CN110429230A - 锂离子电池及其极片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种极片及锂离子电池，包括本体及陶瓷涂层，本体具有相背设置的第一表面与第二表面，第一表面与第二表面中至少一者上层叠设置有陶瓷涂层，陶瓷涂层凸出于第一表面和/或第二表面的厚度为10um～100um。陶瓷涂层作为正极极片与负极极片之间的隔膜，无需在正极极片与负极极片之间设置隔膜，可以进行无隔膜卷绕；陶瓷涂层作为正极极片与负极极片之间的隔膜，具有优异的耐热性能、较强的润湿电解液性能，且孔隙率分布均匀，从而有利于提升制作的电池的热稳定性和循环寿命；由于陶瓷涂层凸出本体的第一表面和/或第二表面的厚度为10um～100um，在该厚度范围内时，陶瓷涂层的耐热性能及润湿电解液性能均较佳，且在该厚度范围内时，其孔隙率分布较均匀。

Description

锂离子电池及其极片
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池及其极片。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、电压高、循环寿命长、大倍率放电、自放电低及环保等优势，在电动汽车及储能领域得到了广泛的应用。锂离子电池包括正极极片、负极极片、隔膜及电解液，其中，隔膜起到了隔绝正负极直接接触及为锂离子扩散提供通道的作用。
传统锂离子电池隔膜主要是聚烯烃类隔膜及其表面修饰的隔膜(如陶瓷涂层隔膜)。但是普通的聚烯烃类隔膜一般存在耐热性差及润湿电解液能力偏低的问题；与普通的聚烯烃类隔膜相比，表面修饰的陶瓷涂层隔膜虽然可以提升耐热性和润湿电解液的能力，但是孔隙率分布均匀。当隔膜存在耐热性差、润湿电解液能力偏低及孔隙率分布均匀等问题时，会导致锂离子电池的热稳定性及循环寿命降低。
发明内容
基于此，有必要针对采用传统隔膜制备锂离子电池导致其热稳定性及循环寿命降低的问题，提供一种可提高锂离子电池的热稳定性及循环寿命的锂离子电池及其极片。
一种极片，包括本体及陶瓷涂层，所述本体具有相背设置的第一表面与第一表面，所述第一表面与所述第二表面中至少一者上层叠设置有所述陶瓷涂层，且所述陶瓷涂层凸出于所述第一表面和/或所述第二表面的厚度为10um～100um。
在其中一个实施例中，所述陶瓷涂层中具有陶瓷材料、粘结剂及分散剂。
在其中一个实施例中，所述陶瓷材料选自氧化铝、二氧化硅、氧化镁、勃母石、氢氧化铝、氢氧化镁、二氧化锆、锆酸锂、磷酸锂、铝酸锂、氟化锂、碳酸锂、草酸锂、硅酸锂及硅酸的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述陶瓷材料的粒度为10nm～1000nm。
在其中一个实施例中，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸、海藻酸钠、聚乙烯醇及聚丙烯醇的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述分散剂选自水、N-甲基吡咯烷酮、丙酮及乙醇的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述陶瓷材料与所述粘结剂的质量比为(70～95)：(5～30)；所述陶瓷涂层浆料的固含量为2％～30％。
在其中一个实施例中，所述第一表面与所述第二表面上均层叠设置有所述陶瓷涂层。
在其中一个实施例中，所述本体包括集流体及活性物质层，所述活性物质层层叠设置于所述集流体的表面上。
一种锂离子电池，包括负极极片、电解液及如上述任一项所述的正极极片，所述正极极片的陶瓷涂层夹持于所述正极极片的本体与所述负极极片之间，所述电解液浸润所述正极极片及所述负极极片；或
所述锂离子电池包括正极极片、电解液及如上述任一项所述的负极极片，所述负极极片的陶瓷涂层夹持于所述负极极片的本体与所述正极极片之间，所述电解液浸润所述正极极片及所述负极极片；或
所述锂离子电池包括电解液及如上述任一项所述的正极极片及负极极片，所述正极极片的陶瓷涂层与所述负极极片的陶瓷涂层夹持于所述正极极片的本体与所述负极极片的本体之间，所述电解液浸润所述正极极片及所述负极极片。
上述极片及锂离子电池，在极片的本体的第一表面和第二表面中至少一者上层叠设置有陶瓷涂层，则当需要制作电池时，将该极片(如作为正极极片时)具有陶瓷涂层的一面与其他极片(负极极片)接触，然后进行卷绕，此时陶瓷涂层作为正极极片与负极极片之间的隔膜，无需在正极极片与负极极片之间设置隔膜，可以进行无隔膜卷绕；且采用陶瓷涂层作为正极极片与负极极片之间的隔膜，具有优异的耐热性能、较强的润湿电解液性能，且孔隙率分布均匀，从而有利于提高制作的电池的热稳定性和循环寿命；同时由于陶瓷涂层凸出本体的第一表面和/或第二表面的厚度为10um～100um，在该厚度范围内时，陶瓷涂层的耐热性能及润湿电解液性能均较佳，且在该厚度范围内时，其孔隙率分布较均匀，进一步有利于提高制作的电池的热稳定性和循环寿命。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的极片的结构图。
极片100 本体10 集流体11 活性物质层12 第一表面13 第二表面14 陶瓷涂层20
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参阅图1，本发明一实施例提供一种极片100，包括本体10及陶瓷涂层20，本体10具有相背设置的第一表面13与第二表面14，第一表面13与第二表面14中至少一者上层叠设置有陶瓷涂层20，且陶瓷涂层20凸出第一表面13和/或第二表面14的厚度为10um～100um。
本发明实施例提供的极片100，在其本体10的第一表面13和第二表面14中至少一者上层叠设置有陶瓷涂层20，则当需要制作电池时，将该极片100(如作为正极极片时)具有陶瓷涂层20的一面与其他极片100(负极极片)接触，然后进行卷绕，此时陶瓷涂层20作为正极极片与负极极片之间的隔膜，无需在正极极片与负极极片之间设置隔膜，可以进行无隔膜卷绕；且采用陶瓷涂层20作为正极极片与负极极片之间的隔膜，具有较强的耐热性能、较强的润湿电解液性能，且孔隙率分布均匀，从而有利于提升制作的电池的热稳定性和循环寿命；同时由于陶瓷涂层20凸出本体10的第一表面13和/或第二表面14的厚度为10um～100um，在该厚度范围内时，陶瓷涂层20的耐热性能及润湿电解液性能均较佳，且在该厚度范围内时，其孔隙率分布较均匀，进一步有利于提高制作的电池的热稳定性和循环寿命。
具体地，极片包括集流体11及活性物质层12，活性物质层12设置于集流体11的表面上。更具体地，在集流体11相背设置的两个表面上均层叠设置有活性物质层12。可以理解地，在另一些实施例中，也可以在集流体11的其中一个表面上设置有活性物质层12，在此不作限定。
在一个实施例中，上述极片100为正极极片。具体地，正极极片包括正极集流体及正极活性物质层，正极活性物质层层叠设置于正极集流体的表面上。更具体地，在正极集流体相背设置的两个表面上均层叠设置有正极活性物质层。可以理解地，在另一些实施例中，也可以在正极集流体的其中一个表面上设置有正极活性物质层，在此不作限定。
具体地，正极集流体的材料可以选自铝、钛、不锈钢、碳布或碳纸；正极活性物质层的材料可以选自钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂或三元材料。
在另一个实施例中，上述极片100为负极极片。具体地，负极极片包括负极集流体及负极活性物质层，负极活性物质层层叠设置于负极集流体的表面上。更具体地，在负极集流体相背设置的两个表面上均层叠设置有负极活性物质层。可以理解地，在另一些实施例中，也可以在负极集流体的其中一个表面上设置有负极活性物质层，在此不作限定。
具体地，负极集流体材料可以选自铜、镍、不锈钢、碳布或碳纸；负极活性物质层的材料可以选自采用石墨、硅碳材料或钛酸锂。
在一个实施例中，本体10的第一表面13与第二表面14上均层叠设置有上述陶瓷涂层20。可以想到的是，在另一些实施例中，还可以在本体10第一表面13层叠设置有陶瓷涂层20，在第二表面14未设置有陶瓷涂层20，或者也可以在本体10的第二表面14层叠设置有陶瓷涂层20，而在第一表面13未层叠设置有陶瓷涂层20，在此不作限定。
在一个实施例中，陶瓷涂层20中具有陶瓷材料、粘结剂及分散剂。
具体地，陶瓷材料选自氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)、勃母石、氢氧化铝(Al(OH)3)、氢氧化镁(Mg(OH)2)、二氧化锆(ZrO2)、锆酸锂(Li2ZrO3)、磷酸锂(Li3PO4)、铝酸锂(LiAlO2)、氟化锂(LiF)、碳酸锂(Li2CO3)、草酸锂(Li2C2O4)、硅酸锂(Li2SiO3)及硅酸的一种或多种。
在一个实施例中，陶瓷材料的粒度为10nm～1000nm。采用粒度为10nm～1000nm的陶瓷材料制作陶瓷涂层20，可以进一步提高隔膜的耐热性能及润湿电解液性能，同时可以进一步保证隔膜的孔隙率分布均匀。可以理解的是，在其他一些实施例中，陶瓷材料也可以选择其他粒度，在此亦不作限定。
在一个实施例中，粘结剂选自聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚丙烯酸(PAA)、海藻酸钠、聚乙烯醇(PVA)及聚丙烯醇的一种或多种。分散剂选自水、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、丙酮及乙醇的一种或多种。
具体地，陶瓷材料与粘结剂的质量比为(70～95)：(5～30)，陶瓷涂层20浆料的固含量(陶瓷材料、粘结剂及分散剂三者混合后制备的浆料的固体含量)为2％～30％。从而获得具有优异性能耐热性能、优异润湿电解液性能及孔隙率分布更均匀的陶瓷涂层20。
本发明另一实施例还提供一种锂离子电池，该锂离子电池包括负极极片、正极极片及电解液，具体地，正极极片为上述包括层叠设置的本体10及陶瓷涂层20的极片100，正极极片的陶瓷涂层20夹持于正极极片的本体10与负极极片之间以充当隔膜，电解液浸润正极极片与负极极片。
可以理解的是，在另一个实施例中，也可以设置负极极片为上述包括层叠设置的本体10及陶瓷涂层20的极片100，负极极片的陶瓷涂层20夹持于负极极片的本体10与正极极片之间以充当隔膜，电解液浸润正极极片与负极极片。
还可以理解的是，在其他另一些实施例中，还可以设置正极极片与负极极片均为上述包括层叠设置的本体10及陶瓷涂层20的极片100，负极极片的陶瓷涂层20及正极极片的陶瓷涂层20夹持于负极极片的本体10与正极极片的本体10之间充当隔膜，电解液浸润正极极片与负极极片，在此均不作限定。
实施例1
在正极极片的本体10上涂覆陶瓷涂层20，其中正极极片的本体10的活性材料层选择三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2制作而成，陶瓷涂层20的陶瓷材料选择Al2O3-LiAlO2，粘结剂选择PVDF，分散剂选择NMP，且Al2O3-LiAlO2与PVDF的质量比为90:10，陶瓷涂层20浆料的固含量为10％，通过挤压的方式在正极极片本体10的表面上涂覆50um厚的陶瓷涂层20，该陶瓷涂层20直接作为隔膜，与石墨作为活性材料的负极极片卷绕，获得无隔膜的锂离子电池。且设计该锂离子电池的电池容量为6Ah。
实施例2
在负极极片的本体10上涂覆陶瓷涂层20，其中负极极片的本体10的活性材料层选择石墨制作而成，陶瓷涂层20的陶瓷材料选择勃母石，粘结剂选择SBR及CMC，分散剂选择水，且勃母石、SBR及CMC三者的质量比为82:10:8，陶瓷涂层20浆料的固含量为6％，采用转移涂布的方式，在负极极片的本体10上涂覆厚度为60um的陶瓷涂层20，该陶瓷涂层20直接作为隔膜，与钴酸锂为活性材料的正极极片卷绕，获得无隔膜的锂离子电池。且设计该锂离子电池的电池容量为6Ah。
实施例3
在正极极片的本体10上涂覆陶瓷涂层20，其中正极极片的本体10的活性材料层选择三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2制作而成，陶瓷涂层20的陶瓷材料选择Al2O3-LiAlO2，粘结剂选择PVDF，分散剂选择NMP，且Al2O3-LiAlO2与PVDF的质量比为90:10，陶瓷涂层20浆料的固含量为10％，通过挤压的方式在正极极片本体10的表面上涂覆50um厚的涂层。
在负极极片的本体10上涂覆陶瓷涂层20，其中负极极片的本体10的活性材料层选择石墨制作而成，陶瓷涂层20的陶瓷材料选择勃母石，粘结剂选择SBR及CMC，分散剂选择水，且勃母石、SBR及CMC三者的质量比为82:10:8，陶瓷涂层20浆料的固含量为6％，采用转移涂布的方式，在负极极片的本体10上涂覆厚度为60um的涂层，该陶瓷涂层20直接作为隔膜。
将上述正极极片的陶瓷涂层20及负极极片的陶瓷涂层20共同作为隔膜，进行卷绕后获得无隔膜的锂离子电池。且设计该锂离子电池的电池容量为6Ah。
对比例1
采用实施例1中无陶瓷涂层20的正极极片、普通PP隔膜及实施例1中的负极极片，进行卷绕获得锂离子电池。且设计该锂离子电池的电池容量为6Ah。
对比例2
采用实施例2中无陶瓷涂层20的负极极片、普通PP隔膜及实施例2中的正极极片，进行卷绕获得锂离子电池。且设计该锂离子电池的电池容量为6Ah。
将实施例和对比例的锂离子电池在相同条件下进行容量测试、保液量测试、循环测试和热滥用测试的结果如下表1所示。
表1不同锂离子电池性能对比
表1的结果表明，与采用传统的隔膜相比，直接采用极片100的陶瓷涂层20作为隔膜能够使得锂离子电池具有更好的润湿电解液的能力、提高锂离子电池充放电的均匀性、促进锂离子在隔膜的扩散速率和高温下的热稳定性，从而使得组装成的锂离子电池，在保液量、容量发挥、循环性能和安全性能均有改善。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种极片，其特征在于，包括本体(10)及陶瓷涂层(20)，所述本体(10)具有相背设置的第一表面(13)与第二表面(14)，所述第一表面(13)与所述第二表面(14)中至少一者上层叠设置有所述陶瓷涂层(20)，且所述陶瓷涂层(20)凸出于所述第一表面(13)和/或所述第二表面(14)的厚度为10um～100um。
2.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述陶瓷涂层(20)中具有陶瓷材料、粘结剂及分散剂。
3.根据权利要求2所述的极片，其特征在于，所述陶瓷材料选自氧化铝、二氧化硅、氧化镁、勃母石、氢氧化铝、氢氧化镁、二氧化锆、锆酸锂、磷酸锂、铝酸锂、氟化锂、碳酸锂、草酸锂、硅酸锂及硅酸的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的极片，其特征在于，所述陶瓷材料的粒度为10nm～1000nm。
5.根据权利要求2所述的极片，其特征在于，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸、海藻酸钠、聚乙烯醇及聚丙烯醇的一种或多种。
6.根据权利要求2所述的极片，其特征在于，所述分散剂选自水、N-甲基吡咯烷酮、丙酮及乙醇的一种或多种。
7.根据权利要求2-6任一项所述的极片，其特征在于，所述陶瓷材料与所述粘结剂的质量比为(70～95)：(5～30)；所述陶瓷涂层(20)浆料的固含量为2％～30％。
8.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述第一表面(13)与所述第二表面(14)上均层叠设置有所述陶瓷涂层(20)。
9.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述本体(10)包括集流体(11)及活性物质层(12)，所述活性物质层(12)层叠设置于所述集流体(11)的表面上。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括负极极片、电解液及如权利要求1-9任一项所述的正极极片，所述正极极片的陶瓷涂层(20)夹持于所述正极极片的本体(10)与所述负极极片之间，所述电解液浸润所述正极极片及所述负极极片；或
所述锂离子电池包括正极极片、电解液及如权利要求1-9任一项所述的负极极片，所述负极极片的陶瓷涂层(20)夹持于所述负极极片的本体(10)与所述正极极片之间，所述电解液浸润所述正极极片及所述负极极片；或
所述锂离子电池包括电解液及如权利要求1-9任一项所述的正极极片及负极极片，所述正极极片的陶瓷涂层(20)与所述负极极片的陶瓷涂层(20)夹持于所述正极极片的本体(10)与所述负极极片的本体(10)之间，所述电解液浸润所述正极极片及所述负极极片。
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