CN109273722B - 一种阴极集流体水基保护涂层 - Google Patents

一种阴极集流体水基保护涂层 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于锂离子电池的阴极集流体水基保护涂层，属于锂电技术领域。本发明的一种阴极集流体水基保护涂层，所述保护涂层涂覆于阴极集流体表面，包括以下质量百分比含量的组分：9‑11％超导炭黑，18‑22％水性丙烯酸乳液，余量为聚丙烯酸酯。本发明通过保护涂层的设置，在保证锂离子电池电芯高能量密度的同时，提高了锂离子电池电芯的安全性能。

Description

一种阴极集流体水基保护涂层
技术领域
本发明属于锂电技术领域，涉及一种用于锂离子电池的阴极集流体水基保护涂层。
背景技术
随着化石能源的枯竭和环境污染的日益严重，寻找清洁可持续发展的能源成为人们迫切的需求。目前，锂离子电池作为一种清洁能源，具有能量密度高、循环性能好、绿色环保等优点，已广泛应用于生活的各个领域，如手机、电脑、汽车等。锂离子电池在是一种二次电池(充电电池)，随着社会的发展，锂离子电池的应用愈加广泛，对锂离子电池性能的要求也越来越高。随着锂离子电池能量密度的不断提升，其安全性能有所恶化，导致使用过程中可能会出现电芯爆炸燃烧的现象，严重威胁到使用者的人身安全，因此需要在保持电芯高能量密度的同时，提高电芯的安全性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种阴极集流体水基保护涂层，在保证锂离子电池电芯高能量密度的同时，提高了锂离子电池电芯的安全性能。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种阴极集流体水基保护涂层，所述保护涂层涂覆于阴极集流体表面，包括以下质量百分比含量的组分：
9-11％超导炭黑，18-22％水性丙烯酸乳液，余量为聚丙烯酸酯。
作为优选，所述阴极集流体为铝箔。
作为优选，所述超导炭黑的粒径为10-60nm。
作为优选，所述保护涂层涂覆于阴极集流体表面，厚度为1～2μm。
本发明的另一目的是提供一种阴极集流体水基保护涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、按照权利要求1中所述组分的配方准备原料，将原料混合到去离子水中，形成均一、稳定的混合浆料，所述混合浆料中的固含量为25.3-27.2wt％；
S2、将浆料涂布在阴极集流体表面，形成保护涂层。
作为优选，所述步骤S2中形成的保护涂层的厚度为1～2μm。
作为优选，所述步骤S2中，采用凹版印刷的方式将浆料涂布在阴极集流体表面。
作为优选，所述凹版印刷采用凹版弹跳机进行，走带速度为4.6-5.3m/min。
作为优选，所述保护涂层印刷于阴极集流体表面双面。
作为优选，所述凹版印刷的方式包括涂布过程和干燥过程，所述干燥过程采用五级烘箱加热法，烘箱温度依次设置为80℃、80℃、85℃、85℃、80℃。
本发明以去离子水为溶剂，以binder加导电剂的体系，按照比例制成均一稳定的浆料，将该浆料涂覆在锂离子电池阴极集流体上，形成一层水基保护涂层，然后在该保护涂层上涂覆阴极活性物质，保护涂层的存在有效提高了锂离子电池的安全性能。该保护涂层粘结性能良好，不易脱落，能够牢牢覆盖在阴极集流体表面，大大降低了阴阳极集流体发生直接接触的几率。同时大幅度提高了阴极极片的膜片电阻值，阻碍了电芯发生短路时产生大量的焦耳热，降低了电芯发生热失控的风险。该保护涂层也提高了针刺、撞击等安全性能测试的通过能力。超导炭黑具有较低的粒径，使用超导炭黑(SP)作为保护涂层的组分除了能够保证涂层的导电性能，还赋予保护涂层具有较好的涂覆效果，使保护涂层呈现均匀光滑的表面。水性丙烯酸乳液(具体选用型号为WAA)和聚丙烯酸酯(PAA)以特定的比例形成粘结剂体系，并与去离子水以特定比例形成均一稳定的浆液，具有良好的涂覆性能，同时能保证锂离子电池电芯高能量密度不会因保护涂层的增加而降低。由于仅使用了导电剂和粘结剂，因此与阴极活性物质的结合性能好，不容易因各层物质差异大而造成脱层、起泡等现象。
本发明将保护涂层的厚度设置为1～2μm，其厚度较薄，能够减少电子传递的路径，降低阴极集流体铝箔与阴极活性物质之间的接触电阻，降低直流内阻(DCR)。该保护涂层厚度不能过厚(＞2μm)，因为该保护涂层没有阴极活性物质，不能提供能量，涂层过厚容易造成较大的能量密度的降低(ED Loss)，并且保护涂层过厚会降低保护涂层与铝箔的粘结能力，起不到保护铝箔的作用。涂层过厚也会增加阴极极片的膜片阻值，并进一步影响电芯的交流电阻值(IMP值)，影响锂离子电池的最终电性能。
本发明在凹版印刷过程中采用五级逐级加热的方式，并优化各级的加热温度，使保护涂层紧密贴合在阴极集流体上，并且具有均匀光滑的表面和紧实的内部结构，在长期使用过程中不会发生起层起泡现象。加热温度不能过高，否则会造成保护涂层易起层，影响阴极集流体的电性能，也起不到好的保护作用。
本发明制得的保护涂层均匀光滑，采用四探针膜片电阻测试法测得本发明中制得的阴极极片的膜片电阻0.6Ω～1.6Ω，阻值可调，与常规阴极极片的膜片电阻接近，对锂离子电池性能无明显影响。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
在阴极集流体上涂覆特定保护层，在保证锂离子电池电芯性能的前提下，有效提高电芯的安全性能。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例中的锂离子电池阴极集流体水基保护涂层的制备方法如下：
(1)按质量百分比计，将9％SP、18％WAA、73％PAA混合加入到去离子水中，形成均一、稳定的混合浆料，混合浆料中固含量为25.3wt％，其中，超导炭黑的粒径为10-30nm；
(2)在凹版弹跳机上采用凹版印刷的方式将浆料涂布在阴极集流体铝箔表面双面，形成厚度为1μm的保护涂层，凹版弹跳机的走带速度为4.6m/min，涂布后采用五级烘箱加热法进行干燥，烘箱温度依次设置为80℃、80℃、85℃、85℃、80℃。
实施例2
本实施例中的锂离子电池阴极集流体水基保护涂层的制备方法如下：
(1)按质量百分比计，将10％SP、20％WAA、70％PAA混合加入到去离子水中，形成均一、稳定的混合浆料，混合浆料中固含量为26.22wt％，其中，超导炭黑的粒径为20-35nm；
(2)在凹版弹跳机上采用凹版印刷的方式将浆料涂布在阴极集流体铝箔表面双面，形成厚度为1～2μm的保护涂层，凹版弹跳机的走带速度为5m/min，涂布后采用五级烘箱加热法进行干燥，烘箱温度依次设置为80℃、80℃、85℃、85℃、80℃。
实施例3
本实施例中的锂离子电池阴极集流体水基保护涂层的制备方法如下：
(1)按质量百分比计，将11％SP、22％WAA、67％PAA混合加入到去离子水中，形成均一、稳定的混合浆料，混合浆料中固含量为27.2wt％，其中，超导炭黑的粒径为40-60nm；
(2)在凹版弹跳机上采用凹版印刷的方式将浆料涂布在阴极集流体铝箔表面双面，形成厚度为1～2μm的保护涂层，凹版弹跳机的走带速度为5m/min，涂布后采用五级烘箱加热法进行干燥，烘箱温度依次设置为80℃、80℃、85℃、85℃、80℃。
对比例1
采用等量的CNT为导电剂，其他与实施例2相同。
对比例2
采用等量的石墨为导电剂，其他与实施例2相同。
对比例3
超导炭黑的粒径为60-90nm，其他与实施例2相同。
对比例4
超导炭黑的含量为12％，其他与实施例2相同。
对比例5
保护涂层的厚度为0.9μm，其他与实施例2相同。
实施例6
烘箱温度依次设置为85℃、85℃、90℃、90℃、85℃。
对比例7
未设置保护涂层。
对采用本发明实施例1-3、对比例1-6中涂覆有保护涂层的阴极集流体制得的制得的锂离子电池进行撞击和针刺安全测试，撞击测试每个样品分别进行10次测试，针刺测试每个样品分别进行5次，每个实施例/对比例选择2个样品进行测试，平均通过次数如表1所示。
表1：实施例1-3、对比例1-6的阴极集流体中电池性能的比较
Figure BDA0001777404710000051
Figure BDA0001777404710000061
上述实施例1-3、对比例1-6的锂离子电池经过性能测试，容量、能量密度、循环寿命等电性能与对比例7相比接近，无明显变化，可见本发明通过锂离子电池阴极集流体表面设置保护涂层，并对保护涂层的配方及制备方法进行合理配伍和优化，在保证锂离子电池的电性能的同时，有效提高了锂离子电池的安全性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种阴极集流体水基保护涂层，其特征在于，所述保护涂层涂覆于阴极集流体表面，厚度为1～2μm，所述保护涂层包括以下质量百分比含量的组分：
10％超导炭黑，20％水性丙烯酸乳液，70％聚丙烯酸酯；所述超导炭黑的粒径为20-35nm；
所述保护涂层的制备方法包括以下步骤：
S1、按照所述组分配方准备原料，将原料混合到去离子水中，形成均一、稳定的混合浆料，所述混合浆料中的固含量为26.22wt％；
S2、将浆料涂布在阴极集流体表面，形成保护涂层；
所述步骤S2中，采用凹版印刷的方式将浆料涂布在阴极集流体表面；
所述凹版印刷采用凹版弹跳机进行，走带速度为4.6-5.3m/min；所述凹版印刷的方式包括涂布过程和干燥过程，所述干燥过程采用五级烘箱加热法，烘箱温度依次设置为80℃、80℃、85℃、85℃、80℃。
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