CN110364684B - 一种陶瓷涂层极片制备方法及在锂电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种陶瓷涂层极片制备方法及在锂电池中的应用，首先制作极片模板，之后制成的极片模板上涂覆陶瓷涂层，接着涂覆陶瓷涂层后烘干并焙烧，使得陶瓷层凝结，将凝结后的陶瓷层开一个装配口，并在高温条件下煅烧，使得极片模板蒸发或完全燃烧气化，得到中空的纯净陶瓷层，在得到的纯净陶瓷层中从装配口注入液体导电物质，或者熔融状态的固体导电物，最后在装配口插入极片头，使得装配口密封，本发明操作简单，生产成本低，无需沾结剂进行沾结，极片与涂层接触性好且不易脱落，可以制作固体或液体极片，制作出的极片导体和涂层均匀，不存在少涂漏涂的情况，产品合格率高。
Description
技术领域
本发明属锂离子电子生产设备领域，特别涉及一种陶瓷涂层极片制备方法及在锂电池中的应用。
背景技术
锂离子电池是近几年发展起来的一种新型储能电池，并以其循环寿命好、环境友好、价格合适等优点而受到市场的青睐，并广泛应用于通讯电子、电动汽车等领域。而安全性能又是影响其能否广泛应用推广的关键所在，为了提高电动汽车的续航里程，满足社会的切实需求，开发设计高能量密度的锂离子电池已成锂电行业的必然趋势。然而高能量的锂离子电池在滥用状态时(针刺、挤压、短路、过充等)，容易出现爆炸或起火等安全事故，因此锂离子电池的安全性设计将面临着更大的挑战，锂电池的制备越来越受到重视，而锂电池的极片的设置以及浆料涂布技术和设备是锂离子电池研制和生产的关键之一，如何提高锂离子电池的安全性是锂离子电池行业亟待解决的技术难题。引起锂离子电池安全隐患的主要问题是电池内部发生不可逆的电化学副反应，最终导致电池产生热失控。因此，在电池内部发生热失控之前，实现电池内部的自我保护，是实现电池安全性的重要保障，目前国内主要通过涂覆隔离层避免固体电解质与电解液的接触机率，提高其安全性能，但是其存在稳定性差、一致性难以控制及其成本高。已有技术中为了提高锂电池的比能量，通常采用复合涂层电极，但是一般复合涂层材料电极还存在黏附力小，在长期大倍率放电条件下电池容量衰减比较明显，电池倍率小，电极容易极化等问题，影响锂电池的循环寿命，并限制其广泛应用。在电池极片方面主要利用提高极片的耐高温物理性能，比如在极片表面涂覆三氧化二铝或陶瓷等。但是在极片表面涂覆陶瓷需要复杂工艺，成本较高，而且涂覆后极片与涂层间需要胶粘，效果不好且效率低下。使用过程中温度升高容易脱落，为了为满足市场对锂离子电池低成本、一致性好的要求，发明一种不增加成本的条件下，能够提高锂离子电池的安全性能及电化学性能的锂电池陶瓷涂层极片制备方法非常重要，有利于促进陶瓷涂层极片大规模生产和进一步改善锂电池性能。
发明内容
本发明提供了一种陶瓷涂层极片制备方法及在锂电池中的应用，以解决上述背景技术中出现的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种陶瓷涂层极片制备方法，包括以下步骤：
S1用燃烧后无固体残留的可燃物或低沸点物质制作极片模板，
S2在制成的极片模板上涂覆陶瓷涂层，
S3涂覆陶瓷涂层后烘干并焙烧，使得陶瓷层凝结，
S4将凝结后的陶瓷层开一个装配口，并在高温条件下煅烧，使得极片模板蒸发或完全燃烧气化，得到中空的纯净陶瓷层，
S5在得到的纯净陶瓷层中从装配口注入液体导电物质，或者熔融状态的固体导电物，
S6在装配口插入极片头，使得装配口密封。极片头和注入的导电物质完全接触或凝结在一起，陶瓷涂层极片制备完成。操作简单，生产成本低，无需沾结剂进行沾结，极片与涂层接触性好且不易脱落，可以制作固体或液体极片，制作出的极片导体和涂层均匀，不存在少涂漏涂的情况，产品合格率高。
进一步，所述步骤S2中在极片模板上首先涂布一层釉质层，之后涂覆陶瓷涂层，然后在陶瓷涂层上再涂覆一层釉质层。保护集流体降低电解液对其表面的腐蚀，提高锂离子电池的循环寿命，同时又可以增大固体电解质与陶瓷层之间的粘附力，提高其倍率性能。
进一步，所述步骤S6之后再继续涂布一层粘合层，在粘合层上涂覆一层固体电解质层。可以提高锂离子和电子的传输速率，提高锂电池的电学性能。
进一步，所述固体电解质层上继续涂一层表涂层。可以将锂离子电池在过充过放过程中产生的局部热量及时排向其它方向，优化极片的热量分布，提高其电池的倍率性能。
进一步，所述步骤S3中焙烧温度为150-300℃。使得陶瓷层更加致密，防止产生裂纹。
进一步，所述步骤4中在氧气气氛中煅烧，所述煅烧温度400-800℃。使得极布模板完全燃烧，产生二氧化碳，防止极布模板有固体残留。
进一步，所述步骤S5中在氮气气氛条件下注入，注入完成后超声15-30min，超声过程中进行抽真空操作，之后继续注入，重复操作，直至注满。防止注入的导体氧化，并且使得导体填充更加充实致密，提高锂电池电学性能。
进一步，所述步骤S6中，极片头和陶瓷涂层之间进行胶封处理，使之处于完全密封状态。防止充入的导体因受热而溢出。
进一步，所述极片模板的制作方法为使用静电纺丝法制备无纺布作为极片模板。方法简单，成本低，效率高，有助于极片的后期制作和处理。
一种锂电池，使用任一项所述的方法制备正极片和/或负极片。制备出的电池耐热性和机械性能较好，倍率高，循环性能好，生产成本低，安全性好，极片与涂层接触性好且不易脱落，无需沾结剂进行沾结，导电性好，有效降低电池内阻。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)解决了涂层与极片的接触性和沾合性不好的问题。
(2)无需沾结剂进行沾结，极片与涂层接触性好且不易脱落。
(3)可以制作固体或液体极片，制作出的极片导体和涂层均匀，不存在少涂漏涂的情况，产品合格率高。
(4)操作简单，生产成本低，有利于大规模生产。
(5)相比已有技术，内电阻降低了20％左右，能量密度能够提高10％以上。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的及优点更加清晰易懂，现结合实施例对本发明做进一步解释说明，应当指出的是，在此列出的所有实施例仅仅是说明性的，并不意味着对本发明范围进行限定。
实施例1
一种陶瓷涂层极片制备方法，首先使用静电纺丝法制备聚乙烯无纺布作为极片模板，在制成的极片模板上使用涂布机涂覆氧化铝陶瓷涂层，涂覆陶瓷涂层后烘干并200℃焙烧3小时，使得陶瓷层凝结，将凝结后的陶瓷层开一个装配口，并在氧气气氛中800℃高温条件下煅烧2小时，极片模板完全燃烧气化，得到中空的纯净陶瓷层，在得到的纯净陶瓷层中在氮气气氛条件下从装配口注入热熔状态的单质锂，注入完成后超声30min，超声过程中进行抽真空操作，之后继续注入，重复操作，直至注满，之后在装配口插入铜片极片头，使得装配口密封，极片头和陶瓷涂层之间进行胶封处理，使之处于完全密封状态，室温冷却2小时，极片头和注入的导电物质完全接触或凝结在一起，陶瓷涂层极片制备完成。使用同样的方法分别制作出正极片和负极片，之后将正负极片组装成锂电池，在正陶瓷涂层极片和负陶瓷涂层极片之间注入液体电解质，无需使用电池隔膜，组装成无隔膜锂电池。由于取消了隔膜的使用，本实施例锂电池能量密度大大增加。
本实施例操作简单，生产成本低，无需沾结剂进行沾结，极片与涂层接触性好且不易脱落，可以制作固体或液体极片，制作出的极片导体和涂层均匀，不存在少涂漏涂的情况，产品合格率高。
实施例2
一种陶瓷涂层极片制备方法，首先使用静电纺丝法制备聚乙烯无纺布作为极片模板，在制成的极片模板上使用涂布机涂覆一层硅酸锆釉质层，涂完后100℃条件下烘干2小时，烘干后使用涂布机涂覆陶瓷涂层，涂完陶瓷涂层后100℃条件下烘干2小时，然后继续使用涂布机在陶瓷层表面涂覆一层釉质层，涂覆完成后烘干并250℃焙烧3小时，使得陶瓷层凝结，将凝结后的陶瓷层开一个装配口，并在氧气气氛中800℃高温条件下煅烧2小时，极片模板完全燃烧气化，得到中空的纯净陶瓷层，在得到的纯净陶瓷层中在氮气气氛条件下从装配口注入热熔状态的单质锂，注入完成后超声30min，超声过程中进行抽真空操作，之后继续注入，重复操作，直至注满，之后在装配口插入铜片极片头，使得装配口密封，极片头和陶瓷涂层之间进行胶封处理，使之处于完全密封状态，室温冷却2小时，极片头和注入的导电物质完全接触或凝结在一起，陶瓷涂层极片制备完成。
本实施例操作简单，生产成本低，无需沾结剂进行沾结，极片与涂层接触性好且不易脱落，可以制作固体或液体极片，制作出的极片导体和涂层均匀，不存在少涂漏涂的情况，产品合格率高。保护集流体降低电解液对其表面的腐蚀，提高锂离子电池的循环寿命，同时又可以增大固体电解质与底涂层之间的粘附力，提高其倍率性能。
实施例3
本实施例结合实施例2，在实施例2的基础上，陶瓷涂层极片制备完成后再继续用涂布机涂布一层锂电池涂覆常用粘合层，在粘合层上用静电纺丝法涂覆一层碳纤维磷酸铁锂固体电解质层，烘干后使用涂布机在固体电解质层上继续涂一层质量百分比含量为铝酸锂42％、炭纳米管45％、粘结剂13％的混合物表涂层。
固体电解质层可以提高锂离子和电子的传输速率，提高提高锂电池的电学性能，表涂层可以保护电解质层，将锂离子电池在过充过放过程中产生的局部热量及时排向其它方向，优化极片的热量分布，提高其电池的倍率性能。
实施例4
一种陶瓷涂层极片制备方法，首先使用静电纺丝法制备聚乙烯无纺布作为极片模板，在制成的极片模板上使用涂布机涂覆陶瓷涂层，涂覆陶瓷涂层后在室温下2℃每分钟程序升温至100℃烘干1小时，然后继续5℃每分钟程序升温至300℃焙烧3小时，使得陶瓷层凝结，将凝结后的陶瓷层开一个装配口，并在氧气气氛中10℃每分钟程序升温至400℃煅烧1小时，接着10℃每分钟程序升温至800℃高温条件下煅烧2小时，极片模板完全燃烧气化，之后自然降温至室温，得到中空的纯净陶瓷层，在得到的纯净陶瓷层中在氮气气氛条件下从装配口注入热熔状态的单质锂，注入完成后超声30min，超声过程中进行抽真空操作，之后继续注入，重复操作，直至注满，之后在装配口插入铜片极片头，使得装配口密封，极片头和陶瓷涂层之间进行胶封处理，使之处于完全密封状态，室温放置一星期，极片头和注入的导电物质完全接触或凝结在一起，陶瓷涂层极片制备完成。制作出的陶瓷涂层极片更加致密，极片与涂层接触性更好，极片耐热性好，电子的传输速率高，制备的电池倍率高，循环性能好。
实施例5
一种陶瓷涂层极片制备方法，首先使用静电纺丝法制备聚乙烯无纺布作为极片模板，在制成的极片模板上使用涂布机涂覆陶瓷涂层，
在制成的极片模板上使用涂布机涂覆一层釉质层，涂完后2℃每分钟程序升温至100℃烘干1小时，烘干后使用涂布机涂覆陶瓷涂层陶瓷涂层涂覆料中添加质量百分比2％的LiSbF6，涂覆陶瓷涂层后在室温下2℃每分钟程序升温至100℃烘干1小时，然后继续5℃每分钟程序升温至300℃焙烧3小时，使得陶瓷层凝结，然后继续使用涂布机在陶瓷层表面涂覆一层釉质层，涂覆完成后2℃每分钟程序升温至100℃烘干1小时，之后将凝结后的陶瓷层开一个装配口，并在氧气气氛中10℃每分钟程序升温至400℃煅烧1小时，接着10℃每分钟程序升温至800℃高温条件下煅烧2小时，极片模板完全燃烧气化，得到中空的纯净陶瓷层，在得到的纯净陶瓷层中在氮气气氛条件下从装配口注入热熔状态的单质锂，注入完成后超声30min，超声过程中进行抽真空操作，之后继续注入，重复操作，直至注满，之后在装配口插入铜片极片头，使得装配口密封，极片头和陶瓷涂层之间进行胶封处理，使之处于完全密封状态，室温冷却2小时，极片头和注入的导电物质完全接触或凝结在一起，再继续用涂布机涂布一层粘合层，在粘合层上用静电纺丝法涂覆一层碳纤维磷酸铁锂固体电解质层，烘干后使用涂布机在固体电解质层上继续涂一层铝酸锂42％、炭纳米管45％，粘结剂13％搅拌表涂层，陶瓷涂层极片制备完成。
制备出的锂电池电极解决了涂层与极片的接触性和沾合性不好的问题。制作过程中无需沾结剂进行沾结，极片与涂层接触性好且不易脱落，可以制作固体或液体极片，制作出的极片导体和涂层均匀，不存在少涂漏涂的情况，产品合格率高，操作简单，生产成本低，有利于大规模生产。
实施例6
一种陶瓷涂层极片制备方法，首先使用涂膜法制备炭粉膜作为极片模板，在制成的极片模板上使用涂布机涂覆陶瓷涂层，涂覆陶瓷涂层后烘干并150℃焙烧3小时，使得陶瓷层凝结，将凝结后的陶瓷层开一个装配口，并在氧气气氛中700℃高温条件下煅烧2小时，极片模板完全燃烧气化，得到中空的纯净陶瓷层，在得到的纯净陶瓷层中在氮气气氛条件下从装配口注入离子液体和锂盐的混合物，注入完成后超声30min，超声过程中进行抽真空操作，之后继续注入，重复操作，直至注满，之后在装配口插入铜片极片头，使得装配口密封，极片头和陶瓷涂层之间进行胶封处理，使之处于完全密封状态，室温冷却2小时，制成液态极片，极片头和注入的导电物质完全接触或凝结在一起，陶瓷涂层极片制备完成。
本实施例制备出液态集流电极片，节约了金属单质锂的消耗，节约成本，安全性更好。
实施例7
本实施例结合实施例5，在实施例5的基础上，若陶瓷层内注入的导电材料锂在使用过程中有所损耗，则进一步在氮气气氛条件下取下极片头，从装配口注入热熔状态的单质锂，注入完成后超声一段时间，超声过程中进行抽真空操作，之后继续注入，重复操作，直至注满，之后在装配口插入铜片极片头，使得装配口密封，极片头和陶瓷涂层之间进行胶封处理，使之处于完全密封状态。此方式可以对极片进行补充和修复工作，进一步延长锂电池使用寿命。
上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种陶瓷涂层极片制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1用燃烧后无固体残留的可燃物或低沸点物质制作极片模板，
S2在制成的极片模板上涂覆氧化铝陶瓷涂层，
S3涂覆陶瓷涂层后烘干并焙烧，使得陶瓷层凝结，
S4将凝结后的陶瓷层开一个装配口，并在高温条件下煅烧，使得极片模板蒸发或完全燃烧气化，得到中空的纯净陶瓷层，
S5在得到的纯净陶瓷层中从装配口注入液体导电物质，或者熔融状态的固体导电物，
S6在装配口插入极片头，使得装配口密封，极片头和注入的导电物质完全接触或凝结在一起，陶瓷涂层极片制备完成。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷涂层极片制备方法，其特征在于：所述步骤S2中在极片模板上首先涂布一层釉质层，之后涂覆陶瓷涂层，然后在陶瓷涂层上再涂覆一层釉质层。
3.根据权利要求2所述的一种陶瓷涂层极片制备方法，其特征在于：所述步骤S6之后再继续涂布一层粘合层，在粘合层上涂覆一层固体电解质层。
4.根据权利要求3所述的一种陶瓷涂层极片制备方法，其特征在于：所述固体电解质层上继续涂一层表涂层。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种陶瓷涂层极片制备方法，其特征在于：所述步骤S3中焙烧温度为150-300℃。
6.根据权利要求5所述的一种陶瓷涂层极片制备方法，其特征在于：所述步骤S4中在氧气气氛中煅烧，所述煅烧温度400-800℃。
7.根据权利要求6所述的一种陶瓷涂层极片制备方法，其特征在于：所述步骤S5中在氮气气氛条件下注入，注入完成后超声15-30min，超声过程中进行抽真空操作，之后继续注入，重复操作，直至注满。
8.根据权利要求7所述的一种陶瓷涂层极片制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，极片头和陶瓷涂层之间进行胶封处理，使之处于完全密封状态。
9.根据权利要求8所述的一种陶瓷涂层极片制备方法，其特征在于：所述极片模板的制作方法为使用静电纺丝法制备无纺布作为极片模板。
10.一种锂电池，其特征在于：使用权利要求1-9任一项所述的方法制备正极片和/或负极片。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Denomination of invention: A preparation method of ceramic coated electrode and its application in lithium battery Effective date of registration: 20211116 Granted publication date: 20201016 Pledgee: Yongfeng sub branch of Jiujiang Bank Co.,Ltd. Pledgor: JIANGXI LINENG NEW ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980012607 |
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