CN110212158A - 一种具有浓度梯度的正极极片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有浓度梯度的正极极片及其制备方法，是将活性物质、导电剂、粘结剂按照不同的比例制备成浆料1和浆料2，再采用分步涂布的方法在铝箔上分别涂布浆料1、浆料2和浆料1，制备成具有浓度梯度的正极极片，该极片上活性物质大都集中在中间层，能够有效缓解电池在充放电过程中因体积膨胀收缩而造成微裂纹，在靠近集流体一侧和远离集流体一侧富含导电剂和粘结剂，有利于电荷快速传输，降低电荷转移阻抗，有效提升电芯的倍率性能和功率性能，还能在一定程度上能避免电解液与正极材料直接接触，从而改善电芯产气，提供电池的热稳定性和循环性能。

Description

一种具有浓度梯度的正极极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源动力电池及时领域，尤其涉及一种具有浓度梯度的正极极片及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、体积小，重量轻、循环寿命长等优点被广泛应用于便携式电子设备及新能源电动汽车电池领域，在锂电池体系中，三元材料凭借高能量密度、低成本、平台电压高等优点成为正极材料的关注焦点，然而三元材料具有导电性差的缺点，从而导致其电荷转移阻抗大，且极片在真空干燥过程中粘结剂粒子呈不均匀分布，一般靠近集流体一侧的粘结剂较少，活性物质与集流体接触内阻大，导致其功率性能和倍率性能不佳，另外，在循环或存储过程中，三元正极材料与电解液发生副反应，产生气体从而引起电芯膨胀，生成的副产物覆盖在正极材料表面也会引起电芯的阻抗增大，从而造成电芯容量衰减，也影响了其功率性能和倍率性能。
为了解决上述问题，大多数是通过材料修饰、工艺优化来提高功率性能和倍率性能，如中国专利CN106848183A公开了一种改善锂离子电池三元正极材料倍率性能的方法，该方法是采用喷雾干燥技术将锂离子导体玻璃Li2O-2B2O3-mLi2SO4包覆在正极材料表面，改善三元材料在大倍率下的充放电性能。该方法引入的包覆材料会降低正极材料的克容量发挥，未改善集流体与活性物质接触内阻大的问题；再如中国专利CN106602076A公开了一种涂炭铝箔的制备方法以及应用，涂炭铝箔由铝箔以及铅铝箔至少一个表面向外依次设的SUPER P导电层、石墨烯导电层和混合导电层，可制备出高功率型动力电池，但是，该方法未解决三元材料与电解液副反应而导致性能恶化的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供的一种具有浓度梯度的正极极片，包括铝箔和活性物质、导电剂、粘结剂混合成的浆料，所述浆料包括浆料1和浆料2；所述铝箔分三次涂布依次涂覆浆料1的浆料2和浆料1，所述涂覆厚度分别为占总涂层厚度的0%~10%、50%~90%和0%~40%；
进一步的，所述浆料1中包含所述活性物质、导电剂、粘结剂的比例为a1:b/2: c/2，所述浆料2中包含所述活性物质、导电剂、粘结剂的比例为（a-a1）: b/2 :c/2，其中a1＜a/2；
进一步的，所述活性物质为三元材料LiNixCoyMnzO2或者LiNixCoyAlzO2,其中，x+y+z=1；
进一步的，所述导电剂为导电炭黑；
进一步的，所述粘结剂为聚偏氟乙烯（PVDF）。
本发明的又一目的是提供一种具有浓度梯度的正极极片的制备方法，其步骤为：
S1、将所述活性物质、导电剂、粘结剂按比例a1: b/2 :c/2搅拌均匀，制成浆料1，
将所述活性物质、导电剂、粘结剂按比例（a-a1）: b/2 :c/2搅拌均匀，制成浆料2；
S2、将所述浆料1和浆料2分别转移至存储罐中缓慢搅拌30~60min；
S3、将所述浆料1涂覆在所述铝箔表面，控制涂覆厚度占总涂层厚度的0%~10%，放置于真空干燥箱烘干；
S4、将所述浆料2涂覆在所述铝箔表面，控制涂覆厚度占总涂层厚度的50%~90%，放置于真空干燥箱烘干，
S5、将浆料1再次涂覆在所述铝箔表面，控制涂覆厚度占总涂层厚度的0~40%；放置于真空干燥箱烘干，制备出具有浓度梯度的正极极片；
进一步的，所述浆料1中的所述活性物质质量a1＜a/2；
进一步的，在S2中所述搅拌转速为350~500rmp;
进一步的，在S3中，所述涂布速度不大于10m/min；
进一步的，所述干燥箱的温度为90~135℃。
有益效果
1.本发明采用分步涂布的方法在铝箔上涂布不同质量比的活性物质、导电剂和粘结剂的混合浆料，从而制备出具有浓度梯度的正极极片，使活性物质大都集中在中间层，能够有效缓解电池在充放电过程中因体积膨胀收缩而造成微裂纹；
2．本发明分布涂布的方法可以使导电炭和粘结剂在空间分布上保持均匀，有效缓解真空干燥过程中粘结剂粒子随水分挥发而造成的不均匀分布从而导致正极材料剥离强度低的问题。
3，本发明的正极极片，在集流体一侧包括导电碳和粘结剂，有利于电荷快速传输，降低电荷转移阻抗，有效提升电芯的倍率性能和功率性能，靠近隔离膜一侧也包括导电炭和粘结剂的涂层在一定程度上能避免电解液与正极材料直接接触，从而改善电芯产气，提供电池的热稳定性和循环性能。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有浓度梯度的正极极片的制备方法的流程图
图2为本发明提供的一种具有浓度梯度的正极极片的结构示意图
其中图中各标记的含义为：1第一涂覆层，2第二涂覆层，3第三涂覆层。
具体实施方式
实施例1
为了使本发明的技术方案、有益效果更便于被理解，下面将结附图和具体实施例进行详细说明，如图1所示为制备流程图，图2为一种具有浓度梯度的正极极片的示意图，
1.取活性物质（NCM811）4kg、导电炭黑1kg、粘结剂（PVDF）1kg于搅拌罐中充分搅拌分散，制得浆料1，取活性物质（NCM811）14kg、导电炭黑1kg、粘结剂（PVDF）1kg于另一搅拌罐中充分搅拌分散，制得浆料2，
2.在相对湿度为1%的环境中，将浆料1和浆料2分别转移至存储罐中以350rmp的转速搅拌60min；
3.将浆料1涂布在所述铝箔上，控制涂布厚度占总涂层厚度的10%，控制涂布速度为6m/min，然后，放置真空干燥箱中，设置干燥箱温度为100℃，以6m/min的都是在真空干燥箱内移动，从真空干燥箱头至箱尾每单位面积涂覆区平均干燥40s，在真空干燥箱尾部收卷；
4.取浆料2涂布在上述真空干燥后的铝箔上，控制涂布厚度占总涂层厚度的70%，控制涂布速度为6m/min，然后，放置真空干燥箱中，设置干燥箱温度为100℃，以6m/min的都是在真空干燥箱内移动，从真空干燥箱头至箱尾每单位面积涂覆区平均干燥40s，在真空干燥箱尾部收卷；
5.再取浆料1涂布在上述铝箔上，控制涂布厚度占总涂层厚度的20%，控制涂布速度为6m/min，然后，放置真空干燥箱中，设置干燥箱温度为100℃，以6m/min的都是在真空干燥箱内移动，从真空干燥箱头至箱尾每单位面积涂覆区平均干燥40s，在真空干燥箱尾部收卷，制备得出具有浓度梯度的正极极片；
将实施例1所制得的正极极片经过辊压、分条、模切后，装配成软包电池，负极采用石墨，电解液为含有LiPF6（1mol/L）的EC/PC/DEC体系，测试其在室温下1C充放电循环1000圈容量保持率和循环DCR的增长（电压范围2.8~4.3V），在2C、3C下的放电性能，其测试结构如表1所示。
实施例2：
1、 取活性物质（NCM811）6kg、导电炭黑1kg、粘结剂（PVDF）1kg于搅拌罐中充分搅拌分散，制得浆料1，取活性物质（NCM811）12kg、导电炭黑1kg、粘结剂（PVDF）1kg于另一搅拌罐中充分搅拌分散，制得浆料2，
2、 按照实施例1相同的方法制备出具有浓度梯度的正极极片，
将所制得的正极极片经过辊压、分条、模切后，装配成软包电池，负极采用石墨，电解液为含有LiPF6（1mol/L）的EC/PC/DEC体系，测试其在室温下1C充放电循环1000圈容量保持率和循环DCR的增长（电压范围2.8~4.3V），在2C、3C下的放电性能，其测试结构如表1所示。
对比实施例1
1、 取活性物质（NCM811）16kg、导电炭黑2kg、粘结剂（PVDF）2kg于搅拌罐中进行充分搅拌制得浆料；
2、 在相对湿度为1%的环境中，将上述浆料转移至存储罐中以350rmp的转速搅拌60min；
3、 将上述浆料涂覆在铝箔上，控制涂布速度为6m/min，然后，放置真空干燥箱中，设置干燥箱温度为100℃，以6m/min的都是在真空干燥箱内移动，从真空干燥箱头至箱尾每单位面积涂覆区平均干燥40s，在真空干燥箱尾部收卷，制备得出具有浓度梯度的正极极片；
将对比例1所制得的浓度梯度正极极片经辊压、分条、模切后，装配成软包电池，负极采用石墨，电解液为含有LiPF6（1mol/L）的EC/PC/DEC体系，测试其在室温下1C充放电循环1000圈容量保持率和循环DCR的增长（电压范围2.8~4.3V），在2C、3C下的放电性能，其测试结构如表1所示;
类别 1C循环1000圈容量保持率(%) 1C循环1000圈DCR增长率(%) 2C/1C放电容量比率（%） 3C/1C放电容量比率（%）
实施例1 89.1% 29.0% 100.9% 101.2%
实施例2 91.0% 23.2% 101.8% 102.3%
对比例1 87.5% 45.1% 100.3% 100.8%
由表1可知，与对比例1中采用常规的涂布方法制备均匀分布的正极极片相比，本发明的实施例1和实施例2采用的分步涂布的方法制备出的具有浓度梯度的正极极片表现出了优异的倍率性能、功率性能和循环性能，对比实施例1和实施例2，实施例1正极极片的浓度梯度间隔要大于实施例2，其循环性能和倍率性能却比实施例2要差，说明极片的浓度梯度不能设计太大，可能是由于极片在充放电过程中由于体积膨胀收缩不一致反而会导致极片分层，影响其循环性能。
根据上述说明书的解释，相关领域的技术人员还可以对本发明实质审查范围内进行变更和修改，都应当落入本发明的保护范围内，此外，本说明书中使用了一些特定的术语，只是为了方便说明和描述，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种具有浓度梯度的正极极片，包括铝箔和活性物质、导电剂、粘结剂混合成的浆料，其特征在于，所述浆料包括浆料1和浆料2；所述铝箔分三次涂布依次涂覆浆料1的浆料2和浆料1，所述涂覆厚度分别为占总涂层厚度的0%~10%、50%~90%和0%~40%。
2.根据权利要求1所述的一种具有浓度梯度的正极极片，其特征在于，所述浆料1中包含所述活性物质、导电剂、粘结剂的比例为a1:b/2: c/2，所述浆料2中包含所述活性物质、导电剂、粘结剂的比例为（a-a1）: b/2 :c/2，其中a1＜a/2。
3.根据权利要求1所述的一种具有浓度梯度的正极极片，其特征在于，所述活性物质为三元材料LiNixCoyMnzO2或者LiNixCoyAlzO2,其中，x+y+z=1。
4.根据权利要求1所述的一种具有浓度梯度的正极极片，其特征在于，所述导电剂为导电炭黑。
5.根据权利要求1所述的一种具有浓度梯度的正极极片，其特征在于，所述粘结剂为聚偏氟乙烯（PVDF）。
6.一种具有浓度梯度的正极极片的制备方法，其特在于，制备步骤为：
S1、将所述活性物质、导电剂、粘结剂按比例a1: b/2 :c/2搅拌均匀，制成浆料1，
将所述活性物质、导电剂、粘结剂按比例（a-a1）: b/2 :c/2搅拌均匀，制成浆料2；
S2、将所述浆料1和浆料2分别转移至存储罐中缓慢搅拌30~60min；
S3、将所述浆料1涂覆在所述铝箔表面，控制涂覆厚度占总涂层厚度的0%~10%，放置于真空干燥箱烘干；
S4、将所述浆料2涂覆在所述铝箔表面，控制涂覆厚度占总涂层厚度的50%~90%，放置于真空干燥箱烘干，
S5、将浆料1再次涂覆在所述铝箔表面，控制涂覆厚度占总涂层厚度的0~40%；放置于真空干燥箱烘干，制备出具有浓度梯度的正极极片。
7.根据权利要求6所述的一种具有浓度梯度的正极极片，其特征在于，在S2中所述搅拌转速为350~500rmp。
8.根据权利要求6所述的一种具有浓度梯度的正极极片，其特征在于，在S3中，所述涂布速度不大于10m/min。
9.根据权利要求6所述的一种具有浓度梯度的正极极片，其特征在于，所述干燥箱的温度为90~135℃。
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