CN108511679A - 一种提高安全性能的极片及其生产装置、制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高安全性能的极片，包括正极片和负极片，所述正极片包括集流体铝箔、正极浆料涂层、聚酰亚胺树脂涂层，所述正极浆料涂层涂覆于所述集流体铝箔中央，所述聚酰亚胺树脂涂层涂覆于所述正极浆料涂层两侧，且位于所述集流体铝箔的边沿，所述负极片包括集流体铜箔、负极浆料涂层、所述聚酰亚胺树脂涂层，所述负极浆料涂层涂覆于所述集流体铜箔中央，所述聚酰亚胺树脂涂层涂覆于所述负极浆料涂层两侧，且位于所述集流体铜箔的边沿，本发明还公开了其生产装置及制备方法。本发明的优点是降低极片模切时边缘出现毛刺的概率，聚酰亚胺树脂浆料中无颗粒，减少极片辊压时的断带率，聚酰亚胺树脂制作时间短，提升生产效率，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种提高安全性能的极片及其生产装置、制备方法。
背景技术
锂离子电池在制造和使用过程中，电池的安全性能至关重要。现有的锂离子电池极片制作过程中，先把正极浆料均匀地涂覆在集流体铝箔上或者把负极浆料均匀地涂覆于集流体铜箔上，然后将完成涂覆的集流体铝箔或者集流体铜箔烘干后进行碾压，碾压完成需要进行模切，生产出适合工艺要求的极片。完成涂覆、烘干、碾压工序的集流体铝箔或者集流体铜箔在刀模模切或者激光模切过程中易产生毛刺，严重影响了电池的安全性能。
现有的生产工艺中，完成涂覆的集流体铝箔或者集流体铜箔烘干后，普遍采用陶瓷浆料涂覆在极片上，陶瓷成本较高，而且涂覆时陶瓷浆料中有颗粒，陶瓷涂层烘干后较脆，辊压时易造成断带，造成大量浪费。陶瓷浆料制作时要先把陶瓷粉与粘结剂聚偏二氟乙烯混合后，加溶剂经过搅拌制作而成，搅拌时间长达四个小时，生产效率低。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种提高安全性能的极片及其生产装置、制备方法，减少极片辊压时的断带现象，提高安全性能，提高生产效率。
技术方案：
一种提高安全性能的极片，包括正极片和负极片，所述正极片包括集流体铝箔、正极浆料涂层、聚酰亚胺树脂涂层，所述正极浆料涂层涂覆于所述集流体铝箔中央，所述聚酰亚胺树脂涂层涂覆于所述正极浆料涂层两侧，且位于所述集流体铝箔的边沿，所述负极片包括集流体铜箔、负极浆料涂层、所述聚酰亚胺树脂涂层，所述负极浆料涂层涂覆于所述集流体铜箔中央，所述聚酰亚胺树脂涂层涂覆于所述负极浆料涂层两侧，且位于所述集流体铜箔的边沿。正极片和负极片模切过程中不易产生毛刺，聚酰亚胺树脂浆料中不含颗粒，解决现有技术中极片辊压时易断带的问题。
具体的，所述聚酰亚胺树脂涂层的厚度为1～20um，宽度为1～10mm，所述聚酰亚胺树脂涂层中聚酰亚胺树脂的固含量为5％～60％，采用上述参数制得的正极片和负极片，不易产生毛刺，辊压时断带率低。
本发明还公开了一种提高安全性能的极片的生产装置，包括下模头、输送管道、压力腔、垫片、上模头、背辊、涂覆装置，所述下模头中开设有安装槽，所述安装槽贯穿所述下模头上表面开设，所述输送管道安装于所述安装槽中，所述压力腔开设于所述下模头中，所述垫片设于所述下模头的上表面，所述上模头与所述下模头紧固连接，所述背辊带动着基材运转，所述涂覆装置设置两个，且分别紧邻所述基材的上表面设置。正极浆料或者负极浆料通过输送管道导入上模头和下模头之间，并涂覆于基材上，基材选用集流体铝箔或者集流体铜箔，涂覆装置将聚酰亚胺树脂浆料涂覆于正极浆料涂层或者负极浆料涂层两侧。
本发明还公开了一种提高安全性能的极片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制作聚酰亚胺树脂浆料：将聚酰亚胺树脂与溶剂混合，搅拌均匀后制作成聚酰亚胺树脂浆料；
步骤2、制作正极浆料；
步骤3、制作负极浆料；
步骤4、将制作完成的正极浆料均匀地涂覆在集流体铝箔的一面形成所述正极浆料涂层，然后将聚酰亚胺树脂浆料均匀地涂覆在所述正极浆料涂层边缘，烘干后再涂覆集流体铝箔的另外一面，再进行烘干；
步骤5、将制作完成的负极浆料均匀地涂覆在集流体铜箔的一面形成所述负极浆料涂层，然后将聚酰亚胺树脂浆料均匀地涂覆在所述负极浆料涂层边缘，烘干后再涂覆集流体铜箔的另外一面，再进行烘干；
步骤6、完成所述步骤4、所述步骤5后，进行辊压、分切、模切后，制作成带所述聚酰亚胺树脂涂层的正极片、负极片。
具体的，所述步骤1中，所述溶剂为NMP、DMAC、DMF中的一种或者几种。
优选的，所述步骤1中，聚酰亚胺树脂的质量分数为35％～45％，所述溶剂的质量分数为55％～65％，所述聚酰亚胺树脂浆料中聚酰亚胺树脂的固含量为5％～60％，相应的聚酰亚胺树脂涂层具有良好的应用性能。
优选的，所述步骤1中，搅拌时公转转速为20～30rpm/min、分散转速为1000～1500rpm/min，搅拌时间为15～25min，聚酰亚胺树脂浆料混合搅拌所需时间短。
进一步的，所述步骤2中，所述正极浆料由正极活性物质、正极粘结剂、正极导电剂混合制成，所述正极活性物质包括锂过渡金属氧化物，所述正极活性物质占正极材料的质量比为90％～99％；所述正极粘结剂为聚偏二氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丙烯酸、丙烯腈系列多元共聚物水分散液；所述正极导电剂为导电石墨、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、碳纤维、科琴黑中的一种或者几种混合。
进一步的，所述步骤3中，所述负极浆料由负极活性物质、负极导电剂、负极防沉降剂、负极粘结剂混合制成，所述负极活性物质包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、碳纤维、软碳、硬碳中的一种或几种混合；所述负极活性物质占负极材料的质量比为90％～99％；所述负极导电剂为导电石墨、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、碳纤维、科琴黑中的一种或者几种混合；所述负极防沉降剂为羧甲基纤维素钠、丙烯酸、丙烯腈系列多元共聚物水分散液；所述负极粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠。
具体的，所述步骤4中，烘干的温度为100℃～140℃，使烘干效率和极片的应用性能达到最佳。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是在正极浆料涂层或者负极浆料涂层两侧边沿涂覆聚酰亚胺树脂，在刀模模切或者激光模切中，降低正极片或者负极片边缘出现毛刺的概率。聚酰亚胺树脂浆料中无颗粒，减少极片辊压时的断带率。聚酰亚胺树脂加溶剂搅拌稀释后即可使用，搅拌时间短，提升生产效率，降低生产成本。当电芯由于过充或者撞击导致温度升高时，聚酰亚胺树脂涂层能在高温下保持其稳定性，增大电池的接触内阻，起到绝缘的作用。
附图说明
图1为本发明中正极片的结构示意图；
图2为本发明中负极片的结构示意图；
图3为本发明中极片的生产装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
一种提高安全性能的极片，包括正极片和负极片，如图1所示，正极片包括集流体铝箔、正极浆料涂层1、聚酰亚胺树脂涂层2。正极浆料涂层1涂覆于集流体铝箔中央，聚酰亚胺树脂涂层2涂覆于正极浆料涂层1两侧，聚酰亚胺树脂涂层2位于集流体铝箔的边沿。如图2所示，负极片包括集流体铜箔、负极浆料涂层3、聚酰亚胺树脂涂层2。负极浆料涂层3涂覆于集流体铜箔中央，聚酰亚胺树脂涂层2涂覆于负极浆料涂层3两侧，聚酰亚胺树脂涂层2位于集流体铜箔的边沿。
如图3所示，本实施例还公开了一种提高安全性能的极片的生产装置，包括下模头4、输送管道5、压力腔6、垫片7、上模头8、背辊9、涂覆装置10。下模头4中开设有安装槽，安装槽贯穿下模头4上表面开设，输送管道5安装于安装槽中，压力腔6开设于下模头4中，垫片7设于下模头4的上表面，上模头8与下模头4紧固连接，背辊9带动着基材运转，涂覆装置10设置两个，且分别紧邻基材的上表面设置。生产正极片时，基材选用集流体铝箔，生产负极片时，基材选用集流体铜箔。
本实施例同时还公开了一种提高安全性能的极片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制作聚酰亚胺树脂浆料：溶剂选用NMP，将质量分数为40％的聚酰亚胺树脂与质量分数为60％的NMP加入到搅拌釜中，在公转转速20～30rpm/min、分散转速1000～1500rpm/min下搅拌20min，搅拌均匀后制作成聚酰亚胺树脂浆料。
步骤2、制作正极浆料：正极活性材料选用质量分数为96％的镍钴锰酸锂，正极粘结剂选用质量分数为1.5％的聚偏二氟乙烯，正极导电剂选用质量分数为1％的碳纳米管、质量分数为1.5％的导电炭黑，均加入到搅拌釜中，在公转转速20～30rpm/min、分散转速1000～1500rpm/min下搅拌240min，搅拌均匀后制作成正极浆料。
步骤3、制作负极浆料：负极活性物质选用质量分数为95％的人造石墨，负极导电剂选用质量分数为1％的导电石墨，负极防沉降剂选用质量分数为1.5％的剂羧甲基纤维素钠，负极粘结剂选用质量分数为2.5％的丁苯橡胶，均加入到搅拌釜中，在公转转速20～30rpm/min、分散转速1000～1500rpm/min下搅拌240min，搅拌均匀后制作成负极浆料。
步骤4、将制作完成的正极浆料通过上模头和下模头均匀地涂覆在集流体铝箔的一面形成正极浆料涂层，集流体铝箔的厚度为10～15μm，正极浆料涂层涂覆面密度为双面32mg/cm2，然后将聚酰亚胺树脂浆料通过涂覆装置均匀地涂覆在正极浆料涂层边缘，聚酰亚胺树脂涂层的厚度为12μm，聚酰亚胺树脂浆料中聚酰亚胺树脂的固含量为45％，烘干后将集流体铝箔更换另外一面，将正极浆料通过上模头和下模头均匀地涂覆在集流体铝箔的另外一面形成正极浆料涂层，然后将聚酰亚胺树脂浆料通过涂覆装置均匀地涂覆在正极浆料涂层边缘，再经过100℃～140℃烘干。
步骤5、将制作完成的负极浆料通过上模头和下模头均匀地涂覆在集流体铜箔的一面形成负极浆料涂层，集流体铜箔的厚度为6～12μm，然后将聚酰亚胺树脂浆料通过涂覆装置均匀地涂覆在负极浆料涂层边缘，聚酰亚胺树脂涂层的厚度为12μm，烘干后将集流体铜箔更换另外一面，将负极浆料通过上模头和下模头均匀地涂覆在集流体铜箔的另外一面形成负极浆料涂层，然后将聚酰亚胺树脂浆料通过涂覆装置均匀地涂覆在负极浆料涂层边缘，涂覆面密度为双面16.2mg/cm2，再经过90℃～130℃烘干。
步骤6、完成步骤4、步骤5后，分别进行辊压、分切、模切后，制作成带聚酰亚胺树脂涂层的正极片、负极片，聚酰亚胺树脂涂层的宽度为1～10mm。
将制作完成的正极片、负极片中间用隔膜隔开，以“Z”字叠片或者卷绕的方式制成电芯，负极片必须完全覆盖住正极片并留有余量。正负极片采用超声焊接的方式进行焊接固定，焊接完成的电芯装入铝塑壳体，壳体上留有注液孔，接着把电芯放入烘箱中进行烘烤去除水分，温度为80℃～90℃，时间为24小时～64小时。
从壳体的注液口向电池内注入150g电解液，电解液的锂盐为LiPF6，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯的混合溶液，添加剂为碳酸亚乙烯酯，注液完成后进行封口，静置24小时～36小时。
将静置完成的电芯通过恒流恒压的方式进行负压化成，化成的电流从小到大阶梯上升，范围是0.02C～0.2C，截至电压为4.1V，接着电流采用0.2C充0.5C放的方式，在3.0V～4.2V之间对电芯进行分容。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：
步骤1中，制作聚酰亚胺树脂浆料：溶剂选用NMP，将质量分数为45％的聚酰亚胺树脂与质量分数为65％的NMP加入到搅拌釜中搅拌均匀。
步骤4、步骤5中，将聚酰亚胺树脂浆料均匀地涂覆在正极浆料涂层边缘，聚酰亚胺树脂涂层的厚度为20μm，聚酰亚胺树脂浆料中聚酰亚胺树脂的固含量为60％。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：
步骤1中，制作聚酰亚胺树脂浆料：溶剂选用DMAC，将质量分数为35％的聚酰亚胺树脂与质量分数为55％的DMAC加入到搅拌釜中搅拌均匀。
步骤4、步骤5中，将聚酰亚胺树脂浆料均匀地涂覆在正极浆料涂层边缘，聚酰亚胺树脂涂层的厚度为1μm，聚酰亚胺树脂浆料中聚酰亚胺树脂的固含量为5％。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：
步骤1中，制作聚酰亚胺树脂浆料：溶剂选用DMF将质量分数为40％的聚酰亚胺树脂与质量分数为60％的DMF加入到搅拌釜中搅拌均匀。
步骤4、步骤5中，将聚酰亚胺树脂浆料均匀地涂覆在正极浆料涂层边缘，聚酰亚胺树脂涂层的厚度为9μm，聚酰亚胺树脂浆料中聚酰亚胺树脂的固含量为35％。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于不包括步骤1，同时步骤4、步骤5中，正极浆料涂层或负极浆料涂层两侧涂覆陶瓷涂层。
实施例6
本实施例为空白对照，本实施例与实施例1的区别在于不包括步骤1，另外步骤4、步骤5中，正极浆料涂层或负极浆料涂层两侧不涂覆聚酰亚胺树脂浆料。
以上实施例中制备得到的正极片进行毛刺检查，由表1可以看出，实施例6中未涂聚酰亚胺树脂浆料的极片每10000米极片有10处毛刺，实施例5中涂覆了陶瓷涂层的正极片每10000米极片有3处毛刺，而实施例1-4中正极浆料涂层边缘涂覆了聚酰亚胺树脂涂层的正极片每10000米极片无毛刺检出。正极片或者负极片边缘涂覆了聚酰亚胺树脂涂层后模切时毛刺出现的概率明显减少。
表1各实施例制作过程中毛刺检出结果
| 项目 | 极片米数(m) | 模切毛刺(处) | 结果 |
| 实施例1 | 10000 | 0 | 没有毛刺检出 |
| 实施例2 | 10000 | 0 | 没有毛刺检出 |
| 实施例3 | 10000 | 0 | 没有毛刺检出 |
| 实施例4 | 10000 | 0 | 没有毛刺检出 |
| 实施例5 | 10000 | 3 | 毛刺检出率较高 |
| 实施例6 | 10000 | 10 | 毛刺检出率高 |
以上实施例中制备的锂离子电池分别按GB31241进行重物冲击标准测试，由表2可以看出，实施例5中涂覆了陶瓷涂层的电池经重物冲击后虽然合格，但是温度升至45℃。实施例6中未涂覆聚酰亚胺树脂浆料的电池重物冲击后温度升至85℃，电压降至3.21V，安全性能较差。而料区边缘涂覆了聚酰亚胺树脂涂层的锂离子电池温度未上升，安全稳定性更好。
表2各实施例按GB31241重物冲击的标准测试结果
以上实施例中制备的锂离子电池按GB31241进行过充标准测试，由表3可以看出实施例5中涂覆了陶瓷涂层的电池过充后温度高于料区边缘涂覆了聚酰亚胺树脂涂层的锂离子电池，实施例6中未涂聚酰亚胺树脂涂层的电池过充时发生了热失控而起火，而料区边缘涂覆了聚酰亚胺树脂涂层的锂离子电池热稳定性相当好。
表3各实施例按GB31241过充的标准测试结果
以上实施例中极片制程与成本对比如表4所示，实施例1-4的聚酰亚胺树脂涂层的浆料制作时间明显低于实施例5的陶瓷浆料的制作时间。实施例1-4中有聚酰亚胺树脂涂层的极片在涂布、碾压、模切和二次分切工序的合格率明显高于实施例5中有陶瓷涂层的合格率。实施例1-4中有聚酰亚胺树脂涂层的电池成本明显低于实施例5中有陶瓷涂层的电池成本。
表4聚酰亚胺树脂涂层与陶瓷涂层制程、成本对比结果
综上所述，相比现在大量使用的陶瓷浆料涂层，聚酰亚胺树脂浆料的制作时间缩短约90％，改善了陶瓷涂层烘干后较脆、陶瓷颗粒易造成辊压时断带从而造成大量浪费的问题，生产效率提高，生产成本降低67％。另外，与涂覆了陶瓷涂层的极片相比，极片边缘涂覆了聚酰亚胺树脂涂层后，进行模切时毛刺的检出率明显降低。当电芯由于过充或者撞击导致电池温度升高时，聚酰亚胺树脂涂层在高温下增大电池的接触内阻，起到绝缘的作用，安全稳定性更好。
Claims (10)
1.一种提高安全性能的极片，其特征在于：包括正极片和负极片，所述正极片包括集流体铝箔、正极浆料涂层(1)、聚酰亚胺树脂涂层(2)，所述正极浆料涂层(1)涂覆于所述集流体铝箔中央，所述聚酰亚胺树脂涂层(2)涂覆于所述正极浆料涂层(1)两侧，且位于所述集流体铝箔的边沿，所述负极片包括集流体铜箔、负极浆料涂层(3)、所述聚酰亚胺树脂涂层(2)，所述负极浆料涂层(3)涂覆于所述集流体铜箔中央，所述聚酰亚胺树脂涂层(2)涂覆于所述负极浆料涂层(3)两侧，且位于所述集流体铜箔的边沿。
2.根据权利要求1所述的一种提高安全性能的极片，其特征在于：所述聚酰亚胺树脂涂层(2)的厚度为1～20um，宽度为1～10mm，所述聚酰亚胺树脂涂层(2)中聚酰亚胺树脂的固含量为5％～60％。
3.一种权利要求1所述的提高安全性能的极片的生产装置，其特征在于：包括下模头(4)、输送管道(5)、压力腔(6)、垫片(7)、上模头(8)、背辊(9)、涂覆装置(10)，所述下模头(4)中开设有安装槽，所述安装槽贯穿所述下模头(4)上表面开设，所述输送管道(5)安装于所述安装槽中，所述压力腔(6)开设于所述下模头(4)中，所述垫片(7)设于所述下模头(4)的上表面，所述上模头(8)与所述下模头(4)紧固连接，所述背辊(9)带动着基材运转，所述涂覆装置(10)设置两个，且分别紧邻所述基材的上表面设置。
4.一种权利要求1所述的提高安全性能的极片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、制作聚酰亚胺树脂浆料：将聚酰亚胺树脂与溶剂混合，搅拌均匀后制作成聚酰亚胺树脂浆料；
步骤2、制作正极浆料；
步骤3、制作负极浆料；
步骤4、将制作完成的正极浆料均匀地涂覆在集流体铝箔的一面形成所述正极浆料涂层，然后将聚酰亚胺树脂浆料均匀地涂覆在所述正极浆料涂层边缘，烘干后再涂覆集流体铝箔的另外一面，再进行烘干；
步骤5、将制作完成的负极浆料均匀地涂覆在集流体铜箔的一面形成所述负极浆料涂层，然后将聚酰亚胺树脂浆料均匀地涂覆在所述负极浆料涂层边缘，烘干后再涂覆集流体铜箔的另外一面，再进行烘干；
步骤6、完成所述步骤4、所述步骤5后，进行辊压、分切、模切后，制作成带所述聚酰亚胺树脂涂层的正极片、负极片。
5.根据权利要求4所述的一种提高安全性能的极片的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，所述溶剂为NMP、DMAC、DMF中的一种或者几种。
6.根据权利要求4所述的一种提高安全性能的极片的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，聚酰亚胺树脂的质量分数为35％～45％，所述溶剂的质量分数为55％～65％，所述聚酰亚胺树脂浆料中聚酰亚胺树脂的固含量为5％～60％。
7.根据权利要求4所述的一种提高安全性能的极片的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，搅拌时公转转速为20～30rpm/min、分散转速为1000～1500rpm/min，搅拌时间为15～25min。
8.根据权利要求4所述的一种提高安全性能的极片的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，所述正极浆料由正极活性物质、正极粘结剂、正极导电剂混合制成，所述正极活性物质包括锂过渡金属氧化物，所述正极活性物质占正极材料的质量比为90％～99％；所述正极粘结剂为聚偏二氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丙烯酸、丙烯腈系列多元共聚物水分散液；所述正极导电剂为导电石墨、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、碳纤维、科琴黑中的一种或者几种混合。
9.根据权利要求4所述的一种提高安全性能的极片的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，所述负极浆料由负极活性物质、负极导电剂、负极防沉降剂、负极粘结剂混合制成，所述负极活性物质包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、碳纤维、软碳、硬碳中的一种或几种；所述负极活性物质占负极材料的质量比为90％～99％；所述负极导电剂为导电石墨、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、碳纤维、科琴黑中的一种或者几种混合；所述负极防沉降剂为羧甲基纤维素钠、丙烯酸、丙烯腈系列多元共聚物水分散液；所述负极粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠。
10.根据权利要求4所述的一种提高安全性能的极片的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，烘干的温度为100℃～140℃，步骤5中，烘干的温度为90℃～130℃。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180907 |