CN109585779A - 兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片及制备方法。本发明的锂离子电池电极片由集流体、第一涂层和第二涂层组成，第一涂层设置于集流体上面，第二涂层设置于第一涂层上面，集流体选自铜箔和铝箔中的一种，集流体的厚度为3～30μm，第一涂层的厚度为10～300μm，第二涂层的厚度为5～100μm，第一涂层的厚度大于第二涂层的厚度，第一涂层由活性物质A1、导电剂A2和粘结剂A3组成，第二涂层由活性物质B1、导电剂B2和粘结剂B3组成。将本发明的电极片应用于锂离子电池中，在锂离子电池充放电过程中，在不显著降低电池能量密度的条件下提高电池的功率密度，兼顾了能量密度和功率密度。

Description

兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片及制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片及制备方法。
背景技术
随着环境污染问题越来越严重，煤炭等能源资源越来越枯竭，新能源正更多的吸引人们的目光。新能源之一的锂离子电池具有高能量密度、高电压、低自放电、无记忆效应、长循环寿命等优点，在3C 电子消费产品、电动车等行业应用越来越多。在汽车行业，由于国家政策的鼓励和优惠补贴，锂离子电池新能源汽车弯道超车，最近几年实现了快速的发展。
然而，锂离子电池充电速度一直是影响锂离子电池新能源汽车发展的一大问题。然而锂离子电池的能量密度和功率密度是鱼与熊掌不可兼得的，能量密度高的锂离子电池往往在高功率的时候工作能力就差一些，而功率密度高的锂离子电池往往能量密度偏低。
目前，现有的技术对同时兼具高功率密度和高能量密度的锂离子电池，一般是采用改性锂离子电池的电极材料的方法。公布号 CN105390682B的中国发明授权专利公开一种磷酸铁锂微球/三维石墨烯复合电极材料的制备方法，先用磷酸铁和糖类多羟基化合物水热反应制备球形铁源，再与锂源和氧化石墨烯在惰性气体下进行高温热反应，得到磷酸铁锂微球/三维石墨烯复合电极材料。
但是该方法制备方法较为复杂，反应过程不容易控制，成本高。如何采用较为简易的方法制备兼顾功率密度和能量密度的锂离子电池一直是业界技术人员所关注和期待的，而所要解决的问题就是如何制备符合要求的电极片。
发明内容
(一)所要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，在锂离子电池充放电过程中，在不显著降低电池能量密度的条件下提高电池的功率密度，兼顾了能量密度和功率密度。
本发明的另一个目的在于提供兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片的制备方法。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明采用如下方案：
兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，由以下组成，集流体1、第一涂层2和第二涂层3，所述第一涂层2设置于所述集流体1上面，所述第二涂层3设置于所述第一涂层2上面，所述集流体 1的厚度为3～30μm，所述第一涂层2的厚度为10～300μm，所述第二涂层3的厚度为5～100μm，所述第一涂层2的厚度大于所述第二涂层3的厚度。
优选的，所述集流体1选自铜箔和铝箔中的一种或两种混合物；所述第二涂层3由活性物质B、导电剂B和粘结剂B组成；所述第一涂层2由活性物质A、导电剂A和粘结剂A组成；所述第一涂层2 按重量百分比，由以下组分组成，90～98％活性物质A、1～6％导电剂 A和1～4％粘结剂A。
更优选的，所述锂离子电池电极片为正极片，所述活性物质A 选自钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、钛酸锂、镍钴铝酸锂和磷酸铁锂中的一种或几种，所述导电剂A选自导电石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种，所述粘结剂A选自聚偏氟乙烯中的一种或两种。
更优选的，所述锂离子电池电极片为负极片，所述活性物质A 选自石墨、焦炭、纤维碳、中间相碳微球、炭黑、硅基氧化物、硅碳复合材料、钛酸锂和纳米碳中的一种或几种，所述导电剂A选自炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种，所述粘结剂A选自聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液中的一种或几种。
优选的，所述第二涂层3按重量百分比，由以下组分组成，85～95％活性物质B、3～10％导电剂B和2～5％粘结剂B。
更优选的，所述锂离子电池电极片为正极片，所述活性物质B 选自钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、钛酸锂、镍钴铝酸锂和磷酸铁锂中的一种或几种，所述导电剂B选自导电石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种，所述粘结剂B选自聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一种或两种。
更优选的，所述锂离子电池电极片为负极片，所述活性物质B 选自石墨、焦炭、纤维碳、中间相碳微球、炭黑、硅基氧化物、硅碳复合材料、钛酸锂和纳米碳中的一种或几种，所述导电剂B选自炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种，所述粘结剂B选自聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液中的一种或几种。
优选的，所述活性物质A的BET比表面积为0.3～15m2/g，所述活性物质B的BET比表面积为0.5～30m2/g，所述活性物质A的BET 比表面积小于所述活性物质B的BET比表面积。
优选的，所述活性物质A的D50为1～20μm，所述活性物质B 的D50为0.2～10μm，所述活性物质A的D50大于所述活性物质B 的D50。
一种上述实施方案中任一项所述的兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片的制备方法，按重量份数，将90～98份活性物质A、 1～6份导电剂A、1～4份粘结剂A加入到100份N-甲基吡咯烷酮或去离子水中，搅拌分散混合均匀，制备成浆料后均匀的涂覆到集流体1 的表面，经过干燥，得到集流体1表面涂覆第一涂层2的电极片；按重量份数，将85～95份活性物质B、3～10份导电剂B、2～5份粘结剂 B加入到100份N-甲基吡咯烷酮或去离子水中，搅拌分散混合均匀，制备成浆料后均匀的涂覆在第一涂层2表面，经过干燥制备成集流体 1表面涂覆第一涂层2、第一涂层2的表面涂覆第二涂层3，形成锂离子电池电极片。
(三)有益效果
和现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：(1)制备方法简单，原料都为行业常规的原料，来源丰富；(2)在不显著降低电池能量密度的条件下提高电池的功率密度，兼顾了能量密度和功率密度。
附图说明
图1为本发明的锂离子电池电极片的结构示意图。
图中，1-集流体，2-第一涂层，3-第二涂层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，通过实施例对本发明进行进一步详细阐述，但并不限制本发明。
如无特别指明，以下实施方案中的份数都为重量份数。
本发明中所述的平均厚度的测量方法为：将待测电极片采用千分尺分别测试四周边角附近和中间的厚度，对这五个测试点处的厚度取算数平均值，四舍五入到个位数，即为电极片的平均厚度。
实施例1
制备正极片：将95份镍钴锰酸锂(D50＝12μm，BET比表面积 6.7m2/g)、3份导电石墨、2份聚偏氟乙烯粘结剂加入到100份N-甲基吡咯烷酮中，搅拌分散混合均匀，制备成浆料，均匀的涂覆到平均厚度为16μm的铝箔集流体1的表面，经过80℃烘烤干燥得到集流体1表面涂覆平均厚度为140μm的第一涂层2的电极片；将91份镍钴锰酸锂(D50＝7μm，BET比表面积12.8m2/g)、5份碳纤维、1 份碳纳米管和3份聚四氟乙烯粘结剂加入到100份N-甲基吡咯烷酮中搅拌分散混合均匀，制备成浆料，均匀的涂覆在第一涂层2的表面，经过85℃烘烤干燥制备成集流体1表面涂覆平均厚度为140μm的第一涂层2、第一涂层2表面涂覆平均厚度为43μm的第二涂层3的正极片1。
制备负极片：将95.5份石墨(D50＝17μm，BET比表面积8.2m2/g)、 1.5份导电石墨、1.8份丁苯橡胶乳液和1.2份羧甲基纤维素钠加入到 100份去离子水中，搅拌分散混合均匀制备成浆料，均匀的涂覆到平均厚度为10μm的铜箔集流体1的表面，经过90℃的烘烤干燥制备成集流体1表面涂覆平均厚度为110μm的第一涂层2的电极片；将 89.5份中间碳微球(D50＝6μm，BET比表面积10.3m2/g)、6.8份碳纤维、1.7份丁苯橡胶乳液和2份羧甲基纤维素钠加入到100份去离子水中，搅拌分散混合均匀制备成浆料，均匀的涂覆到第一涂层2的表面，90℃烘烤干燥制备成集流体1表面涂覆第一涂层2、第一涂层 2表面涂覆平均厚度为27μm的第二涂层3的负电极1。
实施例2
制备正极片：将90.3份镍钴锰酸锂(D50＝1.5μm，BET比表面积14.3m2/g)、5.7份碳纤维、4份聚偏氟乙烯粘结剂加入到100份N- 甲基吡咯烷酮中，搅拌分散混合均匀，制备成浆料，均匀的涂覆到平均厚度为4μm的铝箔集流体1的表面，经过80℃烘烤干燥得到集流体1表面涂覆平均厚度为12μm的第一涂层2的电极片；将86份锰酸锂(D50＝0.5μm，BET比表面积28.9m2/g)、8.5份碳纤维、1份石墨烯和4.5份聚偏氟乙烯粘结剂加入到100份N-甲基吡咯烷酮中搅拌分散混合均匀，制备成浆料，均匀的涂覆在第一涂层2的表面，经过 80℃烘烤干燥制备成集流体1表面涂覆第一涂层2、第一涂层2表面涂覆平均厚度为7μm的第二涂层3的正极片2。
制备负极片：将97.6份焦炭(D50＝2μm，BET比表面积12.4m2/g)、 1.2份导电石墨、1份丁苯橡胶乳液和0.2份羧甲基纤维素钠加入到100份去离子水中，搅拌分散混合均匀制备成浆料，均匀的涂覆到平均厚度为5μm的铝箔集流体1的表面，经过90℃的烘烤干燥制备成集流体1表面涂覆平均厚度为15μm的第一涂层2的电极片；将85.5 份硅基氧化物(D50＝0.5μm，BET比表面积25.5m2/g)、8份碳黑、 5.5份丁苯橡胶乳液和1份羧甲基纤维素钠加入到100份去离子水中，搅拌分散混合均匀制备成浆料，均匀的涂覆到第一涂层2的表面，90℃烘烤干燥制备成集流体1表面涂覆第一涂层2、第一涂层2表面涂覆平均厚度为6μm的第二涂层3的负电极2。
实施例3
制备正极片：将97.8份钛酸锂(D50＝28μm，BET比表面积 0.5m2/g)、1份导电石墨、1.2份聚偏氟乙烯粘结剂加入到100份N- 甲基吡咯烷酮中，搅拌分散混合均匀，制备成浆料，均匀的涂覆到平均厚度为28μm的铝箔集流体(1)的表面，经过80℃烘烤干燥得到集流体1表面涂覆平均厚度为287μm的第一涂层2的电极片；将94.6 份钴酸锂(D50＝14.3μm，BET比表面积1.1m2/g)、3.2份碳纤维、 2.2份聚四氟乙烯粘结剂加入到100份N-甲基吡咯烷酮中搅拌分散混合均匀，制备成浆料，均匀的涂覆在第一涂层2的表面，经过85℃烘烤干燥制备成集流体1表面涂覆第一涂层2、第一涂层2表面涂覆平均厚度为97μm的第二涂层3的正极片3。
制备负极片：将92份石墨(D50＝21μm，BET比表面积3.1m2/g)、 4.7份炭黑、2份丁苯橡胶乳液和1.3份聚偏氟乙烯加入到100份去离子水中，搅拌分散混合均匀制备成浆料，均匀的涂覆到平均厚度为 15μm的铜箔集流体1的表面，经过90℃的烘烤干燥制备成集流体1 表面涂覆平均厚度为204μm的第一涂层2的电极片；将93份中间碳微球(D50＝11μm，BET比表面积2.9m2/g)、4.1份碳纤维、1.5份丁苯橡胶乳液和1.4份羧甲基纤维素钠加入到100份去离子水中，搅拌分散混合均匀制备成浆料，均匀的涂覆到第一涂层2的表面，90℃烘烤干燥制备成集流体1表面涂覆第一涂层2、第一涂层2表面涂覆平均厚度为68μm的第二涂层3的负电极3。
对比例
制备正极片：将95份镍钴锰酸锂(D50＝12μm，BET比表面积 5.6m2/g)、3份导电石墨、2份聚偏氟乙烯加入到100份N-甲基吡咯烷酮中，搅拌分散混合均匀，制备成浆料，均匀的涂覆到平均厚度为 16μm的铝箔集流体1的表面，经过80℃烘烤干燥制备成平均厚度为106μm正极片4。
制备负极片：将95.5份石墨(D50＝17μm，BET比表面积3.3m2/g)、 1.5份导电石墨、1.8份丁苯橡胶和1.2份羧甲基纤维素钠加入到100 份去离子水中，搅拌分散混合均匀制备成浆料，涂覆到平均厚度为 10μm的铜箔集流体1的表面，经过90℃烘烤干燥得到表面涂覆平均厚度为41μm的涂层的负极片4。
制备锂离子电池：分别将实施例1-3和对比例中的正极片1-4、负极片1-4和PP/PE/PP隔膜按照负极片、PP/PE/PP隔膜、正极片、 PP/PE/PP隔膜、负极片、PP/PE/PP隔膜、正极片…的顺序层叠起来制备成电池芯，将电池芯装入电池包装中中并注入电解液(1mol/L 的LiPF6，非水有机溶剂EC、ENC、DEC重量比1:1:1)，然后经过化成、排气得到成品锂离子电池。
性能测试结果
性能测试结果如下表所示
备注：正极片1+负极片1表示锂离子电池的电极片组合为正极片1和负极片1；正极片2+负极片3表示锂离子电池的电极片组合为正极片2和负极片3；以此类推。
从上表的结果可以看出，采用本发明的三层结构的电极片作为锂离子电池的正极片和负极片，兼顾了能量密度和功率密度，在不显著降低能量密度下，有效提高了功率密度。
应当说明的是，以上公开实施例仅体现说明本发明的技术方案，而非用来限定本发明的保护范围，尽管参照较佳实施例对本发明做详细地说明，任何熟悉本技术领域者应当理解，在不脱离本发明的技术方案范围内进行修改或各种变化、等同替换，都应当属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，其特征在于：由以下组成，集流体(1)、第一涂层(2)和第二涂层(3)，所述第一涂层(2)设置于所述集流体(1)上面，所述第二涂层(3)设置于所述第一涂层(2)上面，所述集流体的厚度为3～30μm，所述第一涂层(2)的厚度为10～300μm，所述第二涂层(3)的厚度为5～100μm，所述第一涂层(2)的厚度大于所述第二涂层(3)的厚度。
2.根据权利要求1所述的兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，其特征在于：所述集流体(1)选自铜箔和铝箔中的一种，所述第二涂层(3)由活性物质B1、导电剂B2和粘结剂B3组成；所述第一涂层(2)由活性物质A1、导电剂A2和粘结剂A3组成，所述第一涂层(2)按重量百分比，由以下组分组成，90～98％活性物质A1、1～6％导电剂A2和1～4％粘结剂A3。
3.根据权利要求2所述的兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，其特征在于：所述锂离子电池电极片为正极片，所述活性物质A1选自钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、钛酸锂、镍钴铝酸锂和磷酸铁锂中的一种或几种，所述导电剂A2选自导电石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种，所述粘结剂A3选自聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一种或两种。
4.根据权利要求2所述的兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，其特征在于：所述锂离子电池电极片为负极片，所述活性物质A1选自石墨、焦炭、纤维碳、中间相碳微球、炭黑、硅基氧化物、硅碳复合材料、钛酸锂和纳米碳中的一种或几种，所述导电剂A2选自炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种，所述粘结剂A3选自聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，其特征在于：所述第二涂层(3)按重量百分比，由以下组分组成，85～95％活性物质B1、3～10％导电剂B2和2～5％粘结剂B3。
6.根据权利要求5所述的兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，其特征在于：所述锂离子电池电极片为正极片，所述活性物质B1选自钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、钛酸锂、镍钴铝酸锂和磷酸铁锂中的一种或几种，所述导电剂B2选自导电石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种，所述粘结剂B3选自聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一种或两种。
7.根据权利要求5所述的兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，其特征在于：所述锂离子电池电极片为负极片，所述活性物质B1选自石墨、焦炭、纤维碳、中间相碳微球、炭黑、硅基氧化物、硅碳复合材料、钛酸锂和纳米碳中的一种或几种，所述导电剂B2选自炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种，所述粘结剂B3选自聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶乳液中的一种或几种。
8.根据权利要求2所述的兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，其特征在于：所述活性物质A1的BET比表面积为0.3～15m2/g，所述活性物质B1的BET比表面积为0.5～30m2/g，所述活性物质A1的BET比表面积小于所述活性物质B1的BET比表面积。
9.根据权利要求2所述的兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片，其特征在于：所述活性物质A1的D50为1～30μm，所述活性物质B1的D50为0.2～15μm，所述活性物质A1的D50大于所述活性物质B1的D50。
10.权利要求1-9任一项所述的兼顾能量密度和功率密度的锂离子电池电极片的制备方法，其特征在于：按重量份数，将90～98份活性物质A1、1～6份导电剂A2、1～4份粘结剂A3加入到100份N-甲基吡咯烷酮或去离子水中，搅拌分散混合均匀，制备成浆料后均匀的涂覆到集流体(1)的表面，经过干燥得到集流体表面涂覆第一涂层(2)的电极片；按重量份数，将85～95份活性物质B1、3～10份导电剂B2、2～5份粘结剂B3加入到100份N-甲基吡咯烷酮或去离子水中，搅拌分散混合均匀，制备成浆料后均匀的涂覆在第一涂层(2)表面，经过干燥制备成集流体(1)表面涂覆第一涂层(2)、第一涂层(2)的表面涂覆第二涂层(3)，形成锂离子电池电极片。
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