CN109817884A - 电池正极片及其制作方法和锂离子电池 - Google Patents

电池正极片及其制作方法和锂离子电池 Download PDF

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欧瑞先
李亮
黄国文
韦丽娟
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Abstract

本发明公开了一种电池正极片及其制作方法和锂离子电池，其中所述电池正极片包括正极金属基片，所述正极金属基片上涂覆有正极涂层，所述正极涂层的组分包括正极活性材料、正极粘结剂、正极导电剂，所述正极活性材料包括镍钴铝酸锂颗粒，所述镍钴铝酸锂颗粒的中位粒径为8±2μm。本发明提供的电池正极片使得电池充电时，锂离子脱嵌距离短，从而实现快速充电，且正极活性材料体积变化小，材料受到的应力小，材料颗粒的结构更加稳定，有利于提高电池的循环寿命。

Description

电池正极片及其制作方法和锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种电池正极片及其制作方法和锂离子电池。
背景技术
目前，在国家政策的鼓励下，我国新能源汽车行业蓬勃发展。然而，新能源汽车充电时间太长，成为制约其普及的最大障碍之一。因此，如何缩短汽车充电时间、实现快速充电，成为目前锂电行业研究的热门主题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池，旨在实现缩短锂离子电池充电时间、实现快速充电。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种电池正极片，包括正极金属基片，所述正极金属基片上涂覆有正极涂层，所述正极涂层的组分包括正极活性材料、正极粘结剂、正极导电剂，所述正极活性材料包括镍钴铝酸锂颗粒，所述镍钴铝酸锂颗粒的中位粒径为8±2μm。
进一步地，所述镍钴铝酸锂颗粒的比表面积为1.5-1.9m2/g；且/或，
所述镍钴铝酸锂颗粒的振实密度为2.1-2.8g/cm3；且/或，
所述镍钴铝酸锂颗粒的克容量为196-206mAh/g；且/或，
所述正极导电剂包括碳纳米管，所述碳纳米管的比表面积为180-250m2/g。
进一步地，所述正极金属基片的厚度为12±2μm；且/或，所述电池正极片的厚度为107±2μm。
进一步地，所述正极活性材料还包括掺杂在所述镍钴铝酸锂颗粒中的掺杂金属元素，所述掺杂金属元素为Al、Zr、Mg、Zn中的至少一种；和/或，所述正极活性材料还包括包覆在所述镍钴铝酸锂颗粒表面的金属氧化物，所述金属氧化物为Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO中的至少一种。
进一步地，所述正极涂层包括如下重量份数的组分：所述正极活性材料90-99％；正极粘结剂0.3％-10％；正极导电剂0.3％-10％。
进一步地，所述正极涂层包括如下重量份数的组分：所述正极活性材料97％；所述正极导电剂1.5％；所述正极导电剂1.5％。
本发明还提供如上所述的电池正极片的制作方法，所述电极正极片的制作方法包括如下步骤：
正极浆料制作步骤，将所述正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂加入氮-甲基吡咯烷酮溶剂中，制成正极浆料；
正极浆料涂覆步骤，将所述正极浆料涂覆于所述正极金属基片上，制得正极涂覆中间产品；
正极浆料干燥固化步骤，将所述正极涂覆中间产品放置于温度为120℃-140℃的环境中进行干燥固化，以将所述正极浆料干燥固化为所述正极涂层，制得正极固化中间产品；
正极片加工步骤，将所述正极固化中间产品进行辊压、裁剪加工，制得正极片半成品；
正极耳焊接步骤，将正极耳焊接于所述正极片半成品上，制得所述电池正极片。
进一步地，在所述正极浆料制作步骤前，所述电池正极片的制作方法还包括正极活性材料改性步骤，所述正极活性材料改性步骤为：
将Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO中的至少一种与所述镍钴铝酸锂颗粒混合并烧结，得到改性后的掺杂有Al、Zr、Mg、Zn中的至少一种的所述镍钴铝酸锂颗粒。
进一步地，在所述正极浆料制作步骤前，所述电池正极片的制作方法还包括正极活性材料改性步骤，所述正极活性材料改性步骤为：将Al(NO3)3、Zr(NO3)2、Mg(NO3)2、Zn(NO3)2中的一种或多种溶解于水中得到第一溶液，同时搅拌所述第一溶液并往所述第一溶液中加入所述镍钴铝酸锂颗粒得到第二溶液，对所述第二溶液进行抽滤得到脱水混合物，再对所述脱水混合物进行烧结，得到包覆有Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO中的至少一种的所述镍钴酸锂颗粒；且/或，
所述正极浆料制作步骤中，所述正极浆料的固含量为65％-75％。
本发明还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括电池外壳、电极负极片、第一隔膜、第二隔膜、电解液和如上所述的电池正极片，所述电极负极片、第一隔膜、第二隔膜、和所述电池正极片都浸于所述电解液内，所述电池负极片位于所述电池正极片和所述电池外壳之间，所述第一隔膜设于所述电极正极片与所述电池负极片之间，所述第二隔膜设于所述电池外壳和所述电池负极片之间；所述电池正极片包括正极金属基片，所述正极金属基片上涂覆有正极涂层，所述正极涂层的组分包括正极活性材料、正极粘结剂、正极导电剂，所述正极活性材料包括镍钴铝酸锂颗粒，所述镍钴铝酸锂颗粒的中位粒径为8±2μm。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：正极活性材料中镍钴铝酸锂颗粒的中位粒径为8±2μm，使得电池充电时，锂离子脱嵌距离短，从而实现快速充电，且正极活性材料体积变化小，材料受到的应力小，材料颗粒的结构更加稳定，有利于提高电池的循环寿命。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的锂离子电池的外部结构示意图；
图2为图1中锂离子电池的内部结构示意图；
图3为图1中电池正极片去除正极耳的主视图；
图4为图3中电池正极片的俯视图；
图5为图3中电池正极片焊接有正极耳的主视图；
图6为图5中电池正极片的俯视图。
图中：
1、电池正极片；11、正极金属基片；12、正极涂层；121、顶部涂覆层；122、底部涂覆层；13、正极耳；2、电池外壳；21、镀镍钢壳；22、盖帽；3、电池负极片；4、第一隔膜；5、第二隔膜；31、负极耳。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种电池正极片1，包括正极金属基片，所述正极金属基片上涂覆有正极涂层，所述正极涂层的组分包括正极活性材料、正极粘结剂、正极导电剂，所述正极活性材料包括镍钴铝酸锂颗粒，所述镍钴铝酸锂颗粒的中位粒径为8±2μm。
镍钴铝酸锂颗粒的粒径较小，如此，使得其比表面积大，充电时，锂离子从镍钴铝酸锂颗粒脱离时间短，使得锂离子从正极电极片到达负极电极片的时间短，使得由本发明所提供的电池正极片1制成的锂离子电池快速充电能力强，镍钴铝酸锂颗粒的中粒粒径优选为8μm。
优选地，所述镍钴铝酸锂颗粒的比表面积为1.5-1.9m2/g；所述镍钴铝酸锂颗粒的振实密度为2.1-2.8g/cm3；所述镍钴铝酸锂颗粒的克容量为196-206mAh/g；所述正极导电剂包括碳纳米管，所述碳纳米管的比表面积为180-250m2/g。
镍钴铝酸锂颗粒的粒径越小、比表面积越大，锂离子从镍钴铝酸锂颗粒脱离时间越短，进一步使得由本发明提供的电池正极片1制成的锂离子电池快速充电能力强。镍钴铝酸锂颗粒的振实密度越高，达到同样的放电容量，电池正极片1的体积越小，本发明所提供的镍钴铝酸锂颗粒的振实密度较高，使得同样体积的锂离子电池能提供更大的放电容量，且能实现锂离子电池的轻量化。正极活性材料的克容量越大，相同质量的正极活性材料所能释放的电容量越大，本发明所提供的镍钴铝酸锂颗粒的克容量较大，其相对能释放的电容量较大，电池能量密度更高。碳纳米管具有优异的导电性能，且其比表面积较大，使得相同含量的包含碳纳米管的正极导电剂导电能力更强，进一步使得由本发明所提供的电池正极片1实现快速充电。
优选地，所述正极金属基片的厚度为12±2μm；且/或，所述电池正极片1的厚度为107±2μm。通过对正极金属基片的导电能力、产热/散热能力、抗拉强度、电池轻量化等方面综合考量，正极金属片的厚度优选为12μm；同理对电池正极片1的导电能力、快速充电能力、电极极化强度、材料压实密度、电池能量密度等方面进行综合考量，电池正极片1的厚度优选为107μm。
优选地，所述正极活性材料还包括掺杂在镍钴铝酸锂颗粒中的掺杂金属元素，所述掺杂金属元素为Al、Zr、Mg、Zn中的至少一种。制作正极活性材料时，将Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO中的至少一种与正极活性材料烧结，掺杂Al、Zr、Mg、Zn中的至少一种离子进入正极活性材料的晶体结构中，参与形成稳定的晶体结构，降低晶体中的阳离子混排程度，晶体结构更加稳定，避免在快速充电(脱锂)过程时发生正极活性材料晶体结构坍塌，正极活性材料电导率得到提高，进而提高了电池的快速充电性能，也提高了电池的循环寿命。同时，还通过使用Al(NO3)3、Zr(NO3)2、Mg(NO3)2和Zn(NO3)2中的至少一种，对正极活性材料进行包覆，使正极活性材料颗粒表面形成一层致密的氧化物(Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO)薄膜，此薄膜提高了正极活性材料的表面活性，促进正极SEI膜的形成，同时又保护了正极活性材料不被电解液侵蚀而引起的金属离子溶解。
优选地，所述正极涂层包括如下重量份数的组分：所述正极活性材料90-99％；正极粘结剂0.3％-10％；正极导电剂0.3％-10％。适量的正极导电剂有利于锂离子的传导，从而有利于提高电池正极片1的导电性能和循环寿命。正极活性材料含量太少，不能达到理想的电容量，正极导电剂含量太少，不能使正极活性材料释放的锂离子导入电解液中，正极粘结剂的含量太少，不能使正极活性材料和正极导电剂接触良好，而影响锂离子的释放和传导。
优选地，所述正极涂层包括如下重量份数的组分：所述正极活性材料97％；所述正极导电剂1.5％；所述正极导电剂1.5％。
本发明还提供如上所述的电池正极片1的制作方法，包括如下步骤：正极浆料制作步骤，将所述正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂加入氮-甲基吡咯烷酮溶剂中，制成正极浆料；
正极浆料涂覆步骤，将所述正极浆料涂覆于所述正极金属基片上，制得正极涂覆中间产品；
正极浆料干燥固化步骤，将所述正极涂覆中间产品放置于温度为120℃-140℃的环境中进行干燥固化，以将所述正极浆料干燥固化为所述正极涂层，制得正极固化中间产品；
正极片加工步骤，将所述正极固化中间产品进行辊压、裁剪加工，制得正极片半成品；
正极耳13焊接步骤，将正极耳13焊接于所述正极片半成品上，制得所述电池正极片1。
氮-甲基吡咯烷酮溶剂溶解度大、粘度低、挥发性低、稳定性好，可以使正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂更好地溶解，且不易发生化学反应，将正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂溶解、搅拌后制得稳定的浆料从而有利于将三者均匀地涂覆于正极金属基片上，将正极涂覆中间产品放于120℃-140℃进行干燥将其中溶剂蒸发，从而使得正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂固化且固定于正极金属基片上成为正极涂层，对制成的正极固化中间产品进行辊压使正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂之间更紧密，避免在制成成品后松散而产生次品，且使得由本发明所提供的电池正极片1的体积更小、导电能力更强。
优选地，在所述正极浆料制作步骤前，所述电池正极片1的制作方法还包括正极活性材料改性步骤，所述正极活性材料改性步骤为：正极活性材料改性步骤，将Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO中的至少一种与所述镍钴铝酸锂颗粒混合并烧结，得到所述掺杂改性后的掺杂有Al、Zr、Mg、Zn中的至少一种的镍钴铝酸锂颗粒。
Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO以金属离子的形式进入正极活性材料的晶体结构中，参与形成稳定的晶体结构，降低晶体中的阳离子混排程度，晶体结构更加稳定，避免在快速充电(脱锂)过程时发生正极活性材料晶体结构坍塌，正极活性材料电导率得到提高，进而提高了电池的快速充电性能，也提高了电池的循环寿命。有效降低三者在循环过程中的界面电阻，从而提高电池的循环寿命。
在另一实施例中，所述正极活性材料改性步骤的实施步骤为：将Al(NO3)3、Zr(NO3)2、Mg(NO3)2、Zn(NO3)2中的至少一种溶解于水中得到第一溶液，同时搅拌所述第一溶液并往所述第一溶液中加入所述镍钴铝酸锂得到第二溶液，对所述第二溶液进行抽滤得到脱水混合物，再对所述脱水混合物进行烧结，得到包覆有Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO中的至少一种的所述镍钴酸锂颗粒；使正极活性材料颗粒表面形成一层致密的氧化物(Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO)薄膜，此薄膜提高了正极活性材料的表面活性，促进正极SEI膜的形成，同时又保护了正极活性材料不被电解液侵蚀而引起的金属离子溶解。
通过掺杂Al、Zr、Mg、Zn中的至少一种可对镍钴铝酸锂颗粒进行改性，在所述镍钴酸锂颗粒外包覆Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO中的至少一种也可对镍钴铝酸锂颗粒进行改性，可先通过掺杂对镍钴铝酸锂颗粒进行改性，再通过包覆对镍钴铝酸锂颗粒进行改性，也可择一对镍钴铝酸锂颗粒进行改性。
所述正极浆料制作步骤中，所述正极浆料的固含量为65％-75％。固含量太高，固态物质不能很好地混合均匀，浆料稳定性降低；固含量太低，干燥固化所需要的时间太长，正极浆料的固含量优选为70％。
请参照图1和图2，本发明还提供一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括电池外壳2、电极负极片、第一隔膜4、第二隔膜5、电解液和如上所述的电池正极片1，所述电极负极片、第一隔膜4、第二隔膜5、和所述电池正极片1都浸于所述电解液内，所述电池负极片3位于所述电池正极片1和所述电池外壳2之间，所述第一隔膜4设于所述电极正极片与所述电池负极片3之间，所述第二隔膜5设于所述电池外壳2和所述电池负极片3之间。
充电时，锂离子从电池正极片1脱出，进入电池正极片1周围的电解液中，再穿过第一隔膜4，进入电池负极片3周围的电解液中，再嵌入电池负极片3中，完成充电过程；放电时，过程相反，锂离子从电池负极片3脱出，进入电池负极片3周围的电解液中，再穿过第一隔膜4，进入电池正极片1周围的电解液中，再嵌入电池正极片1中，实现放电。电池外壳2、第二隔膜5、电池负极片3、第一隔膜4、电池正极片1由外到内依次层叠排列，均浸于电解液内。
优选地，制作时，将电池外壳2、第二隔膜5、电池负极片3、第一隔膜4、电池正极片1进行卷绕，制成圆柱状卷芯，电池外壳2包括镀镍钢壳21和盖帽22。将圆柱状卷芯装于镀镍钢壳21中，将负极耳31点焊于镀镍钢壳21的底部，再按设计参数进行辊槽；将正极耳13激光焊焊接在盖帽22的汇流片处，制成半成品电芯，再将电芯置于烤箱中，按照特定的烘烤工艺进行烘烤除水，再注入电解液，封口后即制成该锂离子电池。
优选地，请参照图2-图6，正极涂层12包括两个间隔涂覆于正极金属基片11之顶面的正极顶部涂覆层121和两个间隔涂覆于正极金属基片11之底面的正极底部涂覆层122，且两个正极顶部涂覆层121之间的间隙与两个正极底部涂覆层122之间的间隙呈上下正对位设置，正极耳13焊接于两个正极顶部涂覆层121的间隙内。
现提供该锂离子电池的测试方法，电池的额定容量为2400mAh，充放电限制电压为2.75V-4.2V，支持快速充电，最大充电电流12A。当以1.2A电流进行恒流恒压充电至4.2V，截止电流为24mA，搁置5分钟，再以0.48A电流进行放电至2.75V，电池的放电容量≥2400mAh。当以2.4A电流进行恒流恒压充电，可实现60分钟充电容量≥95％，当以7.2A电流进行恒流恒压充电，可实现25分钟充电容量≥95％；当以12A(5CA)电流进行恒流恒压充电，可实现15分钟充电容量≥95％。
当以4.8A电流进行恒流恒压充电至4.2V，终止电流24mA，搁置5分钟，再以2.4A的电流进行恒流放电至截止电压为2.75V，循环第1000周的容量≥首次容量的78％。当以4.8A的电流进行恒流恒压充电至4.2V，终止电流24mA，搁置5分钟，再以4.8A的电流进行恒流放电至截止电压为2.75V，循环第900周的容量≥首次容量的78％。当以7.2A的电流进行恒流恒压充电至4.2V，终止电流24mA，搁置5分钟，再以7.2A的电流进行恒流放电至截止电压为2.75V，循环第700周的容量≥首次容量的78％。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种电池正极片，其特征在于，包括：
正极金属基片，所述正极金属基片上涂覆有正极涂层，所述正极涂层的组分包括正极活性材料、正极粘结剂、正极导电剂，所述正极活性材料包括镍钴铝酸锂颗粒，所述镍钴铝酸锂颗粒的中位粒径为8±2μm。
2.如权利要求1所述的电池正极片，其特征在于，所述镍钴铝酸锂颗粒的比表面积为1.5-1.9m2/g；且/或，
所述镍钴铝酸锂颗粒的振实密度为2.1-2.8g/cm3；且/或，
所述镍钴铝酸锂颗粒的克容量为196-206mAh/g；且/或，
所述正极导电剂包括碳纳米管，所述碳纳米管的比表面积为180-250m2/g。
3.如权利要求1所述的电池正极片，其特征在于，所述正极金属基片的厚度为12±2μm；且/或，所述电池正极片的厚度为107±2μm。
4.如权利要求1所述的电池正极片，其特征在于，所述正极活性材料还包括掺杂在所述镍钴铝酸锂颗粒中的掺杂金属元素，所述掺杂金属元素为Al、Zr、Mg、Zn中的至少一种；和/或，所述正极活性材料还包括包覆在所述镍钴铝酸锂颗粒表面的金属氧化物，所述金属氧化物为Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO中的至少一种。
5.如权利要求1至4任一项所述的电极正极片，其特征在于，所述正极涂层包括如下重量份数的组分：所述正极活性材料90-99％；正极粘结剂0.3％-10％；正极导电剂0.3％-10％。
6.如权利要求5所述的电极正极片，其特征在于，所述正极涂层包括如下重量份数的组分：所述正极活性材料97％；所述正极导电剂1.5％；所述正极导电剂1.5％。
7.如权利要求1至6任一项所述的电池正极片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
正极浆料制作步骤，将所述正极活性材料、正极粘结剂和正极导电剂加入氮-甲基吡咯烷酮溶剂中，制成正极浆料；
正极浆料涂覆步骤，将所述正极浆料涂覆于所述正极金属基片上，制得正极涂覆中间产品；
正极浆料干燥固化步骤，将所述正极涂覆中间产品放置于温度为120℃-140℃的环境中进行干燥固化，以将所述正极浆料干燥固化为所述正极涂层，制得正极固化中间产品；
正极片加工步骤，将所述正极固化中间产品进行辊压、裁剪加工，制得正极片半成品；
正极耳焊接步骤，将正极耳焊接于所述正极片半成品上，制得所述电池正极片。
8.如权利要求7所述的电池正极片的加工方法，其特征在于，在所述正极浆料制作步骤前，所述电池正极片的制作方法还包括正极活性材料改性步骤，所述正极活性材料改性步骤为：
正极活性材料改性步骤，将Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO中的至少一种与所述镍钴铝酸锂颗粒混合并烧结、粉碎，得到改性后的掺杂有Al、Zr、Mg、Zn中的至少一种的所述镍钴铝酸锂颗粒。
9.如权利要求7所述的电池正极片的加工方法，其特征在于，在所述正极浆料制作步骤前，所述电池正极片的制作方法还包括正极活性材料改性步骤，所述正极活性材料改性步骤为：将Al(NO3)3、Zr(NO3)2、Mg(NO3)2、Zn(NO3)2中的一种或多种溶解于水中得到第一溶液，同时搅拌所述第一溶液并往所述第一溶液中加入所述镍钴铝酸锂颗粒得到第二溶液，对所述第二溶液进行抽滤得到脱水混合物，再对所述脱水混合物进行烧结，得到包覆有Al2O3、ZrO2、MgO、ZnO中的至少一种的所述镍钴酸锂颗粒；且/或，
所述正极浆料制作步骤中，所述正极浆料的固含量为65％-75％。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括电池外壳、电极负极片、第一隔膜、第二隔膜、电解液和如权利要求1-6中任何一项所述的电池正极片，所述电极负极片、第一隔膜、第二隔膜、和所述电池正极片都浸于所述电解液内，所述电池负极片位于所述电池正极片和所述电池外壳之间，所述第一隔膜设于所述电极正极片与所述电池负极片之间，所述第二隔膜设于所述电池外壳和所述电池负极片之间。
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