CN108232287B - 一种锂离子电池极片及制作方法、电芯 - Google Patents

一种锂离子电池极片及制作方法、电芯 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池极片及制作方法、电芯。所述极片包括重叠放置的正极片和负极片。所述负极片包括负极片本体及从本体朝外方向上顺次涂覆的的第一陶瓷涂层、功能涂层，功能涂层表面或者正极片表面涂覆有第二陶瓷涂层。所述功能涂层由金属锂化物粉末、粘结剂、流平剂、水混合组成。本发明能够提高电池的热安全性、抑制锂枝晶生长,功能涂层仅在锂枝晶长成时参与电化学反应，在电芯正常充放电时不参与电化学反应因而无需特殊电解液，有效降低成本。

Description

一种锂离子电池极片及制作方法、电芯
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池极片及制作方法、电芯。
背景技术
目前锂离子电池应用广泛。商业化锂电池通常采用聚烯烃类有机物聚合高分子隔膜，使用石墨、硅碳类负极材料的锂离子电池在低温充电、大倍率充电、长周期循环后易在负极表面生成锂枝晶，锂枝晶刺穿隔膜引起电芯内短路进而热失控，且现有聚烯烃高分子隔膜不耐高温，在高温时易发生收缩也会导致电芯热失控。
目前的锂离子电池高分子隔膜高温易收缩、易被锂枝晶刺穿、电池内阻大等缺点，而已有的极片表面涂陶瓷隔离层的方法无法解决锂枝晶的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种锂离子电池极片，包括重叠放置的正极片和负极片，所述负极片包括负极片本体及从本体朝外方向上顺次涂覆的的第一陶瓷涂层、功能涂层，所述功能涂层由金属锂化物粉末、粘结剂、流平剂、水混合组成。功能涂层表面或者正极片表面涂覆有第二陶瓷涂层。
进一步的，功能涂层由以下重量份组成：金属锂化物粉末5-50份、粘结剂1-25份、流平剂10-80份、水1-10份。
进一步的，所述功能涂层厚度为0.2μm ~25μm。
进一步的，所述金属锂化物粉末中所含的金属锂化物为Li4Ti5O12、Li7MnN4、LiFeN2中的一种或者多种。
进一步的，所述第一陶瓷涂层、第二陶瓷涂层由以下重量组分组成：陶瓷无机粉末10-65份、粘结剂5-25份、消泡剂0-10份、水10-70份。
进一步的，陶瓷无机粉末粒径为10nm~25000nm。
进一步的，所述陶瓷无机粉末由Al元素氧化物或氮化物，和/或Mg元素氧化物或氮化物，和/或Si元素氧化物或氮化物、和/或Zr元素氧化物或者氮化物、和/或Ti元素氧化物或氮化物构成。
进一步的，第一陶瓷涂层、第二陶瓷涂层的厚度为0.1μm ~20μm。
一种锂电池电芯，包含上述的锂离子电池极片。
上述的锂离子电池极片的制作方法包括以下步骤：
步骤一：预先选定好负极片。
步骤二：在负极片上涂覆第一陶瓷涂层。
步骤三：在第一陶瓷涂层上涂覆功能涂层，所述功能涂层由金属锂化物粉末、粘结剂、流平剂、水混合组成。
步骤四：在功能涂层表面或者正极片表面涂覆第二陶瓷涂层。
步骤五：将正极片与负极片堆叠，封装成电芯。
进一步的，各层涂覆后分别进行辊压或者全部涂覆后再整体进行辊压。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种含无机涂层的电池极片及其制造方法，能够提高电池的热安全性、抑制锂枝晶生长且涂层，且仅在锂枝晶长成时参与电化学反应。
本发明还无需配置特殊的电解液即可防止电芯的产气副反应。现有技术中，一般涂钛酸锂的电池都需要配制专用的电解液，而且易出现产气的异常，原因是将功能涂层是直接涂在负极片上的，这样功能涂层在一开始就参与电化学反应，电芯如果使用常规电解液会伴随产气等副反应，因此需要配制特殊的电解液抵制电芯的产气副反应。而本申请将功能涂层与负极间使用陶瓷涂层隔离开，充电开始时功能涂层处无自由电子不参与电化学反应（因电解液是非电子导体），也就不会发生产气等副反应，故无需使用特殊电解液。
附图说明
图1为涂覆后的负极片示意图。
图2为正极片、负极片相对位置示意图。
图中:1.负极片，2.第一陶瓷涂层，3.功能涂层，4.第二陶瓷涂层，5.正极片。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述锂离子电池极片包括重叠放置的正极片和负极片。
所述负极片包括负极片本体及从本体朝外方向上顺次涂覆的的第一陶瓷涂层、功能涂层。功能涂层表面或者正极片表面涂覆有第二陶瓷涂层。
下面分别予以介绍。
1.功能涂层
功能涂层由金属锂化物粉末、粘结剂、流平剂、水组成。各个成分的重量份具有一定的调节范围。
实施例1：
功能涂层由以下重量份组成：金属锂化物粉末5份、粘结剂1份、流平剂10份、水1份。
实施例2：
功能涂层由以下重量份组成：金属锂化物粉末50份、粘结剂25份、流平剂80份、水0份。
实施例3:
功能涂层由以下重量份组成：金属锂化物粉末10份、粘结剂15份、流平剂20份、水8份。
实施例4：
功能涂层由以下重量份组成：金属锂化物粉末14份、粘结剂23份、流平剂25份、水7份。
实施例5：
功能涂层由以下重量份组成：金属锂化物粉末30份、粘结剂21份、流平剂45份、水9份。
实施例六：
功能涂层由以下重量份组成：金属锂化物粉末20份、粘结剂10份、流平剂65份、水5份。此为最佳配比。
功能涂层厚度可以为0.2μm或25μm或者0.2μm-25μm之间的范围，最佳厚度为4μm。
金属锂化物粉末中所含的金属锂化物为Li4Ti5O12、Li7MnN4、LiFeN2中的一种或者多种。
2.第一陶瓷涂层、第二陶瓷涂层。
第一陶瓷涂层、第二陶瓷涂层由陶瓷无机粉末、粘结剂、消泡剂、水组成，各个成分的重量份具有一定的调节范围。
陶瓷无机粉末主要由Al、Mg、Si、Zr、Ti等元素的氧化物或氮化物中的一种或者多种构成，起电子绝缘作用，电解液可以通过其中孔隙流动。陶瓷无机粉末的粒径为可为10nm或者25000nm,或者两者之间的某个数值，最佳粒径为350nm。
实施例1：
陶瓷无机粉末10份、粘结剂5份、消泡剂0份、水10份。
实施例2：
陶瓷无机粉末65份、粘结剂25份、消泡剂10份、水70份。
实施例3：
陶瓷无机粉末20份、粘结剂15份、消泡剂7份、水30份。
实施例4：
陶瓷无机粉末53份、粘结剂21份、消泡剂9份、水20份。
实施例5：
陶瓷无机粉末35份、粘结剂15份、消泡剂3份、水47份。此为最佳配比。
第一陶瓷涂层、第二陶瓷涂层涂层厚度0.1μm 或者20μm，或者可以选择两者之间的范围，最佳厚度2μm。
3.负极片本体
采用的是现有的负极片本体。
下面对本发明所述极片的制作方法进行说明。
步骤一：预先选定好负极片；
可以使用已辊压的盘状常规已涂布、辊压的负极片。
步骤二：在负极片上涂覆第一陶瓷涂层。
将陶瓷无机粉末、粘结剂、消泡剂、水制浆后采用转移、印刷、挤压式涂布或者溅射涂布法将陶瓷粉末涂在负极片上，烘干后辊压。
步骤三：在第一陶瓷涂层上涂覆功能涂层，所述功能涂层由金属锂化物粉末、粘结剂、流平剂、水混合组成。
功能涂层是采用转移、印刷、挤压式涂布或者溅射涂布法涂在负极片表面。
步骤四：在功能涂层或者正极片表面涂覆第二陶瓷涂层。
方法同步骤二。
步骤五：将正极片与负极片堆叠，封装成电芯。
此步骤的组装、封口、注液、化成等均与常规电芯封装方式相同。 电解液为常规的LiPF6溶质电解液。
需要进行说明的是，各层涂覆后可分别进行辊压或者全部涂覆后再整体进行辊压。
上述电芯测试结果：1.耐高温测试：电芯在80℃，以0.2C电流充放循环。50周后标准电芯容量损失1.03%，对比组电芯容量损失2.37%；
2.低温充电测试：电芯在-20℃下放置40min，再用0.5C电流将电芯充电至3.65V。放置30min后，标准组电芯厚度无变化，对比组电芯发生气鼓，最大厚度增加232%。
本发明的工作原理为：
充电开始时功能涂层3处无自由电子，不参与电化学反应（无需特殊电解液）。锂离子由正极通过扩散穿过功能涂层3移动向负极，由于功能涂层3是锂离子由锂金属氧化物构成，锂离子可以快速穿过该涂层。
锂枝晶生成穿过陶瓷层2与功能层3接触时，枝晶同时将电子导向功能涂层3，功能涂层3开始参与电化学反应将正极过来的锂离子以离子态存入功能涂层3中锂枝晶不再继续生长。

Claims (9)

1.一种锂离子电池极片，其特征在于，包括重叠放置的正极片和负极片，所述负极片包括负极片本体及从本体朝外方向上顺次涂覆的第一陶瓷涂层、功能涂层，所述功能涂层由金属锂化物粉末、粘结剂、流平剂、水混合组成；功能涂层表面或者正极片表面涂覆有第二陶瓷涂层；
所述金属锂化物粉末中所含的金属锂化物为Li4Ti5O12、Li7MnN4、LiFeN2中的一种或者多种。
2.如权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，功能涂层由以下重量份组成：金属锂化物粉末5-50份、粘结剂1-25份、流平剂10-80份、水1-10份。
3.如权利要求1或2所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述功能涂层厚度为0.2μm～25μm。
4.如权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述第一陶瓷涂层、第二陶瓷涂层由以下重量组分组成：陶瓷无机粉末10-65份、粘结剂5-25份、消泡剂0-10份、水10-70份。
5.如权利要求4所述的锂离子电池极片，其特征在于，所述陶瓷无机粉末由Al元素氧化物或氮化物，和/或Mg元素氧化物或氮化物，和/或Si元素氧化物或氮化物、和/或Zr元素氧化物或者氮化物、和/或Ti元素氧化物或氮化物构成。
6.如权利要求1所述的锂离子电池极片，其特征在于，第一陶瓷涂层、第二陶瓷涂层的厚度为0.1μm～20μm。
7.一种电芯，其特征在于，包含如权利要求1-6任一项所述的锂离子电池极片。
8.如权利要求1～6任一项所述的锂离子电池极片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：预先选定好负极片；
步骤二：在负极片上涂覆第一陶瓷涂层；
步骤三：在第一陶瓷涂层上涂覆功能涂层，所述功能涂层由金属锂化物粉末、粘结剂、流平剂、水混合组成；
步骤四：在功能涂层或者正极片表面上涂覆第二陶瓷涂层；
步骤五：将正极片与负极片堆叠，封装成电芯。
9.如权利要求8所述的锂离子电池极片的制作方法，其特征在于，各层涂覆后分别进行辊压或者全部涂覆后再整体进行辊压。
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