CN108172767A - 一种锂离子电池电极极片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池电极极片及其制备方法,方法的步骤为:(1)材料混合:在无溶剂存在的条件下,将正极活性材料或负极活性材料、高分子粘结剂、固态电解质和助剂进行混合均匀,得到均匀粉体,(2)连续喷粉:将均匀粉体连续涂覆在箔材表面,使得在箔材表面形成一层电极粉体层,(3)固化:通过固化工艺实现步骤(1)中的材料的融合,形成连续电极膜层,得到所需的锂离子电池电极;本方法避免了传统浆料涂布方式制备极片过程中需要消耗大量的能量来去除有机溶剂,降低了有机溶剂造成的污染,工艺路线简单,能耗低,适合工业化生产,本方法得到的锂离子电池电极极片的致密性好,导电性能好,最终电池性能优异。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池电极制备技术的领域,具体涉及一种无溶剂低温固化制备的锂离子电池电极极片及其制备方法。
背景技术
目前,伴随着当前对电池的需求的发展,锂离子电池作为近十年来发展最好的一种新型电源。由于其具有电压高、能量密度高、循环性能优越等特点,迅速的推动的电动交通工具的发展,同时也促进社会各处对锂离子电池的大幅度的需求。
锂离子电池作为一类新能源的朝阳行业,一定程度上缓解了目前空气污染、水体污染以及固体废弃物污染导致的环境恶化速度。但是,传统锂离子电池生产采用在大量的有机溶剂下将粘结剂、活性物质和导电剂混合制备浆料,通过涂覆的方式在箔材表面形成一层均匀的锂离子电极材料湿层,然后采用高温干燥的方式除去大量的溶剂。整过过程中伴随大量有机溶剂的使用,容易造成工作环境空气的污染,同时需要采用消耗大量的电能来使有机溶剂气化最终得到所需的干膜电极。
辊压工艺作为锂离子电池电极中的一个关键工艺,有利于提高锂离子电极活性物质的接触,降低接触电阻,提高锂离子电极的导电性。但是,通常的辊压工艺,一方面需要使用专业的辊压设备;另一方面,需要采用合适辊压条件才能制备出符合要求电极。
因此,本领域亟待开发一种能够在无溶剂条件下低温固化并且可以直接成型制备锂离子电极极片的方法,缩短锂离子电极极片制备工艺,提高电极极片质量,有效的提高电池的综合性能;同时有效的节约能源。
有鉴于此,特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池电极极片及其制备方法,采用无溶剂条件下,进行整个锂离子电池极片制作生产,避免了传统浆料涂布方式制备极片过程中需要消耗大量的能量来去除有机溶剂,降低了有机溶剂造成的污染;采用高能混合-连续喷粉-低温固化连续化的制作方法,工艺路线简单,能耗低,适合工业化生产;采用无辊压工艺,直接得到的电极的致密性好,导电性能好,最终电池性能优异。
为了实现上述目的,本发明提供的一种锂离子电池电极极片的制备方法,其具体步骤为:
(1)材料混合:在无溶剂存在的条件下,将正极活性材料或负极活性材料、高分子粘结剂、固态电解质和助剂进行混合均匀,得到均匀粉体;
(2)连续喷粉:将均匀粉体连续涂覆在箔材表面,使得在箔材表面形成一层电极粉体层;
(3)固化:通过固化工艺实现步骤(1)中的材料的融合,形成连续电极膜层,得到所需的锂离子电池电极。
优选地,按重量份数计,所述正极活性材料或负极活性材料为80-95份,所述高分子粘结剂为3-10份,所述固态电解质为2-10份,所述助剂为1-10份。
优选地,所述混合的时间为10分钟至5小时。
进一步地,所述混合的方式为机械混合、球磨混合和/或超声波混合。
进一步地,所述连续涂覆的方法为ESC静电喷粉、低压热喷粉和/或高压冷喷粉。
优选地,所述电极粉体层的厚度为50μm-300μm。
进一步地,所述固化工艺为室温光固化、常温激光烧结和/或室温下微波固化。
进一步地,所述正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、三元材料和/或富锰材料,所述负极活性材料为石墨系材料、硅系材料、锡系材料、钛酸锂和/或二维材料石墨烯;
所述高分子粘结剂为油性粘结剂、水性粘结剂和/或光固化粘结剂;
所述固态电解质为有机高分子复合锂盐和/或低熔点固态电解质;
所述助剂为导电剂、助熔剂和/或吸波材料。
进一步地,所述有机高分子复合锂盐为聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚甲醛树脂、聚氯乙烯、聚丙烯或聚碳酸酯;
所述低熔点固态电解质为反钙钛矿结构的固态电解质Li3-xAXBC,其中A为碱土金属元素,B为氧族元素,C为卤素元素或离子簇;
所述导电剂为导电炭黑、小尺寸石墨、碳纳米管和/或石墨烯;
所述助熔剂为金粉、银粉、铝粉、铜粉、锡粉和/或镍粉。
本发明还提供一种锂离子电池电极极片,使用上述的制备方法制备而成。
本发明提供的一种锂离子电池电极极片及其制备方法,具有如下有益效果:
1、采用无溶剂条件下,进行整个锂离子电池电极极片制作生产,避免了传统浆料涂布方式制备极片过程中需要消耗大量的能量来去除有机溶剂,降低了有机溶剂造成的污染以及降低了溶剂挥发造成的大量电能的损耗,是一种绿色环保的制作方式;
2、采用高能混合-连续喷粉-低温固化连续化的制作方法,去除在传统工艺中混浆和辊压工艺,降低了设备投入的成本,缩短锂离子电池电极极片制备工艺,工艺路线简单便捷,能耗低,有效的节约能源,适合工业化生产;
3、采用无辊压工艺,提高锂离子电池电极极片质量,直接得到的电极的致密性好,导电性能好,最终电池性能优异,有效的提高电池的综合性能,有利于提高锂离子电池的循环性能。
附图说明
图1为本具体实施方式所述的一种锂离子电池电极极片的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一种锂离子电池电极极片的制备方法:
1、在无溶剂存在的条件,将一定比例的将正极或负极活性物质、高分子粘结剂、固态电解质和其他助剂通过高能混合的方式得到均匀粉体材料,其中,正极或负极活性物质的重量份数为80-95份,正极活性材料可以选择钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、三元材料或富锰材料中的一种、两种或以上的组合。负极活性材料可以选择石墨系材料、硅系材料、锡系材料、钛酸锂或石墨烯等二维材料中的一种、两种或以上的组合;高分子粘结剂的重量份数为3-10份,高分子粘结剂可以选择油性粘结剂、水性粘结剂或光固化粘结剂中的一种、两种或以上组合;固态电解质的重量份数为2-10份,固态电解质可以选择有机高分子复合锂盐系列或低熔点固态电解质中的一种或两种组合,有机高分子复合锂盐为聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚甲醛树脂(POM)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)等高分子复合锂离子电池所用的电解质组成的复合电解质的其中一种,低熔点固态电解质为反钙钛矿结构的固态电解质(Li3-xAXBC),其中A为Ba、Mg、Al等碱土金属元素,B为氧族元素(氧、硫等),C为卤族元素或者离子簇等;其他助剂的重量份数为1-10份,其他助剂为导电剂、助熔剂或吸波材料等的一种、两种或以上组合,导电剂为导电炭黑、小尺寸石墨、碳纳米管或石墨烯等一种、两种或以上组合,助熔剂为金粉、银粉、铝粉、铜粉、锡粉、镍粉等一种、两种或以上组合;高能混合10分钟至5小时后得到均匀混合粉体。
2、将均匀混合粉体在箔材表面采用连续涂覆的方式形成一层厚度为50μm-300μm的均匀的电极粉体层,连续涂覆的方法可以选择ESC静电喷粉、低压热喷粉或高压冷喷粉方式中的一种或两种工艺的组合。
3、通过低耗能的低温固化工艺实现各种材料的良好融合,最终形成厚度均匀、致密的连续电极膜层,得到所需的锂离子电池电极,低温固化工艺可以选择室温光固化、常温激光烧结或室温下微波固化等方法中的一种、两种或以上组合。
实施例一
1、在高能球磨机中,将质量分数为94%的钴酸锂正极材料,3%的PVDF粘结剂,2%的PVDF锂盐电解质和1%的导电炭黑高能混合30min,得到所需的均匀粉体材料;然后采用低压热喷粉工艺在铝箔表面涂覆一层100μm厚度的均匀粉体层;然后采用常温激光烧结的工艺最终得到钴酸锂电池电极极片。记录此方法得到的钴酸锂电池电极极片的厚度、孔隙率和0.3C容量,见表一中编号1-4。
2、在混料机中,选用同样配比下,将质量分数为94%的钴酸锂正极材料,3%的PVDF粘结剂,2%的PVDF锂盐电解质和1%的导电炭黑用有机溶剂NMP分散均匀;然后经过涂布和辊压工艺得到钴酸锂电池电极极片。记录此方法得到的钴酸锂电池电极极片的厚度、孔隙率和0.3C容量,见表一中编号5-6。
表一
编号 | 厚度(μm) | 孔隙率(%) | 0.3C容量(mAh/g) |
1 | 83 | 40 | 160 |
2 | 82 | 38 | 155 |
3 | 82 | 37 | 162 |
4 | 81 | 39 | 158 |
5 | 84 | 60 | 140 |
6 | 86 | 58 | 145 |
实施例二
1、在超声波混合设备中,将质量分数为90%的锰酸锂正极材料,5%的Li3OCl固态电解质和5%的石墨烯高能混合2h,得到所需的均匀粉体材料;然后采用高压冷喷粉工艺在铝箔表面涂覆一层200μm厚度的均匀粉体层;然后采用微波固化的工艺最终得到锰酸锂电池电极极片。记录此方法得到的锰酸锂电池电极极片的厚度、孔隙率和0.3C容量,见表二中编号1-4。
2、在超声波混合设备中,选用同样配比下,将质量分数为90%的锰酸锂正极材料,5%的Li3OCl固态电解质和5%的石墨烯用有机溶剂NMP分散均匀;然后经过涂布和辊压工艺得到锰酸锂电池电极极片。记录此方法得到的锰酸锂电池电极极片的厚度、孔隙率和0.3C容量,见表二中编号5-6。
表二
编号 | 厚度(μm) | 孔隙率(%) | 0.3C容量(mAh/g) |
1 | 150 | 20 | 127 |
2 | 147 | 17 | 130 |
3 | 139 | 23 | 128 |
4 | 145 | 30 | 132 |
5 | 184 | 50 | 105 |
6 | 176 | 48 | 107 |
实施例三
1、在高能球磨机中,将质量分数为85%的石墨材料,5%的PVDF锂盐电解质和10%的碳纳米管高能混合1h,得到所需的粉体材料;然后采用ESC静电喷粉工艺在铜箔表面涂覆一层300μm厚度的均匀粉体层;然后采用激光烧结的工艺最终得到锂离子电池负极极片。记录此方法得到的锂离子电池负极极片的厚度、孔隙率和0.3C容量,见表三中编号1-4。
2、在混料机中,将质量分数为85%的石墨材料,5%的PVDF锂盐电解质和10%的碳纳米管用有机溶剂NMP分散均匀;然后经过涂布及辊压工艺得到最终得到锂离子电池负极极片。记录此方法得到的锂离子电池负极极片的厚度、孔隙率和0.3C容量,见表三中编号5-6。
表三
编号 | 厚度(μm) | 孔隙率(%) | 0.3C容量(mAh/g) |
1 | 250 | 40 | 360 |
2 | 252 | 40 | 358 |
3 | 248 | 38 | 364 |
4 | 249 | 37 | 368 |
5 | 280 | 53 | 300 |
6 | 275 | 50 | 305 |
实施例四
1、在高机械搅拌机中,将质量分数为87%的硅系材料,5%的PEO锂盐电解质和5%的碳纳米管、2%石墨烯和1%铜粉高能混合3h,得到所需的粉体材料;然后采用ESC静电喷粉工艺在铜箔表面涂覆一层250μm厚度的均匀粉体层;然后采用激光烧结的工艺最终得到锂离子电池负极极片。记录此方法得到的锂离子电池负极极片的厚度、孔隙率和0.3C容量,见表四中编号1-4。
2、在高机械搅拌机中,将质量分数为87%的硅系材料,5%的PEO锂盐电解质和5%的碳纳米管、2%石墨烯和1%铜粉用有机溶剂NMP分散均匀;然后经过涂布及辊压工艺得到最终得到锂离子电池负极极片。记录此方法得到的锂离子电池负极极片的厚度、孔隙率和0.3C容量,见表四中编号5-6。
表四
编号 | 厚度(μm) | 孔隙率(%) | 0.3C容量(mAh/g) |
1 | 200 | 30 | 1200 |
2 | 198 | 31 | 1250 |
3 | 195 | 27 | 1300 |
4 | 197 | 25 | 1280 |
5 | 220 | 45 | 800 |
6 | 230 | 48 | 800 |
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离该发明构思的前提下,所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种锂离子电池电极极片的制备方法,其特征在于,其具体步骤为:
(1)材料混合:在无溶剂存在的条件下,将正极活性材料或负极活性材料、高分子粘结剂、固态电解质和助剂进行混合均匀,得到均匀粉体;
(2)连续喷粉:将均匀粉体连续涂覆在箔材表面,使得在箔材表面形成一层电极粉体层;
(3)固化:通过固化工艺实现步骤(1)中的材料的融合,形成连续电极膜层,得到所需的锂离子电池电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,按重量份数计,所述正极活性材料或负极活性材料为80-95份,所述高分子粘结剂为3-10份,所述固态电解质为2-10份,所述助剂为1-10份。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述混合的时间为10分钟至5小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述混合的方式为机械混合、球磨混合和/或超声波混合。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述连续涂覆的方法为ESC静电喷粉、低压热喷粉和/或高压冷喷粉。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述电极粉体层的厚度为50μm-300μm。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述固化工艺为室温光固化、常温激光烧结和/或室温下微波固化。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、三元材料和/或富锰材料,所述负极活性材料为石墨系材料、硅系材料、锡系材料、钛酸锂和/或二维材料石墨烯;
所述高分子粘结剂为油性粘结剂、水性粘结剂和/或光固化粘结剂;
所述固态电解质为有机高分子复合锂盐和/或低熔点固态电解质;
所述助剂为导电剂、助熔剂和/或吸波材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述有机高分子复合锂盐为聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚甲醛树脂、聚氯乙烯、聚丙烯或聚碳酸酯;
所述低熔点固态电解质为反钙钛矿结构的固态电解质Li3-xAXBC,其中A为碱土金属元素,B为氧族元素,C为卤素元素或离子簇;
所述导电剂为导电炭黑、小尺寸石墨、碳纳米管和/或石墨烯;
所述助熔剂为金粉、银粉、铝粉、铜粉、锡粉和/或镍粉。
10.一种锂离子电池电极极片,其特征在于,使用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成。
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