CN109841796B - 电极制备方法及电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电极制备方法及电池，电池正极由活性物质、导电剂和粘结剂制成电极膜粘附于集流体制成，提高了极片面密度，提升电极容量和极片稳定性，降低内阻。电极膜制备过程中粘结剂片晶拉伸取向粘附活性物质和导电剂，降低锂嵌入和脱出引起的活性物质的膨胀和收缩对极片的影响。电池负极由预锂化活性物质、粘结剂、导电剂制成浆料涂敷于集流体制成，负极活性物质和导电剂在粘结剂溶液中快速润湿、超细分散、均质，减少了浆料分散的溶剂用量，降低干燥能耗，缩短电极制程时间，提高了负极活性物质负载量。电池正极和负极可一体化设计，提高了电池的能量存储。本发明的电极制备方法简单，借助现有设备完成生产制造，易于推广。

Description

电极制备方法及电池

技术领域

本发明属于能源技术领域，具体的说是一种电极制备方法及电池。

背景技术

电极是动力电池存储能量的核心组成部分，也是电池成本占比最大的组件。电极主要包括活性物质、导电剂、粘结剂及集流体，现有电池电极制备方法是将活性物质、导电剂和粘结剂在溶剂中均匀分散后，涂敷在集流体上。制成的极片与隔膜一起通过卷绕或叠片方式制成芯体，入壳，注液，化成得到电池。现有的电池电极制造过程中溶剂用量大，耗能干燥去除溶剂，制程时间长能。

发明内容

本发明提供了一种根据正极和负极的特性，提高了电极活性物质负载量，提高了电池性能的电极制备方法及电池，解决现有电池电极制备方法的不足。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种电极制备方法，该制备方法包括正极的制备方法和负极的制备方法，其中所述的正极的制备方法为：由活性物质、导电剂和正极粘结剂制成电极膜粘附于集流体制成；所述的负极的制备方法为；由预锂化活性物质、负极粘结剂、导电剂制成浆料涂敷于集流体制成。

所述的正极的制备方法具体为：活性物质、导电剂和粘结剂分散均匀形成混合物，分别控制混合物的环境温度为-30℃～40℃和60℃～110℃，在机械力作用下，控制混合物状态为絮状、软块团、片层膜，控制混合物的环境温度120℃～280℃，在机械力作用下制成电极膜，电极膜通过导电胶粘附于集流体上，辊压制成正极。

所述的负极的制备方法具体为：预锂化活性物质固相与导电剂固相混合均匀形成混合物，控制混合物的环境温度为25℃～30℃，在机械力作用下，分三阶段加入粘结剂溶液，控制混合物的三个状态分别为微球颗粒、块团、半流体和/或粘弹性流体；加入溶剂，在机械力作用下，获得均匀分散的电极浆料，涂敷于集流体，辊压制成负极；所述的三阶段加入粘结剂溶液，采用去离子水作为溶剂制成粘结剂溶液时，第一阶段加入量不超过总体积的30％，采用有机溶剂N-甲基吡咯烷酮作为溶剂制成粘结剂溶液时，第一阶段加入量不超过总体积的50％。

所述的正极粘结剂为聚全氟乙丙烯、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟氯乙烯共聚物中的一种或几种。

所述的负极粘结剂为聚芳砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚乙烯醇中的一种或几种。

所述的预锂化活性物质为石墨、中间相炭微球、石墨烯、钛酸锂及硅中的一种或几种负极活性物质在液相流动装置中预嵌锂。

所述的正极活性物质为磷酸铁锂或锰酸锂或镍钴锰锂或钴酸锂或硅酸锰锂中的一种或几种。

所述的集流体为金属箔、金属层、多孔金属箔、泡沫金属、石墨板、石墨烯层、碳纳米管层中的一种或几种。

按照所述的电极制备方法得到的电池。

一种电池，按照所述的电极制备方法得到的正极、负极与隔膜卷绕或层叠制成芯体，注液，化成，得到电池。

本发明的有益效果为：

1、活性物质、导电剂和粘结剂无溶剂制成电极膜粘附于集流体制成的电池正极，提高了极片面密度，提升电极容量。增加了电极活性物质与导电剂之间的电子接触，提高极片结构稳定性，降低内阻。无溶剂制备过程中粘结剂片晶拉伸取向粘附活性物质和导电剂，降低锂嵌入和脱出引起的活性物质的膨胀和收缩对极片的影响，消除溶剂与正极活性物质的副反应。

2、预锂化活性物质、粘结剂、导电剂制成浆料涂敷于集流体制成的电池负极，负极活性物质和导电剂固相在粘结剂溶液中快速润湿、超细分散、均质，减少了浆料分散的溶剂用量，降低干燥能耗，缩短电极制程时间，提高了负极活性物质负载量。预锂化提高了电池工作电压范围。

3、本发明的电极制备可利用现有的树脂加工、电池制造以及原料处理等设备，避免了开发专有工装设备，易于工业化生产制造，推广应用。

附图说明

图1本发明实施例的电池正极制备流程示意图。

图2本发明实施例的电池正极电极片层膜图。

图3本发明实施例的电池负极制备流程示意图。

图4本发明实施例的电池负极微球颗粒状态图。

图5本发明实施例的正极和负极一体结构示意图。

图6本发明实施例的固态电池结构示意图。

图7本发明实施例的负极活性物质石墨预锂化电压曲线。

具体实施方式

现有电池电极制备方法是将活性物质、导电剂和粘结剂在溶剂中均匀分散后，涂敷在集流体上。制成的极片与隔膜一起通过卷绕或叠片方式制成芯体，入壳，注液，化成得到电池。根据所用粘结剂的不同，常用溶剂有去离子水和N-甲基吡咯烷酮。粘结剂溶于溶剂制成胶液，加入导电剂和活性物质搅拌分散。最新的技术是将导电剂和活性物质预先混合，分次加入胶液，再以大量溶剂稀释分散，制程时间长，溶剂用量大，干燥能耗高。

本发明提供电极制备方法及电池，所述的电池正极由活性物质、导电剂和粘结剂无溶剂制成电极膜粘附于集流体制成。活性物质、导电剂和粘结剂等分散均匀形成混合物，分别控制混合物的环境温度为-30℃～40℃和60℃～110℃，在机械力作用下，控制混合物状态为絮状、软块团、片层膜，控制混合物的环境温度120℃～280℃，在机械力作用下制成电极膜，电极膜通过导电胶粘附于集流体上，辊压制成正极。

所述的电池负极由预锂化活性物质、粘结剂、导电剂制成浆料涂敷于集流体制成。预锂化活性物质与导电剂固相混合均匀形成混合物，控制混合物的环境温度为25℃～30℃，在机械力作用下，分三阶段加入粘结剂溶液，控制混合物的三个状态分别为微球颗粒、块团、半流体和/或粘弹性流体；加入溶剂，在机械力作用下，获得均匀分散的电极浆料，涂敷于集流体，辊压制成负极，涂敷于集流体，辊压制成负极。

所述的正极、负极与隔膜卷绕或层叠制成芯体，注液，化成，得到电池。所述的电极制备方法可用于燃料电池。

实施例一

本实施例中，正极活性物质镍钴锰锂、聚全氟乙丙烯和碳纳米管，置于双螺杆捏合机中，在-30℃条件下分散30min，得到絮状混合物，混合物加入到单螺杆挤出机，经过温度为60℃、80℃、90℃和100℃的四段温控区，从模口挤出软块团，软块团经100℃模压得到片状膜，片状膜经110℃辊压制成连续膜，连续膜经导电胶粘附于铝箔，120℃辊压制成正极。制造过程无N-甲基吡咯烷酮，较现有电池正极制备方法N-甲基吡咯烷酮用量降低100％。如图1所示。

本实施例中，负极活性物质预锂化中间相炭微球、石墨置于搅拌机中，在温度为25℃条件下分散30min，得到负极活性物质与导电剂的混合物，加入总体积50％的聚芳砜溶液，在温度为25℃条件下分散1h，预锂化石墨和纳米碳纤维固相被聚芳砜溶液快速润湿，得到混合物微球颗粒，混合物微球颗粒加入总体积30％的聚芳砜溶液，在温度为25℃条件下分散15min，得到混合物块团，混合物块团加入总体积20％的粘结剂聚芳砜溶液，在温度为25℃条件下超细分散30min，得到混合物半流体，混合物半流体加入N-甲基吡咯烷酮，在温度为25℃条件下均质分散1h，得到电极混合物浆料，涂敷在铜箔上，干燥，辊压，得到负极。如图3所示。

所述的分三阶段加入粘结剂溶液，采用去离子水作为溶剂制成粘结剂溶液时，第一阶段加入量不超过总体积的30％，采用有机溶剂N-甲基吡咯烷酮作为溶剂制成粘结剂溶液时，第一阶段加入量不超过总体积的50％。

所述的导电胶粘附于集流体，辊压制成正极并不是对电极膜粘附集流体的方法的限制，而是表示至少存在一种提及到的可实现本发明的方法。该方法也适用于负极，优选用于正极。

实施例二

本实施例中，正极活性物质钴酸锂、偏氟乙烯三氟氯乙烯共聚物和石墨烯，置于密炼机中，在13℃条件下分散1h，得到絮状混合物，在40℃条件下分散2h，得到软块团，软块团经105℃模压得到片状膜，片状膜经105℃辊压制成连续膜，连续膜经导电胶粘附于铝箔，110℃辊压制成正极。制造过程无N-甲基吡咯烷酮，较现有电池正极制备方法N-甲基吡咯烷酮用量降低100％。如图2所示。

本实施例中，负极活性物质预锂化石墨、纳米碳纤维置于双螺杆捏合机中，在温度为25℃条件下分散30min，加入30％羧甲基纤维素溶液，在温度为25℃条件下分散15min，预锂化石墨和纳米碳纤维固相被羧甲基纤维素钠溶液快速润湿，得到混合物微球颗粒，混合物微球颗粒加入50％粘结剂羧甲基纤维素溶液，在温度为25℃条件下分散15min，得到混合物块团，混合物块团加入20％粘结剂羧甲基纤维素溶液，在温度为30℃条件下超细分散30min，得到混合物粘弹性流体，混合物粘弹性流体置于搅拌机中，加入去离子水均质分散2h，加入丁苯橡胶，低速搅拌30min，得到电极混合物浆料，涂敷在集流体上，干燥，辊压，得到负极。如图4所示。

实施例三

本实施例中，正极活性物质磷酸铁锂、乙烯-四氟乙烯共聚物和石墨，置于分级机中，在25℃条件下气流冲击分散30min，得到絮状混合物，絮状混合物置于密炼机，在40℃条件下分散2h，得到软块团，软块团经110℃辊压得到片状膜，片状膜经150℃辊压制成连续膜，连续膜经导电胶粘附于铝箔，280℃辊压制成正极。制造过程无N-甲基吡咯烷酮，较现有电池正极制备方法N-甲基吡咯烷酮用量降低100％。

实施例四

本实施例中，电池正极活性物质锰酸锂、石墨和四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物制成的膜，在膜的一面磁控溅射铝金属层作为集流体。

实施例五

本实施例中，电池正极活性物质磷酸铁锂、石墨和四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物制成的膜，在膜的一面气相生长石墨烯层作为集流体。

实施例六

本实施例中，电池正极活性物质镍钴锰锂、碳纳米管和聚全氟乙丙烯制成的膜，粘附于钛集流体未涂敷负极电极浆料的另一面，负极浆料由活性物质预锂化硅、导电剂石墨和粘结剂聚酰亚胺制成，正极和负极在同一集流体的两面。如图5所示。

所述的涂敷于集流体，辊压制成电极并不是对负极制备方法的限制，而是表示至少存在一种提及到的可实现本发明的方法。该方法也适用于正极，优选用于负极。

实施例七

本实施中，负极活性物质预锂化钛酸锂、石墨烯和聚偏氟乙烯制成的电极浆料喷涂于铜集流体，干燥，辊压制成负极。

实施例八

本实施例中，负极活性物质预锂化石墨、碳纳米管和聚乙烯醇和丁苯橡胶制成的电极浆料喷涂于铜集流体，干燥，辊压制成负极。

所述的正极、负极与隔膜卷绕或层叠制成芯体并不是对电池结构和制备方法的限制，而是表示至少存在一种提及到的可实现本发明的方法。

实施例九

本实施例中，正极活性物质钴酸锂、碳纳米管和聚全氟乙丙烯制成的膜粘附于铝箔制成正极，负极活性物质预锂化石墨、碳纳米管和聚乙烯醇和丁苯橡胶制成的电极浆料涂敷铜箔制成负极，正极、隔膜和负极卷绕，装入方壳，注液，化成，得到电池。

实施例十

本实施例中，正极活性物质镍钴锰锂、碳纳米管和聚全氟乙丙烯制成的膜粘附于铝箔制成正极，负极活性物质预锂化石墨、碳纳米管和聚乙烯醇和丁苯橡胶制成的电极浆料涂敷铜箔制成负极，与聚环氧乙烷锂盐制成的凝胶态电解质卷绕制成电池，所述的聚环氧乙烷锂盐凝胶态电解质起到隔膜和电解液作用。

实施例十一

本实施例中，正极活性物质镍钴锰锂、碳纳米管和聚全氟乙丙烯制成的膜粘附于铝箔制成正极，负极活性物质预锂化石墨、碳纳米管和聚乙烯醇和丁苯橡胶制成的电极浆料涂敷铜箔制成负极，与聚环氧乙烷锂盐制成的凝胶态电解质卷绕制成电池，所述的聚环氧乙烷锂盐凝胶态电解质起到隔膜和电解液作用。

实施例十二

本实施例中，负极活性物质预锂化石墨、碳纳米管和聚酰亚胺制成的电极浆料涂敷于固态电解质锂磷氧氮膜的一面，正极活性物质镍钴锰锂、碳纳米管和聚全氟乙丙烯制成的膜粘附于固态电解质锂磷氧氮膜的另一面，干燥得到负极/固态电解质/正极的单电芯。在单电芯上，与涂敷于固态电解质相对应的负极的另一面，喷涂铜金属层，在铜金属层上粘附正极，正极的另一面再粘附固态电解质；同样的，在单电芯上，与粘附于固态电解质相对应的正极的另一面，喷涂铝金属层，在铝金属层上涂敷负极，负极的另一面再粘附固态电解质，依次叠加制成电池。如图6所示。

所述的预锂化为石墨、中间相炭微球、石墨烯、钛酸锂及硅中的一种或几种负极活性物质在液相流动装置中预嵌锂；预锂化活性物质制成的负极处于锂的负电位，电池工作电压提高。如图7所示。

Claims (9)

1.一种电极制备方法，其特征在于，该制备方法包括正极的制备方法和负极的制备方法，其中所述的正极的制备方法为：由活性物质、导电剂和正极粘结剂制成电极膜粘附于集流体制成；所述的负极的制备方法为；由预锂化活性物质、负极粘结剂、导电剂制成浆料涂敷于集流体制成；所述的正极的制备方法具体为：活性物质、导电剂和粘结剂分散均匀形成混合物，分别控制混合物的环境温度为-30℃～40℃和60℃～110℃，在机械力作用下，控制混合物状态为絮状、软块团、片层膜，控制混合物的环境温度120℃～280℃，在机械力作用下制成电极膜，电极膜通过导电胶粘附于集流体上，辊压制成正极。

2.根据权利要求1所述的一种电极制备方法，其特征在于，所述的负极的制备方法具体为：预锂化活性物质固相与导电剂固相混合均匀形成混合物，控制混合物的环境温度为25℃～30℃，在机械力作用下，分三阶段加入粘结剂溶液，控制混合物的三个状态分别为微球颗粒、块团、半流体和/或粘弹性流体；加入溶剂，在机械力作用下，获得均匀分散的电极浆料，涂敷于集流体，辊压制成负极；所述的三阶段加入粘结剂溶液，采用去离子水作为溶剂制成粘结剂溶液时，第一阶段加入量不超过总体积的30％，采用有机溶剂N-甲基吡咯烷酮作为溶剂制成粘结剂溶液时，第一阶段加入量不超过总体积的50％。

3.根据权利要求1所述的一种电极制备方法，其特征在于，所述的正极粘结剂为聚全氟乙丙烯、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟氯乙烯共聚物中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种电极制备方法，其特征在于，所述的负极粘结剂为聚芳砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚乙烯醇中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种电极制备方法，其特征在于，所述的预锂化活性物质为石墨、中间相炭微球、石墨烯、钛酸锂及硅中的一种或几种负极活性物质在液相流动装置中预嵌锂。

6.根据权利要求1所述的一种电极制备方法，其特征在于，所述的正极活性物质为磷酸铁锂或锰酸锂或镍钴锰锂或钴酸锂或硅酸锰锂中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的一种电极制备方法，其特征在于，所述的集流体为金属箔、金属层、多孔金属箔、泡沫金属、石墨板、石墨烯层、碳纳米管层中的一种或几种。

8.按照权利要求1—7任一项所述的方法制备得到的电池。

9.一种电池，其特征在于，以按照权利要求1—7任一项所述的方法制备得到的正极、负极与隔膜卷绕或层叠制成芯体，注液，化成，得到电池。

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