CN109786658A - 电极极片、电极极片制备方法及锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电极极片、电极极片制备方法及锂离子电池，该电极极片包括：集流体，该集流体包括相对的第一表面和第二表面；导电粘结剂层，设置于第一表面和第二表面的至少一者上，导电粘结剂层的厚度为6μm～9μm，该导电粘结剂层包含质量比为1:2～2:1的导电剂和粘结剂，以使所述导电粘结剂层电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm、与所述集流体的粘结力为150N/m～200N/m；活性物质材料层，设置于导电粘结剂层上。本发明提供的电极极片、电极极片制备方法及锂离子电池能够显著降低电芯热失控的概率，改善电芯安全性能，同时兼具良好的电学性能。

Description

电极极片、电极极片制备方法及锂离子电池

技术领域

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种电极极片、电极极片制备方法及锂离子电池。

背景技术

随着锂离子电池的广泛应用，其安全性能是消费者非常关注的性能之一，也是非常难解决的问题。目前，在锂离子电池安全性能方面采用的新工艺有，在阴极、阳极或隔离膜表面涂上陶瓷，以阻隔阴极与阳极的直接接触，从而改善锂离子电池的安全性能。

然而，上述在阴极、阳极或隔离膜表面涂上陶瓷涂层的方案，在生产、搬运、使用过程中，因切割、尖锐物体刺破锂离子电池而形成的毛刺仍然会造成锂离子电池内部短路，进而导致电芯热失控。

发明内容

本发明实施方式提供了一种电极极片、电极极片制造方法及锂离子电池，能够减少因刺破形成的毛刺，增大短路电阻，降低短路功率，从而降低热失控的概率，并在改善锂离子电池安全性的同时兼具良好的电学性能。

本发明实施方式一方面提供一种电极极片，包括：集流体，该集流体包括相对的第一表面和第二表面；导电粘结剂层，设置于集流体的第一表面和第二表面的至少一者上，该导电粘结剂层的厚度为6μm～9μm，该导电粘结剂层包含质量比为1:2～2:1的导电剂和粘结剂，以使导电粘结剂层电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm、与集流体的粘结力为150N/m～200N/m；活性物质材料层，设置于导电粘结剂层上。

本发明实施方式提供的电极极片在集流体与活性物质材料层之间形成了具有一定的电阻率和粘结力的导电粘结剂层，以保护集流体，并且通过控制导电粘结剂层的厚度、电阻率及粘结力，能够显著减少生产、搬运、使用过程中，因切割、尖锐物体刺破电池形成的毛刺，并使穿钉时短路电阻控制预定范围内，进而使得导电粘结剂层对集流体起到安全保护作用，从而显著降低电芯热失控的概率，与此同时不会增大电芯内阻进而保证锂离子电池的电性能。

根据本发明实施方式的一个方面，集流体的第一表面包括在第一方向上交替分布的第一区域和第二区域，在第一区域上设置导电粘结剂层，第二区域暴露集流体的第一表面，活性物质材料层覆盖导电粘结剂层及第二区域的第一表面。

本发明实施方式提供的电极极片，在集流体表面，第一区域和第二区域交替分布，在第一区域上设置导电粘结剂层，形成导电网络将集流体与活性材料导通，能够进一步降低电芯内阻，提高电芯电学性能，同时靠牢固的粘结力将集流体保护住，改善穿钉效果，降低电芯热失控的概率。

根据本发明实施方式的一个方面，集流体的第一表面上，第一区域的面积占集流体第一表面总面积的40％～75％。

根据本发明实施方式的一个方面，电极极片具有预定的长度和宽度，第一方向为电极极片的宽度方向，第一区域和第二区域均为沿电极极片的长度方向延伸；

在第一方向上，集流体的第一表面中间位置为第一区域，该第一区域的两侧均分布有第二区域；或者，

在第一方向上，集流体的第一表面包括三个第一区域和两个第二区域相互交替分布。

根据本发明实施方式的一个方面，第一方向上，第一区域的宽度之和为第二区域的宽度之和的78％～300％。

根据本发明实施方式的一个方面，导电粘结剂层中，导电剂可以为乙炔黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种，但并不限于此；粘结剂可以为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丁苯橡胶中的一种或多种，但并不限于此。

根据本发明实施方式的一个方面，所述导电粘结剂层的厚度为6μm，所述导电粘结剂层包含质量比为2:1的导电剂和粘结剂，以使所述导电粘结剂层电阻率为2Ω·cm、与所述集流体的粘结力为200N/m。

本发明实施方式的另一个方面提供一种电极极片的制备方法，包括：将质量比为1:2～2:1的导电剂和粘结剂混合，并溶解于有机溶剂中，经搅拌形成胶体；将胶体涂覆于集流体的表面，烘干，在集流体的表面形成导电粘结剂层；其中，导电粘结剂层的厚度为6μm～9μm，电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm，导电粘结剂层与集流体间的粘结力为150N/m～200N/m；将活性物质材料涂覆在导电粘结剂层上，烘干，形成活性物质材料层。

根据本发明实施方式的一个方面，导电剂可以为乙炔黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种，但并不限于此；粘结剂可以为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丁苯橡胶中的一种或多种，但并不限于此；有机溶剂可以为N-甲基吡咯烷酮，但并不限于此。

本发明实施方式的另一个方面提供一种锂离子电池，包括阴极极片、阳极极片、隔离膜及电解液，阴极极片和/或阳极极片包括：集流体，包括相对的第一表面和第二表面；导电粘结剂层，设置于集流体的第一表面和第二表面的至少一者上；该导电粘结剂层的厚度为6μm～9μm，导电粘结剂层包含质量比为1:2～2:1的导电剂和粘结剂，以使导电粘结剂层电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm，导电粘结剂层与集流体的粘结力为150N/m～200N/m；活性物质材料层，设置于导电粘结剂层上。

本发明实施方式提供的电极极片及锂离子电池，兼具优良的电学性能和较高的安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。

图1是本发明实施方式提供的一种电极极片的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。

在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“第一”“第二”仅是为了表述的方便，不应理解为对本发明的限定；术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的上述发明内容并不意欲描述本发明中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。

电极极片

请一并参阅图1，根据本发明实施方式的第一方面，提供了一种电极极片，包括：集流体11，该集流体11包括相对的第一表面111和第二表面112；导电粘结剂层12，设置于集流体11的第一表面111和第二表面112至少一者上，该导电粘结剂层的厚度为6μm～9μm，该导电粘结剂层12包含质量比为1:2～2:1的导电剂和粘结剂，以使所述导电粘结剂层12电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm，导电粘结剂层12与集流体11的粘结力为150N/m～200N/m；活性物质材料层13，设置于导电粘结剂层12上。

导电剂可以为乙炔黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种，但并不限于此；粘结剂可以为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丁苯橡胶中的一种或多种，但并不限于此。

本发明实施方式提供的电极极片，在集流体11与活性物质材料层13之间形成了具有一定的电阻率和粘结力的导电粘结剂层12，以保护集流体11，并且通过控制导电粘结剂层12的厚度为6μm～9μm，电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm，导电粘结剂层12与集流体11的粘结力为150N/m～200N/m，能够显著减少生产、搬运、使用过程中，因切割、尖锐物体刺破电池形成的毛刺，并使穿钉时短路电阻控制预定范围内，进而使得导电粘结剂层对集流体起到安全保护作用，从而显著降低电芯热失控的概率，与此同时不会增大电芯内阻进而保证锂离子电池的电性能。

该集流体11的第一表面111可以是包括在第一方向X上交替分布的第一区域121和第二区域122，在第一区域121上设置导电粘结剂层12，第二区域122暴露出集流体的第一表面；活性物质材料层13设置于导电粘结剂层12上，并覆盖导电粘结剂层12及第二区域122的第一表面111。

上述设置有导电粘结剂层12的第一区域121的面积为集流体11第一表面111总面积的40％～75％。

本发明实施方式提供的电极极片，设有导电粘结剂层12的第一区域121和未设有导电粘结剂层12的第二区域122在第一方向X上交替分布，形成导电网络将集流体与活性材料导通，能够进一步降低电芯内阻，提高电芯电学性能，同时靠牢固的粘结力将铝箔保护住，改善穿钉效果，降低电芯热失控的概率。

第一区域121的面积越大，穿钉效果越好，电芯内阻也越大，电性能相应降低；第一区域121的面积越小，电芯内阻越小，但第一区域121的面积不能过小(小于集流体第一表面总面积的40％)，否则会使穿钉效果通过概率明显降低。因此，本实施方式优选第一区域121的面积占集流体11第一表面111总面积的40％～75％。

具体的，作为一种例子，如图1所示，电极极片包括集流体11、导电粘结剂层12、活性物质材料层13，导电粘结剂层12位于集流体11之上，活性物质材料层13位于导电粘结剂层12之上，集流体11的第一表面111包括一个第一区域121及两个第二区域122，设置有导电粘结剂层12的第一区域121分布在集流体11第一方向X上的中心位置，在第一方向X上、两个第二区域122分布于第一区域121两侧。

可以理解的是，电极极片具有预定的长度和宽度，第一方向X为电极极片的宽度方向。电极极片的长度方向为将电极极片卷曲形成电芯的方向。上述一个第一区域121及两个第二区域122均呈条状并沿电极极片的长度方向延伸，且第一区域的宽度优选为两个第二区域的宽度之和的78％～300％。换句话说，第一区域121上，导电粘结剂层12呈条状并沿电极极片的长度方向延伸。导电粘结剂层12的厚度为6μm～9μm、电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm、与集流体11的粘结力为150N/m～200N/m。

可以理解的是，活性物质材料层13形成于导电粘结剂层12以及第二区域122暴露出的集流体11第一表面111上，故活性物质材料层13与第二区域122对应的部分与集流体11第一表面111接触设置，直接形成牢固粘结，且活性物质材料层13的远离导电粘结剂层12的表面为平面。换句话说，活性物质材料层13面向导电粘结剂层12的表面为具有凹凸结构的图案化表面，背离导电粘结剂层12的表面为平整的平面。

集流体11为铝箔。

阴极极片的制造方法

根据本发明实施方式的第二方面，提供了一种阴极极片的制造方法，包括以下步骤：S1，将质量比为1:2～2:1的导电剂和粘结剂混合，并溶解于有机溶剂中，经搅拌制成胶体；S2，将S1得到的胶体涂布于集流体铝箔的表面，烘干，在铝箔的表面形成导电粘结剂层，其中，所述导电粘结剂层的厚度为6μm～9μm，电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm，所述导电粘结剂层与所述集流体的粘结力为150N/m～200N/m；S3，将活性材料涂布在导电粘结剂层上，烘干，形成活性物质材料层，再经过压片、切片制得电极极片。

导电剂可以为乙炔黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种，但并不限于此；粘结剂可以为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丁苯橡胶中的一种或多种，但并不限于此；有机溶剂可以为N-甲基吡咯烷酮，但并不限于此。

锂离子电池

根据本发明实施方式的第三方面，提供了一种锂离子电池，包括：阴极极片、阳极极片、隔离膜及电解液。阴极极片和/或阳极极片为上述实施方式第一方面提供的电极极片。

电解液的溶剂包括碳酸乙稀酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯一种或几种，溶质包括LiPF₆、LiBF₄、LiBOB、LiAsF₆、Li(CF₃SO₂)₂N、LiCF₃SO₃、LiClO₄中一种或几种。

隔离膜选自具有电化学稳定性和化学稳定性的包括聚乙烯、聚丙烯、无纺布、聚纤维材质中一种或多种材质的薄膜。

实施例

下述实施例更具体地描述了本发明公开的内容，这些实施例仅仅用于阐述性说明，因为在本发明公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明，以下实施例中所报道的所有份、百分比、和比值都是基于重量计，而且实施例中使用的所有试剂都可商购并且可直接使用而无需进一步处理。

阴极极片

阴极极片采用如图1所述的电极极片。

阳极极片

将阳极活性材料、导电剂、粘结剂按照一定的质量百分比，在去离子水中搅拌均匀，在铜箔表面进行双面涂覆(铜箔采用定宽80mm，厚度为10μm)，经过干燥、辊压、分切、极耳焊接等工序制备得到阳极极片。

电解液及隔离膜组成

电解液包括有机溶剂和锂盐，有机溶剂为碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯的混合物，三种有机溶剂的体积比为1:1:1，锂盐为LiPF₆，浓度为1mol/L。

以PE/PP/PE三层多孔聚合薄膜作为隔离膜。

锂离子电池的制备

将阴极极片、阳极极片，隔离膜卷绕成电芯，用铝塑膜封装好。经过真空烘烤、注液、化成老化等工序制成的锂离子电池。

实施例1

阴极极片中，铝箔采用定宽80mm，厚度为60μm，阴极极片采用图1所示的电极极片，其中，采用聚偏二氟乙烯作为粘结剂，乙炔黑作为导电剂，采用N-甲基吡咯烷酮作为有机溶剂，聚偏二氟乙烯、乙炔黑和N-甲基吡咯烷酮的质量比为1:1:8，混合，搅拌，形成胶体，胶体涂覆于铝箔表面经烘干形成导电粘结剂层，导电粘结剂层的厚度为6μm，导电粘结剂层的宽度为35mm，导电粘结剂层的电阻率为1Ω·cm，导电粘结剂层与铝箔之间的粘结力为150N/m。

实施例2

在实施例1的基础上改变集流体第一表面中第一区域的宽度，将导电粘结剂层的宽度从35mm调整到45mm，两个第二区域的宽度则分别相应减小5mm。其它制作规格与实施例1保持一致。

实施例3

在实施例1的基础上改变导电粘结剂层的厚度，将导电粘结剂层的厚度从6μm增加到9μm。其它制作规格与实施例1保持一致。

实施例4

阴极极片中，铝箔采用定宽80mm，厚度为60μm，阴极极片采用图1所示的电极极片。与实施例1不同的是，聚偏二氟乙烯、乙炔黑和N-甲基吡咯烷酮的质量比为2:1:7，导电粘结剂层的电阻率为2Ω·cm，导电粘结剂层与铝箔之间的粘结力为200N/m。其它制作规格与实施例1保持一致。

对比例1

在铝箔上直接涂布活性物质材料层。其它制作规格与实施例1保持一致。

测试部分

将阴极极片、隔离膜、阳极极片按顺序放置，使隔离膜处于阴阳极中间起到隔离的作用，并卷绕得到裸电芯。将合格裸电芯通过极耳焊接在顶盖上，完成入壳，烘烤。再经过注液、封装等工序后得到锂离子电池。

锂离子电池的穿钉测试：

将锂离子电池在25℃下充满电并上两片钢夹具以固定，用直径为3mm的尖锐钢钉以80mm/s的速度沿锂离子电池的厚度方向穿透锂离子电池，停留60min，观察是否冒烟或起火，并检测电池表面温度。结果参见表1。

锂离子电池的循环测试：

将锂离子电池在25℃以1C(150A)的电流进行充放电循环测试，记录其循环容量衰减到80％的循环次数。结果参见表1。

表1电池性能数据

实施例1的测试

对比例1中未设置导电粘结剂层，电池穿钉测试中发生起火并燃烧，无法通过穿钉测试；电芯内阻为1.25mΩ，电池循环次数为1000次。而在实施例1中，在铝箔上局部区域设置导电粘结剂层的阴极极片做出的电芯，可以通过穿钉测试，且穿钉后电芯表面温度为50℃～60℃，显著降低，说明电芯短路产热显著减少，电池安全性能显著提高。实施例1中，电芯内阻为0.85mΩ，相对于对比例1降低32％；电池循环次数为1500次，相对于对比例1提高50％。另外，与对比例1相比，实施例1中只是在铝箔和活性物质材料层之间涂上导电胶，没有增加工序难度及复杂度，后续生产容易实施。

实施例2的测试

在实施例2中得到的电芯可以通过穿钉测试，且与实施例1相比，增加导电粘结剂层的宽度，穿钉后电芯表面温度更低，为40℃～50℃。实施例2中，电芯内阻为0.98mΩ，相对于对比例1降低21.6％；电池循环次数为1300次，相对于对比例1提高了30％。但与实施例1相比，实施例2制作出的电芯内阻较大，电性能相应较差。

实施例3的测试

在实施例3中得到的电芯可以通过穿钉测试，且与实施例1相比，增加导电粘结剂层的厚度，穿钉后电芯表面温度更低，为40℃～50℃。实施例3中，电芯内阻为1.15mΩ，相对于对比例1降低8％；电池循环次数为1200次，相对于对比例1提高了20％。但与实施例1相比，实施例3制作出的电芯内阻较大，电性能相应较差。

实施例4的测试

在实施例4中得到的电芯可以通过穿钉测试，且与实施例1相比，增加导电粘结剂层的电阻率，穿钉后电芯表面温度更低，为30℃～40℃。实施例4中，电芯内阻为0.95mΩ，相对于对比例1降低24％；电池循环次数为1300次，相对于对比例1提高了30％。但与实施例1相比，实施例4制作出的电芯内阻较大，电性能相应较差。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电极极片，其特征在于，该电极极片包括：

集流体，包括相对的第一表面和第二表面；

导电粘结剂层，设置于所述第一表面和第二表面的至少一者上，所述导电粘结剂层的厚度为6μm～9μm，所述导电粘结剂层包含质量比为1:2～2:1的导电剂和粘结剂，以使所述导电粘结剂层电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm、与所述集流体的粘结力为150N/m～200N/m；

活性物质材料层，设置于所述导电粘结剂层上。

2.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述集流体的第一表面包括在第一方向上交替分布的第一区域和第二区域，在所述第一区域上设置所述导电粘结剂层，所述第二区域暴露所述集流体的第一表面，所述活性物质材料层覆盖所述导电粘结剂层及所述第二区域的第一表面。

3.根据权利要求2所述的电极极片，其特征在于，所述集流体的第一表面上，所述第一区域的面积占集流体第一表面总面积的40％～75％。

4.根据权利要求2所述的电极极片，其特征在于，所述电极极片具有预定的长度和宽度，所述第一方向为电极极片的宽度方向，所述第一区域和第二区域均为沿电极极片的长度方向延伸；

在所述第一方向上，集流体的第一表面中间位置为所述第一区域，该第一区域的两侧均分布有所述第二区域；或者，

在所述第一方向上，集流体的第一表面包括三个所述第一区域和两个所述第二区域相互交替分布。

5.根据权利要求4所述的电极极片，其特征在于，在所述第一方向上，所述第一区域的宽度之和为所述第二区域的宽度之和的78％～300％。

6.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述导电剂为乙炔黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丁苯橡胶中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述导电粘结剂层的厚度为6μm，所述导电粘结剂层包含质量比为2:1的导电剂和粘结剂，以使所述导电粘结剂层电阻率为2Ω·cm、与所述集流体的粘结力为200N/m。

8.一种电极极片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将质量比为1:2～2:1的导电剂和粘结剂混合，并溶解于有机溶剂中，经搅拌形成胶体；

将所述胶体涂覆于集流体的表面，烘干，在所述集流体的表面形成导电粘结剂层，其中，所述导电粘结剂层的厚度为6μm～9μm，电阻率为1Ω·cm～3Ω·cm，所述导电粘结剂层与所述集流体的粘结力为150N/m～200N/m；

将活性物质材料涂覆在导电粘结剂层上，烘干，形成活性物质材料层。

9.根据权利要求8所述的电极极片的制备方法，其特征在于，所述导电剂为乙炔黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；所述粘结剂为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丁苯橡胶中的一种或多种；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括：阴极极片、阳极极片、隔离膜及电解液，其中所述阴极极片和/或阳极极片是如权利要求1至7任意一项所述的电极极片。