤：
1）铜箔预处理：配制质量浓度为8%的草酸溶液，将所述草酸溶液加热至70摄氏度，再将待处理铜箔牵引浸泡于草酸溶液中，以8m/min的速度匀速移动铜箔，铜箔表面酸处理时间为4min，然后将铜箔取出并在85℃、干燥氮气保护下进行干燥，即得到预处理的铜箔。
2）涂覆碳浆料：配制碳浆料，所述碳浆料包括以下质量百分含量的组份：石墨烯8.5%，导电碳1.5%，PVDF粘结剂0.3%，聚酰亚胺2.0%，N-甲基吡咯烷酮余量。
将所述碳浆料涂覆于预腐蚀处理后的铜箔上，固化后形成涂碳层。所述碳浆料的涂覆量的0.6g/m2，涂覆后控制涂碳层的比表面积为2.2m2/g，抗拉强度≥150MPa。
3）涂覆负极浆料：配制负极浆料，负极浆料包括以下质量百分含量的组份：负极活性物质33%，粘结剂2.0%，导电剂1.9%，水余量。
将所述负极浆料涂覆于涂碳层表面，固化后形成负极材料涂层；所述负极浆料涂覆后负极片面密度为22±0.4mg/cm2。
4）碾压：对步骤3）处理后的铜箔进行碾压，制得涂碳铜箔负极片，其中，极片碾压设计压实密度为1.45g/cm3，碾压后厚度161±3um，极片粘结力范围为4.0-6.0mN/mm。
实施例5
一种动力电池，含有如实施例1所述的涂碳铜箔负极片。
对比例1
一种动力电池，与实施例5的区别在于，其负极片没有涂碳层。
图2为实施例5与对比例1的动力电池的循环性能测试对比图，由图2可知，当常温循环进行到300次后，普通光箔容量保持率开始下降，而涂碳铜箔容量保持率没有衰减。当循环进行到500次时，普通光箔的容量保持率99.2%，涂碳铜箔的容量保持率为101.9%。涂碳铜箔比普通光箔常温循环性能要好。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种涂碳铜箔负极片，包括铜箔（2）、负极材料涂层（1），其特征在于：所述铜箔的两个表面上设有涂碳层（3），所述负极材料涂层设于涂碳层表面；所述涂碳铜箔负极片的制备方法包括以下步骤：
1）铜箔预处理：配制质量浓度为5-10%的草酸溶液，将所述草酸溶液加热至60-85℃，再将待处理铜箔牵引浸泡于草酸溶液中，以5-15m/min的速度匀速移动铜箔，铜箔表面酸处理时间为3-5min，然后将铜箔取出并在80-90℃、干燥氮气保护下进行干燥，即得到预处理的铜箔；
2）涂覆碳浆料：配制碳浆料，将所述碳浆料涂覆于预腐蚀处理后的铜箔上，固化后形成涂碳层；所述碳浆料包括以下质量百分含量的组份：石墨烯6.8-11.1%，导电碳1.2-2.0%，PVDF粘结剂0.12-0.40%，聚酰亚胺1-3%，N-甲基吡咯烷酮余量；所述碳浆料的涂覆量的0.2-0.8g/m2，涂覆后控制涂碳层的比表面积为0.8-2.6m2/g，抗拉强度≥150MPa；
3）涂覆负极浆料：配制负极浆料，将所述负极浆料涂覆于涂碳层表面，固化后形成负极材料涂层；
4）碾压：对步骤3）处理后的铜箔进行碾压，制得涂碳铜箔负极片。
2.如权利要求1所述的一种涂碳铜箔负极片，其特征在于，所述铜箔的厚度为8-12微米。
3.如权利要求1所述的一种涂碳铜箔负极片，其特征在于，所述负极浆料包括以下质量百分含量的组份：负极活性物质32-35%，粘结剂1.5-2.5%，导电剂1.8-2.0%，水余量。
4.如权利要求1所述的一种涂碳铜箔负极片，其特征在于，所述负极浆料涂覆后负极片面密度为22±0.4mg/cm2。
5.如权利要求1所述的一种涂碳铜箔负极片，其特征在于，步骤4）碾压过程中，极片碾压设计压实密度为1.40-1.50g/cm3，碾压后厚度161±3um，极片粘结力范围为4.0-6.0mN/mm。
6.一种动力电池，其特征在于，含有如权利要求1-5任一所述的涂碳铜箔负极片。
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