CN109193024A - 一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，其特征在于，包括正极片和负极片，所述正极片的正极浆料包括钴酸锂94.0wt％‑95.0wt％、CNTs 0.7wt％‑1.2wt％、碳黑CB 1.0wt％‑2.0wt％、水性粘接剂WAR 2.0wt％‑3.0wt％、CMC 0.5wt％‑1.0wt％。该锂离子电池在热稳定性方面，完全能满足锂离子电池体系的要求；在加工稳定性方面，与常规的乳液相比，非常适合于粉料一起进行机械分散；水性粘结剂的粘结性能在保证电极材料与集流体之间的有效粘结的同时，极片还比油性粘接剂极片具有更好的柔韧性能；浆料搅拌时间减少，大大提高生产效率；环保安全性能好，适合产业化推广应用。

Description

一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池
技术领域
本发明属于聚合物锂离子电池领域，更具体地，涉及一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池。
背景技术
粘结剂是锂离子电池正负极的重要组成部分。锂离子电池是通过分别在铝箔和铜箔的集流体上涂正/负极活性物质并干燥而成的。在此工艺中，为了将集流体与活性物质粘在一起，要使用粘合剂。在电极中，粘结剂的主要作用是粘结活性物质、增强电极活性材料与导电剂以及活性材料与集流体之间的电子接触，以及稳定极片的结构。粘结剂还对锂离子电池正负极充放电过程中体积膨胀/收缩起到重要的缓冲作用，因此合适的粘结剂是锂离子动力电池成功与否的关键点之一。
锂离子电池用粘结剂主要分为两类，一类是有机溶剂型粘合剂，采用有机溶剂作为分散剂；一类是水基型粘结剂，采用水作为分散剂。选择一种合适的锂离子电池粘结剂，要求其欧姆电阻要小,在电解液中性能稳定,不膨胀、不松散、不脱粉。一般而言，粘结剂的性能，如粘结力、柔韧性、耐碱性、亲水性等，直接影响着电池的性能。加入最佳量的粘结剂，可以获得较大的容量、较长的循环寿命和较低的内阻,这对提高电池的循环性能、快速充放能力以及降低电池的内压等具有促进作用。
目前，在锂离子电池工业的规模化生产中，普遍采用有机溶剂型粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)作粘结剂，有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N一二甲基甲酰胺(DMF)等做分散剂。
PVDF是良好的粘结剂，但其电子和离子导电性差；有机溶剂NMP和DMF具有分散性好的特点，但易挥发、易燃易爆、且毒性大。有机溶剂的挥发严重污染环境，使生产现场毒性大，严重影响了生产车间工作人员的身体健康。同时有机溶剂分散剂和粘结剂PVDF价格都比较高，采用PVDF作粘结剂的极片涂布工艺要求严格密封，使得能耗大，回收费用大，生产成本高。另一方面由于PVDF中含有氟，容易与嵌锂石墨等发生反应，导致锂离子电池性能下降，且因PVDF本身对离子及电子的绝缘特性会增加锂离子电池的内阻，也影响电池性能的发挥。于是不少人尝试采用以水为分散剂的水基型粘结剂。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明使用水性粘结剂作为正极粘结剂，提供了一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池。
本发明的上述目的是通过以下技术方案予以实现的。
一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，包括正极片和负极片，所述正极片的正极浆料包括钴酸锂94.0wt％-95.0wt％、CNTs 0.7wt％-1.2wt％、碳黑CB 1.0wt％-2.0wt％、水性粘接剂WAR 2.0wt％-3.0wt％、CMC 0.5wt％-1.0wt％。
优选地，所述正极浆料涂覆在12-15μm厚度的铝箔上，涂覆条件：速度5-7m/min，张力20-25MPa,温度依次为40℃、70℃、85℃、85℃、60℃、40℃。
优选地，所述正极片的厚度为0.115-0.125mm。
优选地，所述负极片的负极浆料包括石墨93.0wt％-94.0wt％、碳黑CB 2.0wt％-2.5wt％、水性粘接剂WAR 2.5wt％-3.5wt％、CMC 0.5wt％-1wt％。
优选地，所述负极浆料涂覆在7-9μm厚度的铜箔上，涂覆条件：速度6-7m/min，张力30-40MPa，温度依次为50℃、70℃、100℃、110℃、70℃、40℃。
优选地，所述负极片的厚度为0.128-0.135mm。
优选地，将所述正极片和负极片在湿度20％RH—40％RH条件下进行电芯卷绕，注液前在70℃-80℃烘烤24-30h，即形成所述锂离子电池。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)在热稳定性方面，水性粘结剂分解温度超过270℃，完全能满足锂离子电池体系的要求。
(2)在加工稳定性方面，与常规的乳液相比，水性粘结剂具有良好的抗冻融性能，同时在高速剪切下不会破乳，具有优异的研磨稳定性，非常适合于粉料一起进行机械分散。
(3)水性粘结剂的粘结性能主要由聚合物分子结构来体现，通过特殊的分子设计，具备集极性与柔韧性于一体，在保证电极材料与集流体之间的有效粘结的同时，极片还比油性粘接剂极片具有更好的柔韧性能。
(4)浆料搅拌时间减少，由原来的8个小时减少至4个小时，大大提高生产效率。
(5)可以不用花大量的成本采购设备回收NMP，也不用有任何压力去做净化处理(NMP含有有害物质)。
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。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
以下以具体实施条件为例对本发明方法进行进一步说明。
实施例1
一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，包括正极片和负极片，所述正极片的正极浆料包括钴酸锂94.0wt％、CNTs 1.2wt％、碳黑CB 2.0wt％、水性粘接剂WAR2.0wt％、CMC 0.8wt％；将所述正极浆料涂覆在12-15μm厚度的铝箔上，涂覆条件：速度5-7m/min，张力20-25MPa,温度依次为40℃、70℃、85℃、85℃、60℃、40℃；制得的正极片的厚度为0.115-0.125mm。
所述负极片的负极浆料包括石墨94.0wt％、碳黑CB 2.5wt％、水性粘接剂WAR2.5wt％、CMC 1wt％；所述负极浆料涂覆在7-9μm厚度的铜箔上，涂覆条件：速度6-7m/min，张力30-40MPa，温度依次为50℃、70℃、100℃、110℃、70℃、40℃；制得的负极片的厚度为0.128-0.135mm。
将所述正极片和负极片在湿度40％RH条件下进行电芯卷绕，注液前在70℃-80℃烘烤24-30h，即形成所述锂离子电池。
该锂离子电池相比现有的电池，其加工稳定性和热稳定性较优，同时具有更好的柔韧性能，生产效率显著提高，环保性突出。
实施例2
本实施例与实施例1的基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，大体相同，不同之处在于，所述正极片的正极浆料包括钴酸锂94.8wt％、CNTs 0.7wt％、碳黑CB 1.0wt％、水性粘接剂WAR 3.0wt％、CMC 0.5wt％；所述负极片的负极浆料包括石墨93.0wt％、碳黑CB2.5wt％、水性粘接剂WAR 3.5wt％、CMC 1wt％。
该锂离子电池相比现有的电池，其加工稳定性和热稳定性较优，同时具有更好的柔韧性能，生产效率显著提高，环保性突出。
实施例3
本实施例与实施例1的基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，大体相同，不同之处在于，所述正极片的正极浆料包括钴酸锂94wt％、CNTs 1.0wt％、碳黑CB 1.5wt％、水性粘接剂WAR 2.5wt％、CMC 1.0wt％；所述负极片的负极浆料包括石墨93.5wt％、碳黑CB2.5wt％、水性粘接剂WAR 3.5wt％、CMC0.5wt％。
该锂离子电池相比现有的电池，其加工稳定性和热稳定性较优，同时具有更好的柔韧性能，生产效率显著提高，环保性突出。
对比例1
本对比例大体与实施例1相同，不同之处在于，其正极浆料中：石墨93wt％、碳黑CB2.5wt％、水性粘接剂WAR 3.5wt％、CMC 1wt％。
本发明使用水性粘结剂作为正极粘结剂，需要在特定配比条件下才能达到本发明增加柔韧性、提高生产效率的目的，经实验验证，对比例中生产锂离子电池的成本及多种性能劣于实施例。
对比例2
本对比例大体与实施例1相同，不同之处在于，其负极浆料中：石墨92.5wt％、碳黑CB 2.5wt％、水性粘接剂WAR 4.5wt％、CMC 1wt％
本发明使用水性粘结剂作为正负极粘结剂，需要在特定配比条件下才能达到本发明增加柔韧性、提高生产效率的目的，经实验验证，对比例中生产锂离子电池的成本及多种性能劣于实施例。
以上详细描述了本发明的实施，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，其特征在于，包括正极片和负极片，所述正极片的正极浆料包括钴酸锂94.0wt%-95.0wt%、CNTs 0.7wt%-1.2wt%、碳黑CB1.0wt%-2.0wt%、水性粘接剂WAR 2.0wt%-3.0wt%、CMC 0.5wt%-1.0wt%。
2.根据权利要求1所述的一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，其特征在于，所述正极浆料涂覆在12-15μm厚度的铝箔上，涂覆条件：速度5-7m/min，张力20-25MPa, 温度依次为40℃、70℃、85℃、85℃、60℃、40℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，其特征在于，所述正极片的厚度为0.115-0.125mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，其特征在于，所述负极片的负极浆料包括石墨93.0wt%-94.0wt%、碳黑CB 2.0wt%-2.5wt%、水性粘接剂WAR 2.5wt%-3.5wt%、CMC 0.5wt%-1wt%。
5.根据权利要求4所述的一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，其特征在于，所述负极浆料涂覆在7-9μm厚度的铜箔上，涂覆条件：速度6-7m/min，张力30-40MPa，温度依次为50℃、70℃、100℃、110℃、70℃、40℃。
6.根据权利要求4所述的一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，其特征在于，所述负极片的厚度为0.128-0.135mm。
7.根据权利要求1~6任一项所述的一种基于水性正极的低成本环保型锂离子电池，其特征在于，将所述正极片和负极片在湿度20%RH—40%RH条件下进行电芯卷绕，注液前在70℃-80℃烘烤24-30h，即形成所述锂离子电池。
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