CN109004225A - 一种锂离子电池正极极片及其制备 - Google Patents

一种锂离子电池正极极片及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池正极极片及其制备，所述锂离子电池正极极片包括正极膜片和通过化学气相沉积法生长碳纤维层的金属网状基材，所述正极膜片由正极活性材料、导电剂、粘结剂和分散剂混合均匀而成，所述正极活性材料选自钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元镍钴锰酸锂中的一种或多种，所述导电剂中必须有一种为碳纳米管，所述极片由混合均均的正极膜片浆料涂覆于所述集流体上而成，本发明中导电的碳纤维层，减少界面电阻，成本低廉、工艺适应性强，而且碳纤维层的三维网状结构优化了锂离子电池正极极片的成型过程，增加了正极活性材料的用量，改善活性材料与集流体间的膨胀脱离，增加电池循环寿命、电容量和安全性能。

Description

一种锂离子电池正极极片及其制备
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，更具体地，涉及一种锂离子电池正极极片及其制备。
背景技术
锂离子电池作为现在最炙手可热的新能源，具有很大的应用前景，锂离子电池包括正极、负极，隔膜和电解质几大成分，锂离子电池的正极极片很大程度上决定了锂离子电池的性能，锂离子电池的正极包括集流体、正极活性材料、粘结剂、导电剂和分散剂，常规的锂离子电池极片制作工艺中，将正极浆料直接涂布于铝箔表面，通过粘结剂使活性材料固定于集流体表面。但这种工艺存在两个方面的缺陷：一是刚性的金属集流体与活性材料颗粒间接触面积有限，界面电阻大，引起电池内阻的上升，影响电池性能，特别是大电流充放电条件下的性能；二是粘结剂的粘结强度有限，在连续充放电过程中，很容易导致活性材料与集流体间的膨胀脱离，电池内阻进一步加大，降低电池循环寿命和安全性能。
因此，优化集流体与活性材料间的界面是提升锂离子电池性能的有效方法，对集流体进行表面处理是减少上述缺陷的主要途径。
发明内容
鉴于现有技术情况，为解决现有技术的不足，本发明提供了一种锂离子电池正极极片及其制备。
一种锂离子电池正极极片，包括正极集流体和正极膜片，所述正极集流体包括金属网状基材和生长沉积在金属网状基材上的碳纤维层，所述正极膜片包括正极活性材料、导电剂、粘结剂和分散剂。
进一步地，所述金属网状基材为二维网状或三维网状，所述金属网状基材中的金属选自铝、镍、铝塑复合物、不锈钢中的一种或多种。
进一步地，所述碳纤维层由纤维状碳结构交织而成，所述纤维状碳结构直径为5-15um，长度为50-500um，表面光滑，均匀分布大量浅而狭窄的微孔，所述碳纤维层不仅在集流体表面交织成层状结构，还有部分延伸出来，与正极活性物质交织，充当粘结剂和导电剂。
进一步地，所述正极活性材料选自钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元镍钴锰酸锂中的一种或多种，其质量百分含量为90％-95％。
进一步地，所述导电剂选自炭黑、导电石墨、科琴黑、碳纳米管和纳米碳纤维中的一种或多种，其中必须有一种为碳纳米管，所述碳纳米管的直径为100-300nm，所述碳纳米管的长度为20-100um，所述导电剂的质量百分含量为0-10％。
进一步地，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚烯烃类、改性SBR橡胶、氟化橡胶、聚胺酯中的一种或多种，其质量百分含量为0-10％。
进一步地，所述分散剂选自N-甲基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠和聚乙二醇中的一种或几种，其质量百分含量为0-1％。
一种锂离子电池正极极片的制备，包括以下步骤：
(1)通过气相化学沉积法在金属网状基材上沉积包覆碳纤维层；
(2)将正极活性材料先进行研磨至500-700目，将碳纳米管于丙酮或无水乙醇中超声分散，然后在研磨好的正极活性材料中加入经分散的碳纳米管、其他导电剂、粘结剂和分散剂，进行混合，搅拌调制成浆料；
(3)将浆料经过筛后，放于涂覆机上涂覆于集流体上，涂布厚度为150-300um；
(4)将涂覆好的集流体裁切、真空干燥烘烤和辊机滚压得到厚度为20-80um的正极极片。
优选的，通过气相化学沉积法在金属网状基材上包覆碳纤维膜的步骤为：
(1)将金属网状基材经砂纸打磨后，放入丙酮中超声清洗；
(2)放置于化学气相沉积装置中，选用丙酮为碳源，由氩气携带蒸汽丙酮进入反应腔体，另一反应气体为氢气，制好后密封保存备用。
有益效果
1、本发明在金属网状基材集流体表面生长沉积导电的碳纤维层，增强活性材料与集流体间的欧姆接触和粘结强度，减少界面电阻和电池内阻。
2、本发明而且碳纤维层具有三维网状结构和优异的导电性能，优化了锂离子电池正极极片的成型过程和导电性，使得是粘结剂和导电剂的用量大大减少，相对的，正极活性材料的用量增加，在连续充放电过程中，活性材料与集流体间的膨胀脱离大大改善，增加电池循环寿命、电容量和安全性能。
3、本发明操作简单、成本低廉、工艺适应性强，
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细介绍，但不局限于此。
实施例1：
一种锂离子电池正极极片，包括正极集流体和正极膜片，所述正极集流体包括金属网状基材和生长沉积在金属网状基材上的碳纤维层，所述正极膜片包括正极活性材料、导电剂、粘结剂和分散剂。
所述金属网状基材为三维网状，所述金属网状基材中的金属为铝。
所述碳纤维层由纤维状碳结构交织而成，所述纤维状碳结构直径为5-8um，长度为50-200um，表面光滑，均匀分布大量浅而狭窄的微孔，所述碳纤维层不仅在集流体表面交织成层状结构，还有部分延伸出来，与正极活性物质交织，充当粘结剂和导电剂。
所述正极活性材料为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂的混合物，其质量百分含量为90％，所述钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂的质量百分含量比例为1:1:1:1。
所述导电剂为炭黑颗粒和碳纳米管的混合物，所述碳纳米管的直径为100-300nm，所述碳纳米管的长度为20-100um，所述导电剂的质量百分含量为5％，所述碳纳米管占导电剂的质量百分含量为50％。
所述粘结剂为聚偏氟乙烯和聚胺酯的混合物，其质量百分含量为4％。
所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮和聚乙二醇中的混合物，其质量百分含量为1％。
一种锂离子电池正极极片的制备，包括以下步骤：
(1)通过气相化学沉积法在金属网状基材上沉积包覆碳纤维层；
(2)将正极活性材料先进行研磨至500-700目，将碳纳米管置于丙酮中超声分散，然后在研磨好的正极活性材料中加入经分散的碳纳米管、其他导电剂、粘结剂和分散剂，进行混合，搅拌调制成浆料；
(3)将浆料经过筛后，放于涂覆机上涂覆于集流体上，涂布厚度为150um；
(4)将涂覆好的集流体裁切、真空干燥烘烤和辊机滚压得到厚度为20um的正极极片。
优选的，通过气相化学沉积法在金属网状基材上包覆碳纤维膜的步骤为：
(1)将金属网状基材经砂纸打磨后，放入丙酮中超声清洗；
(2)放置于化学气相沉积装置中，选用丙酮为碳源，由氩气携带蒸汽丙酮进入反应腔体，另一反应气体为氢气，制好后密封保存备用。
实施例2：
一种锂离子电池正极极片，包括正极集流体和正极膜片，所述正极集流体包括金属网状基材和生长沉积在金属网状基材上的碳纤维层，所述正极膜片包括正极活性材料、导电剂、粘结剂和分散剂。
所述金属网状基材为三维网状，所述金属网状基材中的金属为铝塑复合物。
所述碳纤维层由纤维状碳结构交织而成，所述纤维状碳结构直径为5-10um，长度为200-400um，表面光滑，均匀分布大量浅而狭窄的微孔，所述碳纤维层不仅在集流体表面交织成层状结构，还有部分延伸出来，与正极活性物质交织，充当粘结剂和导电剂。
所述正极活性材料为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元镍钴锰酸锂的混合物，其质量百分含量为95％。所述钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元镍钴锰酸锂质量百分含量比例为1:1:1:1:1。
所述导电剂为科琴黑和碳纳米管的混合物，所述碳纳米管的直径为100-300nm，所述碳纳米管的长度为20-100um，所述导电剂的质量百分含量为1％，所述碳纳米管占导电剂的质量百分含量为50％。
所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚乙烯醇和聚烯烃类的混合物，其质量百分含量为3％。
所述分散剂N-甲基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠和聚乙二醇的混合物，其质量百分含量为1％。
一种锂离子电池正极极片的制备，包括以下步骤：
(1)通过气相化学沉积法在金属网状基材上沉积包覆碳纤维层；
(2)将正极活性材料先进行研磨至500-700目，将碳纳米管于丙酮中超声分散，然后在研磨好的正极活性材料中加入经分散的碳纳米管、其他导电剂、粘结剂和分散剂，进行混合，搅拌调制成浆料；
(3)将浆料经过筛后，放于涂覆机上涂覆于集流体上，涂布厚度为300um；
(4)将涂覆好的集流体裁切、真空干燥烘烤和辊机滚压得到厚度为80um的正极极片。
优选的，通过气相化学沉积法在金属网状基材上包覆碳纤维膜的步骤为：
(1)将金属网状基材经砂纸打磨后，放入丙酮中超声清洗；
(2)放置于化学气相沉积装置中，选用丙酮为碳源，由氩气携带蒸汽丙酮进入反应腔体，另一反应气体为氢气，制好后密封保存备用。
实施例3：
一种锂离子电池正极极片，包括正极集流体和正极膜片，所述正极集流体包括金属网状基材和生长沉积在金属网状基材上的碳纤维层，所述正极膜片包括正极活性材料、导电剂、粘结剂和分散剂。
所述金属网状基材为三维网状，所述金属网状基材中的金属为铝。
所述碳纤维层由纤维状碳结构交织而成，所述纤维状碳结构直径为8-15um，长度为300-500um，表面光滑，均匀分布大量浅而狭窄的微孔，所述碳纤维层不仅在集流体表面交织成层状结构，还有部分延伸出来，与正极活性物质交织，充当粘结剂和导电剂。
所述正极活性材料为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元镍钴锰酸锂的混合物，其质量百分含量为95％，所述三元镍钴锰酸锂占正极活性材料的质量百分含量为20-50％。
所述导电剂为碳纳米管和纳米碳纤维的混合物，其中必须有一种为碳纳米管，所述碳纳米管的直径为200-300nm，所述碳纳米管的长度为50-100um，所述导电剂的质量百分含量为4％，所述碳纳米管占导电剂的质量百分含量为不少于50％。
所述粘结剂为聚偏氟乙烯，其质量百分含量为0.9％。
所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮，其质量百分含量为0.1％。
一种锂离子电池正极极片的制备，包括以下步骤：
(1)通过气相化学沉积法在金属网状基材上沉积包覆碳纤维层；
(2)将正极活性材料先进行研磨至500-700目，将碳纳米管于丙酮中超声分散，然后在研磨好的正极活性材料中加入经分散的碳纳米管、其他导电剂、粘结剂和分散剂，进行混合，搅拌调制成浆料；
(3)将浆料经过筛后，放于涂覆机上涂覆于集流体上，涂布厚度为250um；
(4)将涂覆好的集流体裁切、真空干燥烘烤和辊机滚压得到厚度为50um的正极极片。
优选的，通过气相化学沉积法在金属网状基材上包覆碳纤维膜的步骤为：
(1)将金属网状基材经砂纸打磨后，放入丙酮中超声清洗；
(2)放置于化学气相沉积装置中，选用丙酮为碳源，由氩气携带蒸汽丙酮进入反应腔体，另一反应气体为氢气，制好后密封保存备用。
上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种锂离子电池正极极片，包括正极集流体和正极膜片，其特征在于，所述正极集流体包括金属网状基材和生长沉积在金属网状基材上的碳纤维层，所述正极膜片包括正极活性材料、导电剂、粘结剂和分散剂。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述金属网状基材为二维网状或三维网状，所述金属网状基材中的金属选自铝、镍、铝塑复合物、不锈钢中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述碳纤维层由纤维状碳结构交织而成，所述纤维状碳结构直径为5-15um，长度为50-500um，表面光滑，均匀分布大量浅而狭窄的微孔。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述正极活性材料选自钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元镍钴锰酸锂中的一种或多种，其质量百分含量为90％-99.9％。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述导电剂选自炭黑、导电石墨、科琴黑、碳纳米管和纳米碳纤维中的一种或多种，其中必须有一种为碳纳米管，所述碳纳米管的直径为100-300nm，所述碳纳米管的长度为20-100um，所述导电剂的质量百分含量为0-10％。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚烯烃类、改性SBR橡胶、氟化橡胶、聚胺酯中的一种或多种，其质量百分含量为0-10％。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池正极极片，其特征在于，所述分散剂选自N-甲基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠和聚乙二醇中的一种或几种，其质量百分含量为0-1％。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的一种锂离子电池正极极片的制备，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过气相化学沉积法在金属网状基材上包覆碳纤维层；
(2)将正极活性材料先进行研磨至500-700目，将碳纳米管加入到丙酮或无水乙醇中超声分散，然后在研磨好的正极活性材料中加入经分散的碳纳米管、其他导电剂、粘结剂和分散剂，进行混合，搅拌调制成浆料；
(3)将浆料经过筛后，放于涂覆机上涂覆于集流体上，涂布厚度为150-300um；
(4)将涂覆好的集流体裁切、真空干燥烘烤和辊机滚压得到厚度为20-80um的正极极片。
9.根据权利要求8所述的一种锂离子电池正极极片的制备方法，其特征在于，通过气相化学沉积法在金属网状基材上包覆碳纤维膜的步骤为：
(1)将金属网状基材经砂纸打磨后，放入丙酮中超声清洗；
(2)将经过清洗的金属网状基材放置于化学气相沉积装置中，选用丙酮为碳源，由氩气携带蒸汽丙酮进入反应腔体，另一反应气体为氢气，制好后密封保存备用。
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