CN108417776A - 电池极片及其制备方法和锂离子电池 - Google Patents

电池极片及其制备方法和锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电池极片及其制备方法和锂离子电池。所述电池极片包括集流体，还包括粘结剂层，所述粘结剂层是粘合在所述集流体的表面上，且在所述粘结剂层的背离所述集流体的表面还粘合有活性物质层，在所述粘结剂层中还分散有形成所述活性物质层的物质。本发明电池极片是将活性物质层的物质分散在粘结剂层中和粘合在粘结剂层的表面上，从而使得电池极片的直流阻抗小、充放电性能优异、循环寿命长。其制备方法工艺条件易控，有效保证了制备的电池极片性能的稳定性。所述锂离子电池充放电性能优异、循环寿命长。

Description

电池极片及其制备方法和锂离子电池
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种电池极片及其制备方法和锂离子电池。
背景技术
锂离子电池以其高电压、高能量密度和长循环寿命等优异性能而被广泛应用于手机和笔记本电池、动力电池及储能电池等。其中手机和笔记本电池已完全被锂离子电池占据，其他种类的电池根本无法达到这些便携式智能设备的严苛要求。随着锂离子电池的应该越来越广，对锂离子电池的要求也越来越高。如对锂离子电池的能量密度等性能要求也越来越高。其中，电极片的性能是影响锂离子电池性能的重要部件之一。
现有的电极片一般是将活性物质、导电剂和粘结剂配制成电极浆料，然后进行涂敷成活性层，然后在烘箱里干燥使浆料溶剂挥发，由于使用溶剂以及溶剂的挥发既不经济又不环保。其中，常用的溶剂为氮甲基吡咯烷酮(NMP)，其NMP的沸点203℃。因此，在常规的干燥(100-150℃)过程中，溶剂如NMP并不能完全挥发，残留的溶剂会影响锂离子电池的直流阻抗及充放电性能。
另外，将浆料涂敷于集流体上后，往往会对集流体造成一定的损坏，如将高镍正极材料的水性浆料涂敷于铝箔集流体时，会产生气体，导致铝箔腐蚀穿孔，最终使锂离子电池在充放电过程中阻抗增加，循环寿命剧减。经研究发现，涂敷于铝箔产生气体的原因是：高镍正极含有大量的残留锂(LiOH、LiCO3)，残留锂在溶剂中形成PH值约12的碱性溶液，金属铝在碱性溶液中发生反应生成H2和铝离子或偏铝酸根离子。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种电池极片及其制备方法，以解决在现有电池极片由于采用浆料涂敷方法制备而导致的直流阻抗大、充放电性能、循环寿命不理想的技术问题。
本发明的另一目的在于提供一种锂离子电池，以解决现有锂离子电池由于电极片的问题导致充放电性能、循环寿命不理想的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明一方面，提供了一种电池极片。所述电池极片包括集流体，还包括粘结剂层，所述粘结剂层是粘合在所述集流体的表面上，且在所述粘结剂层的背离所述集流体的表面还粘合有活性物质层，在所述粘结剂层中还分散有形成所述活性物质层的物质。
本发明另一方面，提供了一种电池极片的制备方法。所述电池极片的制备方法包括如下步骤：
将粘结剂在集流体表面形成膜层，并经干燥处理，形成初始粘结剂层；
在所述初始粘结剂层的表面上形成活性物质粉体层，形成电池极片胚体；
将所述电池极片胚体进行热压处理。
本发明再一方面，提供了一种锂离子电池。所述锂离子电池包括正极片和负极片，所述正极片和/或所述负极片为本发明电池极片或由本发明制备方法制备的电池极片。
与现有技术相比，本发明电池极片是将活性物质层的物质分散在粘结剂层中和粘合在粘结剂层的表面上，从而使得电池极片的直流阻抗小、充放电性能优异、循环寿命长。
本发明电池极片制备方法是先制备初始粘结剂层，然后将活性物质粉体层与初始粘结剂层热压处理，一方面避免了对有害溶剂的使用，从而有效提高了环保性，降低了生产成本；另一方面，避免了溶剂在电极片中的残留，从而赋予所述电池极片小的直流阻抗，优异的充放电性能；第三，避免了将电极浆料在集流体上的直接涂敷，从而避免了电极浆料对集流体可能的损害，保护了集流体，从而延长了制备电极极片循环寿命。
本发明锂离子电池含有所述正极片和/或所述负极片，因此，所述锂离子电池充放电性能优异、循环寿命长。
附图说明
图1为本发明实施例电池极片结构示意图；
图2为本发明实施例电池极片制备方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例说明书中所提到的相关成分的重量份不仅仅可以指代各组分含量，也可以表示各组分间重量比例，因此，只要是按照本发明实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本发明实施例说明书公开的范围之内。具体地，本发明实施例说明书中所述的重量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的重量单位。
一方面，本发明实施例提供了一种电池极片。所述电池极片的结构如图1所示，其包括集流体1、粘结剂层2和活性物质层3。
其中，集流体1可以是常规电池如锂离子电池常规的电极集流体。当所述电极极片为正极片时，所述集流体为常规的正极集流体，具体如铝箔；当所述电极极片为负极片时，所述集流体为常规的负极集流体。
所述粘结剂层2是粘合在所述集流体1的表面上的，如一个表面上或两个表面上，图1中仅仅显示了所述粘结剂层2粘合在所述集流体1一个表面上的一种情况。而且，在所述粘结剂层2中还分散有形成所述活性物质层3的物质21。分散在所述粘结剂层2中的形成所述活性物质层3的物质21的量应该是所述粘结剂层2能够容纳其最大的量。一实施例中，在所述粘结剂层2中分散所述形成所述活性物质层3的物质21的方式可以按照下文所述的电池极片制备方法进行分散。所述形成所述活性物质层3的物质21与所述活性物质层3的成分保持一样，具体如下文所述活性物质层3中所述。
在一实施例中，所述粘结剂层2的厚度为1-100μm。通过控制所述粘结剂层2厚度，实现对分散在所述粘结剂层2中的形成所述活性物质层3的物质21的量，从而提高所述电池极片的容量，降低内阻等电化学性能。
另外，形成粘结剂层2的粘结剂可以是常规粘结剂，一实施例中，所述粘结剂层2的粘结剂选用丙烯系水性粘结剂，具体实施例中，所述丙烯系水性粘结剂包括聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等中的至少一种。选用该丙烯系水性粘结剂能够直接采用水作为溶剂，一方面避免了对有害溶剂的使用，从而有效提高了环保性，降低了生产成本；另一方面，避免了其他溶剂在电极片中的残留，从而赋予所述电池极片小的直流阻抗，优异充放电性能优异；第三，避免了丙烯系水性粘结剂对集流体1可能的损害，保护了集流体1，从而延长了制备电极极片循环寿命。
所述活性物质层3是结合在所述粘结剂层2的背离所述集流体1的表面上，一所述中，所述活性物质层3的厚度为50-150μm。通过控制所述活性物质层3的厚度，使其与分散在所述粘结剂层2的形成所述活性物质层3的物质21一起，提高所述电池极片的如容量，降低内阻等电化学性能。
另外，所述活性物质层3的材料包括活性物质与导电剂的混合物，如所述活性物质和导电剂的重量比为(90-98.5)：(0.5-10)的混合物。
如当所述集流体1为正极集流体时，也即是所述电池极片为正极片时，所述活性物质层3为正极活性物质层，此时，所述活性物质层3的材料包括正极活性物质与导电剂的混合物，如重量比为(90-98.5)：(0.5-10)的所述活性物质和导电剂混合物。其中，所述正极活性物质为高镍正极活性物质，具体地，所述高镍正极活性物质为镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍酸锂等中的至少一种，所述导电剂为导电石墨、导电炭黑、碳纳米管等中的至少一种。
当然，所述集流体1还可以是负极片。此时，所述集流体1为负极集流体，所述活性物质层3为负极活性物质层，此时，所述活性物质层3的材料包括负极活性物质与导电剂的混合物，如重量比为(90-98.5)：(0.5-10)的所述负极活性物质和导电剂混合物。其中，所述负极活性物质可以常规的负极材料，如石墨、硅-碳负极等。所述导电剂也是常规的电极导电剂，如导电石墨、导电炭黑、碳纳米管等中的至少一种。
另外，优选的，通过控制所述粘结剂层2活性物质层3的厚度调节，使得所述电池极片的厚度≤200μm。
因此，上文所述电池极片通过其电极片结构的改进，且各层结构起到协同作用，赋予所述电池极片小的直流阻抗，优异充放电性能，而循环性能好。
另一方面，本发明实施例还提供了上文所述电池极片的一种制备方法。所述制备方法流程如图2所示，结合图1，所述制备方法包括如下步骤：
S01：将粘结剂在集流体1表面形成膜层，并经干燥处理，形成初始粘结剂层；
S02：在经干燥处理的所述初始粘结剂层的表面上形成活性物质粉体层，形成电池极片胚体；
S03：将所述电池极片胚体进行热压处理。
其中，所述步骤S01，粘结剂在集流体1表面形成膜层的方法可以是常规形成粘结剂层的方法。当所述粘结剂为上文所述的丙烯系水性粘结剂时，将丙烯系水性粘结剂在集流体1表面形成膜层的方法是采用丙烯系水性粘结剂胶液涂覆于所述集流体表面上。其中，丙烯系水性粘结剂胶液可以但不仅仅为浓度为5-50wt％的胶液丙烯系水性粘结剂的水溶液。
对所述膜层进行的干燥处理，是为了除去膜层中的如水分等溶剂，从而形成固化的初始粘结剂层。一实施例中，所述干燥处理可以是烘干或其他的方式进行干燥。通过对膜层厚度的控制，间接控制所述初始粘结剂层的厚度，如一实施例中，经所述干燥处理后形成的所述初始粘结剂层的厚度为1-100μm。通过对所述初始粘结剂层厚度的控制，如果上文所述，实现对分散在所述粘结剂层2中的形成所述活性物质层3的物质的量，从而提高所述电池极片的容量，降低内阻等电化学性能。
所述步骤S02中，形成所述活性物质粉体层的方法是将含有活性物质和导电剂的混合物粉体直接在所述初始粘结剂层的表面上形成混合物粉体层。其中，含有活性物质和导电剂的混合物粉体也即是电极片活性物质层所含如活性材料和导电剂等成分的混合物粉体，具体是将如含有活性物质和与导电剂直接进行混合的混合物粉体。一实施例中，所述混合物粉体含有活性物质和导电剂的含量比如上文中所述，如活性物质和导电剂的重量比可以为(90-98.5)：(0.5-10)。
另外，该活性物质种类是依据电池极片的极性而定，如制备的电池极片为正极片时，所述活性物质为正极活性物，此时，所述混合物粉体的材料包括正极活性物质与导电剂，如重量比为(90-98.5)：(0.5-10)的所述活性物质和导电剂混合物。其中，所述正极活性物质可以为高镍正极活性物质，具体地，所述高镍正极活性物质为镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍酸锂等中的至少一种，所述导电剂为导电石墨、导电炭黑、碳纳米管等中的至少一种。在此种情况下，所述集流体1为正极集流体。
当制备的电池极片为负极片时，所述活性物质为负极活性物，此时，所述混合物粉体的材料包括负极活性物质与导电剂的混合物，如重量比为(90-98.5)：(0.5-10)的负极活性物质和导电剂混合物。其中，所述负极活性物质可以常规的负极材料，如石墨等。所述导电剂也是常规的电极导电剂，如导电石墨、导电炭黑、碳纳米管等中的至少一种。在此种情况下，所述集流体1为负极集流体。
另外，通过对粉体层厚度的控制，直接控制了制备的电池极片中活性物质含量，也决定了所述电池极片的性能。如一实施例中，控制所述活性物质粉体层的厚度为50-300μm。通过对所述活性物质粉体层厚度的控制，如果上文所述，实现对分散在所述粘结剂层2中的形成所述活性物质层3的物质21的量的控制，同时决定了上文所述电池极片所含活性物质层3的厚度，从而提高所述电池极片的容量，降低内阻等电化学性能。
所述步骤S03中，对所述电池极片胚体进行热压处理后，使得步骤S02中形成的活性物质粉体层也即是含有活性物质和导电剂的混合物粉体层在热压处理过程中，被压实于所述初始粘结剂层，而由于是热压处理，因此，在所述热压处理过程中，所述初始粘结剂层由于受热而软化，因此，形成于所述初始粘结剂层表面的混合物粉体层在压力下向所述初始粘结剂层中分散，从而形成如图1所示的，初始粘结剂层形成粘结剂层2，并在所述粘结剂层2中分散有形成所述活性物质3的物质21，也即是含有活性物质和导电剂的混合物粉体。而所述活性物质粉体层中的部分混合物粉体进入并分散在所述初始粘结剂层中，同时在所述粘结剂层2的表面形成活性物质层3。一实施例中，所述热压处理的温度60-90℃，施加的压力不大于100N。通过对热压处理的温度和压力的控制，使得所述混合物粉体能够成分的进入并均匀分散在所述初始粘结剂层中，从而使得初始粘结剂层形成粘结剂层2，活性物质粉体层形成活性物质层3，并增强集流体1、粘结剂层2和活性物质层3三者之间的粘结强度，提高所述电池极片的结构牢固性。
另外，所述热压处理可以是热辊压处理，如采用辊压机完成所述热压处理。待热压处理后，还包括对形成对极片进行如分切等后续工序处理。
因此，所述电池极片制备方法是先制备初始粘结剂层，然后将活性物质粉体层与初始粘结剂层热压处理，一方面避免了对有害溶剂的使用，从而有效提高了环保性，降低了生产成本；另一方面，避免了溶剂在电极片中的残留，从而赋予所述电池极片小的直流阻抗，优异的充放电性能；第三，避免了将电极浆料在集流体上的直接涂敷，从而避免了电极浆料对集流体可能的损害，保护了集流体，从而延长了制备电极极片循环寿命。
再一方面，在上文所述电池极片及其制备方法的基础上，本发明实施例还提供了一种锂离子电池。所述锂离子电池包括必要的部件，如正极片和负极片。其中，所述正极片和/或所述负极片为上文所述的电池极片，也即是说，在所述锂离子电池中，一实施例中，正极片为上文所述的正极电池极片，负极为常规的负极片；另一实施例中，负极片为上文所述的负极电池极片，正极为常规的正极片；再一实施例中，正极片为上文所述的正极电池极片，同时负极片为上文所述的负极电池极片。
由于所述锂离子电池含有所述正极片和/或所述负极片，因此，所述锂离子电池充放电性能优异、循环寿命长。
现提供多个具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
1.电池极片实施例
实施例11
本实施例提供了一种正极片及其制备方法。所述正极片包括金属铝箔集流体和结合在所述金属铝箔流体上的聚丙烯酰胺粘结剂层，在所述粘结剂层的背离所述集流体的表面还粘合有正极活性物质层，在所述粘结剂层中还分散有形成所述正极活性物质层的物质，其中，所述正极活性物质层材料包括重量比为95:5的镍钴锰酸锂和导电石墨导电剂的混合物。。
本实施例电池极片制备方法如下：
S11：将聚丙烯酰胺溶于水中制成浓度25wt％的胶液；将镍钴锰酸锂与导电石墨按照重量比为95:5的置于合浆罐中预混合处理，即机械搅拌1h形成混合物粉体；
S12：将S11中配制所述胶液涂敷于金属铝箔集流体上，经过150℃烘箱烘烤，并保证固化的聚丙烯酰胺初始粘结剂层厚度为50μm；
S13：将S11中的混合物粉体喷洒在S12中所制得的聚丙烯酰胺初始粘结剂层表面上，形成活性物质粉体层，形成正极片胚体，并控制活性物质粉体层厚度在150μm，若喷洒太薄，浪费锂离子电池的有限空间，若喷洒太厚粉料粘接效果不佳；
S14：调整辊压机温度在60-90℃，将S13中正极片胚体进行热压成粘接性良好的正极极板。
实施例22
本实施例提供了一种正极片及其制备方法。所述正极片包括金属铝箔集流体和结合在所述金属铝箔流体上的聚丙烯酰胺粘结剂层，在所述粘结剂层的背离所述集流体的表面还粘合有正极活性物质层，在所述粘结剂层中还分散有形成所述正极活性物质层的物质，其中，所述正极活性物质层材料包括重量比为98：2的(镍钴铝酸锂)和导电石墨导电剂的混合物。
本实施例电池极片制备方法如下：
S11：将聚丙烯酰胺溶于水中制成浓度25wt％的胶液；将(镍钴铝酸锂)与导电石墨按照重量比为98:2的置于合浆罐中预混合处理，即机械搅拌1h形成混合物粉体；
S12：将S11中配制所述胶液涂敷于金属铝箔集流体上，经过150℃烘箱烘烤，并保证固化的聚丙烯酰胺初始粘结剂层厚度为50μm；
S13：将S11中的混合物粉体喷洒在S12中所制得的聚丙烯酰胺初始粘结剂层表面上，形成活性物质粉体层，形成正极片胚体，并控制活性物质粉体层厚度在300μm，若喷洒太薄，浪费锂离子电池的有限空间，若喷洒太厚粉料粘接效果不佳；
S14：调整辊压机温度在60-90℃，将S13中正极片胚体进行热压成粘接性良好的正极极板。
实施例23
本实施例提供了一种正极片及其制备方法。所述正极片包括金属铝箔集流体和结合在所述金属铝箔流体上的聚丙烯酰胺粘结剂层，在所述粘结剂层的背离所述集流体的表面还粘合有正极活性物质层，在所述粘结剂层中还分散有形成所述正极活性物质层的物质，其中，所述正极活性物质层材料包括重量比为98：2的(镍钴铝酸锂)和导电石墨导电剂的混合物。
本实施例电池极片制备方法如下：
S11：将聚丙烯酰胺溶于水中制成浓度25wt％的胶液；将(镍钴铝酸锂)与导电石墨按照重量比为98:2的置于合浆罐中预混合处理，即机械搅拌1h形成混合物粉体；
S12：将S11中配制所述胶液涂敷于金属铝箔集流体上，经过150℃烘箱烘烤，并保证固化的聚丙烯酰胺初始粘结剂层厚度为100μm；
S13：将S11中的混合物粉体喷洒在S12中所制得的聚丙烯酰胺初始粘结剂层表面上，形成活性物质粉体层，形成正极片胚体，并控制活性物质粉体层厚度在300μm，若喷洒太薄，浪费锂离子电池的有限空间，若喷洒太厚粉料粘接效果不佳；
S14：调整辊压机温度在60-90℃，将S13中正极片胚体进行热压成粘接性良好的正极极板。
锂离子电池实施例21-23
将实施例11至13制备的正极极片与负极极片组装成锂离子电池。具体是按传统的锂离子电池的制作方法将极板分切、卷绕、烘烤、注液、活化、化成。对半成品电池进行化成满充，最终制备出锂离子全电池进行测试。
其中，电解液为六氟磷酸锂、碳酸酯类溶剂、氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯等混合物，隔膜为PE膜。负极极片选用石墨(96.5-99.5wt％)、导电剂(0-2wt％)、丙烯系水性粘结剂(0.5-1.5wt％)制程的水性浆料涂敷在铜箔集流体上，100℃-150℃干燥10-15min后，经辊压成负极片。
对比例21
将镍钴锰酸锂、导电石墨、NMP溶剂、粘结剂按照常规的方法配制成正极浆料，并将所述正极浆料涂敷在铝箔集流体上，100℃-150℃干燥充分后，经辊压成正极片。其中，镍钴锰酸锂与导电石墨的重量比为95：5。
负极极片选用石墨(96.5-99.5wt％)、导电剂(0-2wt％)、丙烯系水性粘结剂(0.5-1.5wt％)制程的水性浆料涂敷在铜箔集流体上，100℃-150℃干燥10-15min后，经辊压成负极片。
将正极片与负极片组装成锂离子电池。具体是按传统的锂离子电池的制作方法将极板分切、卷绕、烘烤、注液、活化、化成。对半成品电池进行化成满充，最终制备出锂离子全电池进行测试。
锂离子电池电化学性能测试
将上述实施例21-23提供的锂离子电池和对比例21提供的常规方法制备的锂离子电池进行如下表1中的性能测试，各锂离子电池相关性能测试结果如下表1所示：
表1
由表1中数据可知，含有本发明实施例锂离子电池的直流阻抗小、充放电性能优异、循环寿命长。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池极片，包括集流体，其特征在于：还包括粘结剂层，所述粘结剂层是粘合在所述集流体的表面上，且在所述粘结剂层的背离所述集流体的表面还粘合有活性物质层，在所述粘结剂层中还分散有形成所述活性物质层的物质。
2.根据权利要求1所述的电池极片，其特征在于：所述粘结剂层的厚度为1-100μm；和/或
所述活性物质层的厚度为50-150μm。
3.根据权利要求1或2所述的电池极片，其特征在于：所述粘结剂层的粘结剂为丙烯系水性粘结剂；
所述活性物质层的材料包括活性物质与导电剂的混合物。
4.根据权利要求3所述的电池极片，其特征在于：所述丙烯系水性粘结剂层的丙烯系水性粘结剂为聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的电池极片，其特征在于：所述集流体为正极集流体，且活性物质为高镍正极活性物质，所述导电剂为导电石墨、导电炭黑、碳纳米管中的至少一种；和/或
所述活性物质和导电剂的重量比为(90-98.5)：(0.5-10)。
6.一种电池极片的制备方法，包括如下步骤：
将粘结剂在集流体表面形成膜层，并经干燥处理，形成初始粘结剂层；
在所述初始粘结剂层的表面上形成活性物质粉体层，形成电池极片胚体；
将所述电池极片胚体进行热压处理。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述将粘结剂在集流体表面形成膜层的方法是采用丙烯系水性粘结剂胶液涂覆于所述集流体表面上；和/或
经所述干燥处理后形成的所述初始粘结剂层的厚度为1-100μm。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：形成所述活性物质粉体层的方法是将含有活性物质和导电剂的混合物粉体直接在所述初始粘结剂层的表面上形成混合物粉体层；和/或
形成所述活性物质粉体层的厚度为50-300μm。
9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：所述热压处理的温度60-90℃，施加的压力不大于100N。
10.一种锂离子电池，包括正极片和负极片，其特征在于：所述正极片和/或所述负极片为权利要求1-5任一项所述的电池极片或由权利要求6-9任一所述制备方法制备的电池极片。
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