CN109390558A - 一种锂离子电池极片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电池相关技术领域，其公开了一种锂离子电池极片及其制造方法，该方法包括以下步骤：(1)提供两个划切装置，该划切装置包括相对设置的刀具及轧辊；该刀具与该轧辊间隔设置；该刀具包括多个沿轧辊轴向间隔布置的刀片；(2)提供极片半成品，将该极片半成品送入两个划切装置中；该极片半成品包括集流体及涂覆在集流体两面的颗粒涂层；(3)该轧辊通过滚动带动该极片半成品移动，同时该刀片划切该颗粒涂层以形成多个间隔分布的线状划痕，由此得到锂离子电池极片。本发明改进了锂离子电池极片的孔隙结构与孔隙分布，使电解液在极片中的浸润效率提高，并使锂离子电池获得更优良的功率性能，且加工效率高、成本低。

Description

一种锂离子电池极片及其制造方法

技术领域

本发明属于电池相关技术领域，更具体地，涉及一种锂离子电池极片及其制造方法。

背景技术

电极介观微结构对锂离子电池性能有重大影响，改进电极微结构是提升锂离子电池性能的一条有效途径。电极微结构由涂层中的活性颗粒和粘附其上的导电剂、粘结剂及固相形成的弥散孔隙构成。理论与实验研究表明，极片涂层(辊后，下同)内孔隙形态及分布化具有显著的实际意义。

其中，一种较为理想的孔隙分布情况是：在涂层厚度方向上靠近隔膜处的涂层孔隙率较大而靠近集流体处的孔隙率较小，以形成梯度。一种较为理想的空隙形态是沿着涂层厚度方向具有较大的直孔道，如此一方面，在锂离子电池充放电过程中，电解液中锂离子穿过隔膜从一侧到另一侧，并在沿电极厚度方向上随着嵌入反应而逐渐减少，上述孔隙形态和分布有利于提高锂离子传输效率，使得电池倍率性能得到提升。另一方面，对于硅碳负极的体积膨胀问题，较大的孔隙率会提供活性颗粒较多的容纳空间，从而减小颗粒间的挤压力，减少活性材料破碎及脱落导致的容量衰减。另外，该孔隙形态也有利于电解液浸润电极，提升注液效率。

然而，当前的工艺条件下，制造出的涂层孔隙分布情况恰恰与之相反。自然混乱的固相颗粒分布使孔隙分散曲折，且辊压后的基片涂层呈现表面密下面疏结构形态。电极微结构的控制与极片制造工艺分不开，目前学术界和工业界已提出的几种改进孔隙形态与分布的工艺方案中存在着诸多问题，因此均未得到规模化应用。例如多层分次涂布工艺通过多次重复进行涂布-干燥工序，获得了不同孔隙率大小的涂层而整体形成孔隙率的厚度分布，但该方法增加了涂布和干燥程序，使生产率严重下降。再比如，同时涂布多层浆料，但各层浆料化学成分相近，不易分层。又如，在辊压工序中，使用表面带有微小凸台的辊子对干涂层进行辊压，在其表面留下均匀的凹坑，然而该方法会导致辊压时极片掉粉，且有刺破基材的风险。其他一些方法如外加磁场、静电喷涂、定向冷冻、3D打印等，其成本与效率均不适用于大规模生产，比如在电极浆料中添加磁性物质再投入硅模中，通过外加磁场使长形磁性物质空间取向，蒸发或者热分解后磁性物质从电极中移除从而形成竖直排列的孔隙，最后对电极进行烧结，此方法不仅增加了材料成本，且工艺难度大，制作过程耗时长，效率低。相应地，本领域存在着发展一种效率较高的锂离子电池极片的制造方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种锂离子电池极片及其制造方法，其基于现有锂离子电池极片的孔隙分布情况，研究及设计了一种生产效率较高的锂离子电池极片及其制造方法。本发明采用的刀具由多个沿同一个方向间隔排列的刀片组成，其划切涂层后形成多个间隔分布的狭缝，所述狭缝垂直于其自身长度方向的横截面上宽下窄，即所述狭缝宽度随狭缝的深度逐渐减小。该方案改善了孔隙结构及分布，且加工效率高，成本低，同时最大限度地保留了当前的极片制造工艺体系。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种锂离子电池极片的制造方法，所述制造方法主要包括以下步骤：

(1)提供两个划切装置，两个所述划切装置间隔设置；所述划切装置包括相对设置的刀具及轧辊，所述刀具与所述轧辊间隔设置；所述刀具包括多个沿所述轧辊的轴向间隔设置的刀片；

(2)提供极片半成品，将所述极片半成品送入两个所述划切装置中，所述极片半成品位于所述刀具与所述轧辊之间；该极片半成品包括集流体及涂覆在所述集流体相背的两个表面的颗粒涂层；

(3)所述轧辊通过滚动带动所述极片半成品移动，同时所述刀片划切所述颗粒涂层以形成多个间隔设置的线状划痕，由此得到锂离子电池极片。

进一步地，所述刀片的刀刃朝向所述颗粒涂层的部分呈圆弧形。

进一步地，所述划痕垂直于自身长度方向的横截面呈齿状，且其为上宽下窄的沟道。

进一步地，所述划痕的长度方向与所述极片半成品的长度方向平行。

进一步地，所述划痕的平均宽度为50um～100um；所述划痕之间的间隔为所述颗粒涂层厚度的1～3倍，所述划痕的深度为所述颗粒涂层的0.5～0.8倍。

进一步地，所述划切装置还包括夹持机构，所述刀片可拆卸地连接于所述夹持机构。

进一步地，所述夹持机构能调节所述刀片凸出于所述夹持机构的长度，即调节所述刀片到轧辊表面的距离。

按照本发明的另一个方面，提供了一种锂离子电池极片，所述锂离子电池极片是采用如上所述的锂离子电池极片的制造方法制造而成的。

进一步地，所述划痕沿垂直于所述极片半成品移动方向的宽度自所述颗粒涂层的表面向所述集流体逐渐减小。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的锂离子电池极片及其制造方法主要具有以下有益效果：

1.所述刀片划切所述颗粒涂层以形成多个间隔设置的线状划痕，使得得到的锂离子电池极片具有二级孔隙结构，一级孔隙为从涂层表面纵深到涂层底部靠近集流体处的划痕，可供电解液快速浸润到电极深处，同时在电池充放时为锂离子传输提供宽阔笔直的通路，并为负极体积变化留有一定的空间；二级孔隙则为活性颗粒、导电剂和粘结剂堆叠形成的微小孔隙。

2.所述划痕沿垂直于所述极片半成品移动方向的宽度自所述颗粒涂层的表面向所述集流体逐渐减小，使得电极具有表面孔隙率大而底部孔隙率小的孔隙分布和孔道直通底部的孔隙形态，为电解液快速而充分地浸润电极、锂离子沿电极厚度方向高效迁移、以及部分容纳负极体积膨胀提供了十分有利的条件。

3.所述刀片的刀刃朝向所述颗粒涂层的部分呈圆弧状，以避免或者减少所述刀片切入颗粒涂层时导致颗粒涂层掉粉，同时减小所述刀片的更换次数，提高了生产效率，降低了成本。

4.所述轧辊与所述刀具相对间隔设置，以保证所述刀片与所述轧辊之间的距离，防止所述刀片划破极片。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的锂离子电池极片的制造方法的流程示意图。

图2是图1中的锂离子电池极片的制造方法涉及的划切装置的布局示意图。

图3是图1中的锂离子电池极片的制造方法涉及的划切装置的局部示意图。

图4是图1中的锂离子电池极片的制造方法制造的锂离子电池极片的断面图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-夹持机构，2-刀具，3-轧辊，4-极片半成品，5-划痕，6-颗粒涂层，7-集流体。

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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明较佳实施方式提供的锂离子电池极片的制造方法制造锂离子电池极片时，相比于普通锂离子电池极片将涂布厚度增大，使得辊压后的干涂层的厚度达到100um～500um，而功率型锂离子电池的涂层厚度在100um～200um范围内，能量型锂离子电池的涂层厚度在200um～500um。此外，极片划切工序设置在辊压之后，由两台间隔设置的划切装置同时对极片两面的颗粒涂层进行加工。

本发明较佳实施方式提供的锂离子电池极片的制造方法主要包括以下步骤：

步骤一，提供两个划切装置，两个所述划切装置间隔设置；所述划切装置包括相对设置的刀具及轧辊，所述刀具刀头与所述轧辊表面间隔一定距离；所述刀具包括多个沿所述轧辊轴向间隔排列的刀片。本实施方式中，所述刀片呈倒等腰梯形。

请参阅图2及图3，具体地，两个所述划切装置的结构相同，且所述划切装置包括夹持机构1、刀具2及轧辊3，所述刀具2可拆卸地连接于所述夹持机构1，即所述夹持机构1用于承载所述刀具2。所述轧辊3与所述刀具2相对间隔设置，两者之间间隔有预定距离，所述预定距离用于防止所述刀具2划破所述颗粒涂层。

所述刀具2采用具有高强度、高硬度及韧性较好的金属材料制成，如硬质合金钢。所述刀片为薄刀片，其刀片的刀刃朝向颗粒涂层的部分呈圆弧状(即所述刀刃用于切削颗粒涂层的部分呈圆弧状)，以避免或者减少所述刀片切入颗粒涂层时导致颗粒涂层掉粉，同时减少所述刀片的更换次数，保证了生产效率。每个所述刀片嵌装于所述夹持机构1上，且所述刀片活动地设置于所述夹持机构1，所述夹持机构1能够精确调节所述刀片的伸出长度，以保证所述刀片与所述轧辊3之间的距离，防止所述刀片划破极片。为了保证伸出所述夹持机构1的刀片部分具有良好的刚度，所述刀片伸出于所述夹持机构1的长度为颗粒涂层厚度的1～2倍。

步骤二，提供经涂布、辊压后的极片半成品，并将所述极片半成品送入两个所述划切装置中，所述极片半成品位于所述轧辊与所述刀具之间；所述极片半成品包括集流体及涂覆于集流体两面的颗粒涂层。

请参阅图4，具体地，所述极片半成品包括集流体7及两面颗粒涂层6，两面所述颗粒涂层6分别涂覆于所述集流体7相背的两表面上。两个所述划切装置的刀具2分别与两面所述颗粒涂层6相对应，以分别用于划切两面所述颗粒涂层6。

步骤三，所述轧辊通过滚动带动所述极片半成品移动，同时所述刀片划切所述颗粒涂层以形成多个间隔设置的线状划痕，由此得到锂离子电池极片所述划痕沿垂直于所述极片半成品移动方向的宽度自所述颗粒涂层的表面向所述集流体逐渐减小。

具体地，两个所述划切装置分别在两个所述颗粒涂层6上划切出整齐排列的划痕5，所述划痕5即为狭缝，每条划痕5沿所述极片半成品的移动方向延伸。所述划痕5垂直于自身长度方向的横截面呈齿状，且其为上宽下窄的沟道。所述划痕5深入所述颗粒涂层，但未触及所述集流体7。

本实施方式中，所述划痕5的平均宽度为50um～100um；所述划痕5之间的间隔为所述颗粒涂层6厚度的1～3倍，深度为所述颗粒涂层6的0.5～0.8倍。

所述划痕5使得电极具有表面孔隙率大而底部孔隙率小的孔隙分布和孔道直通底部的孔隙形态，为电解液快速而充分地浸润电极、锂离子沿电极厚度方向高效迁移、以及部分容纳负极体积膨胀提供了十分有利的条件。此外，采用所述锂离子电池极片制成的锂离子电池具有更好的功率性能，更高的安全性和更长的循环寿命。

本发明还提供了一种锂离子电池极片，所述锂离子电池极片是采用如上所述的锂离子电池极片的制造方法制造而成的。

本发明提供的锂离子电池极片及其制造方法，其通过划痕的形状及分布的设计来实现孔隙分布及形态的分布，由此提高了锂离子的迁移率，使得采用所述锂离子电池极片制成的锂离子电池具有更好的功率性能，更高的安全性和更长的循环寿命。

本领域的技术人员容易理解，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锂离子电池极片的制造方法，其特征在于，该制造方法包括以下步骤：

(1)提供两个划切装置，两个所述划切装置间隔设置；所述划切装置包括相对设置的刀具及轧辊，所述刀具与所述轧辊间隔设置；所述刀具包括多个沿所述轧辊的轴向间隔设置的刀片；

(2)提供极片半成品，将所述极片半成品送入两个所述划切装置中，所述极片半成品位于所述刀具与所述轧辊之间；该极片半成品包括集流体及涂覆在所述集流体相背的两个表面的颗粒涂层；

(3)所述轧辊通过滚动带动所述极片半成品移动，同时所述刀片划切所述颗粒涂层以形成多个间隔设置的线状划痕，由此得到锂离子电池极片。

2.如权利要求1所述的锂离子电池极片的制造方法，其特征在于：所述刀片的刀刃朝向所述颗粒涂层的部分呈圆弧形。

3.如权利要求1所述的锂离子电池极片的制造方法，其特征在于：所述划痕垂直于自身长度方向的横截面呈齿状，且其为上宽下窄的沟道。

4.如权利要求1所述的锂离子电池极片的制造方法，其特征在于：所述划痕的长度方向与所述极片半成品的长度方向平行。

5.如权利要求1所述的锂离子电池极片的制造方法，其特征在于：所述划痕的平均宽度为50um～100um；所述划痕之间的间隔为所述颗粒涂层厚度的1～3倍，所述划痕的深度为所述颗粒涂层的0.5～0.8倍。

6.如权利要求1-5任一项所述的锂离子电池极片的制造方法，其特征在于：所述划切装置还包括夹持机构，所述刀片可拆卸地连接于所述夹持机构。

7.如权利要求6所述的锂离子电池极片的制造方法，其特征在于：所述夹持机构能调节所述刀片凸出于所述夹持机构的长度，即调节所述刀片到轧辊表面的距离。

8.一种锂离子电池极片，其特征在于：所述锂离子电池极片是采用权利要求1-7任一项所述的锂离子电池极片的制造方法制造而成的。

9.如权利要求8所述的锂离子电池极片，其特征在于：所述划痕沿垂直于所述极片半成品移动方向的宽度自所述颗粒涂层的表面向所述集流体逐渐减小。