CN110718693A - 一种电极片及其制作方法、超级电容器、锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种电极片及其制作方法、超级电容器、锂离子电池。该电极片包括：集流体、位于集流体上的基础导电层，以及位于基础导电层上的功能层；其中，功能层为活性层或活性层和功能导电层的层叠结构，功能层为层叠结构时，活性层的层数比功能导电层的层数多1，活性层和功能导电层依次交替层叠于基础导电层上；除与基础导电层相邻的活性层外，功能层中的功能导电层和其他活性层靠近集流体一侧均包括多个凸起，凸起嵌入其所属膜层靠近集流体一侧的至少一个膜层中，且不穿透所述集流体。本发明实施例提供的技术方案，能够明显降低电极片的阻抗值，增强电极片的纵向导电能力，提升器件的功率特性以及循环寿命。

Description

一种电极片及其制作方法、超级电容器、锂离子电池
技术领域
本实发明施例涉及电化学技术领域，尤其涉及一种电极片及其制作方法、超级电容器、锂离子电池。
背景技术
当前，以锂离子电池为代表的新能源相关产业成为高薪制造业的代表，近几年电池能量密度不断提升，电动汽车(Electric Vehicle，简称EV)电池样品能量密度已经超过300Wh/kg，几乎达到液体电池能量密度的极限。
现有技术中，通过对电极材料、隔膜、电解液、导电剂等的研究，不断改善电芯制作的工艺，其中通过增加极片的厚度或者减小极片纵向阻抗来提升电极片的导电性能。
现有技术方案中，由于极片的厚度和阻抗值时相悖的，无法在增加厚度的基础上减小阻抗来达到提升电极片的导电性能，从而制作出更高能量更高功率密度的电池。
发明内容
本发明实施例的目的在于提出一种电极片及其制作方法、超级电容器、锂离子电池，在增加极片的厚度基础上减小极片纵向阻抗值，增强电极片导电能力，并且提升采用该电极片制作的器件的功率特性和循环寿命。
为达此目的，第一方面本发明实施例提供了一种电极片，该电极片包括：
集流体、位于所述集流体上的基础导电层，以及位于所述基础导电层上的功能层；
其中，所述功能层为活性层或活性层和功能导电层的层叠结构，所述功能层为所述层叠结构时，所述活性层的层数比所述功能导电层的层数多1，所述活性层和所述功能导电层依次交替层叠于所述基础导电层上；
除与所述基础导电层相邻的所述活性层外，所述功能层中的所述功能导电层和其他所述活性层靠近所述集流体一侧均包括多个凸起，所述凸起嵌入其所属膜层靠近所述集流体一侧的至少一个膜层中，且不穿透所述集流体。
可选地，所述集流体和所述基础导电层构成的整体结构为涂炭箔或普通箔。
可选地，所述基础导电层和所述功能导电层均包括导电剂和助剂。
可选地，所述活性层包括活性剂和助剂。
可选地，所述基础导电层和所述功能导电层的厚度均大于或等于0.5um，且小于或等于30um。
可选地，所述活性层厚度大于或等于20um，且小于或等于200um。
可选地，所述凸起的高度大于或等于10um，且小于或等于100um。
第二方面本发明实施例还提供了一种超级电容器，包括如上述第一方面任意所述的电极片。
第三方面本发明实施例还提供了一种锂离子电池，包括如上述第一方面任意所述的的电极片。
第四方面本发明实施例还提供了一种电极片的制作方法，包括：制作如上述第一方面任意所述的电极板；
提供集流体，在所述集流体上形成所述基础导电层；
在所述基础导电层上形成所述功能层，每形成所述功能层中的一个膜层后，均在该膜层上形成多个微米级孔，再在该膜层上形成下一膜层，所述下一膜层靠近所述集流体一侧的表面上对应所述微米级孔形成多个所述凸起；
将电极片压实。
本发明实施例提供的电极片，功能层中活性层和功能导电层的多个凸起，镶嵌在所属膜层靠近集流体一侧的膜层中，使得功能导电层和活性层彼此镶嵌，导电剂颗粒和活性位物质分别在活性层和功能导电层相互嵌入，明显的降低了电极片的阻抗值，从而增强的电极片的纵向导电能力，通过叠层结构可以增加电极片的厚度，达到了既提高电极片纵向导电能力，又增加了电极片厚度的目的；由于活性层和功能导电层依次交替层叠在一起，并且相互镶嵌，功能导电层具有很强的保液能力，从而使得活性层始终处于富液体系中，提高了采用该电极片制作的器件的功率性能以及循环寿命。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种电极板结构示意图。
图2是本发明实施例提供的另一种电极板结构示意图。
图3是本发明实施例提供的电极片的制作方法的流程示意图。
图3a-3f是本发明实施例提供的电极片的制作流程图。
图4是本发明实施例提供的电极片与传统电极片导电率比较图。
图5是本发明实施例提供的采用不同方法制备的正、负电极片匹配的锂离子电池倍率性能数据图。
具体实施方式
为使发明实施例解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释发明，而非对发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。
图1是本发明实施例提供的电极板结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的一种电极片，包括：
集流体1、位于集流体1上的基础导电层2，以及位于基础导电层2上的功能层3；
其中，功能层3为活性层4或活性层4和功能导电层的层5叠结构，功能层3为层叠结构时，活性层4的层数比功能导电层5的层数多1，活性层4和功能导电层5依次交替层叠于基础导电层2上；
除与基础导电层2相邻的活性层外4，功能层3中的功能导电层5和其他活性层4靠近集流体1一侧均包括多个凸起6，凸起6嵌入其所属膜层靠近集流体1一侧的至少一个膜层中，且不穿透集流体1。示例性的，图1中功能层3为叠层结构，且以两层活性层4和一层功能导电层5为例。功能层3中活性层4中的多个凸起6，镶嵌在基础导电层2中，功能导电层5的多个凸起6，镶嵌在活性层4中，使得功能导电层5、活性层4以及基础导电层2彼此镶嵌，导电剂颗粒和活性位物质分别在活性层4、功能导电层5以及基础导电层2内相互嵌入，明显的降低了电极片的阻抗值，从而增强的电极片的纵向导电能力，通过叠层结构可以增加电极片的厚度，达到了既提高电极片纵向导电能力，又增加了电极片厚度的目的；并且，活性层4、功能导电层5以及基础导电层3依次交替层叠在一起，相互镶嵌，由于导电层具有很强的保液能力，从而使得活性层4始终处于富液体系中，提高了采用该电极片制作的器件的功率性能以及循环寿命。示例性的，图2中功能层3仅以活性层4为例，活性层中的多个凸起6镶嵌在基础导电层2中。凸起6穿透集流体1会造成集流体1出现毛刺，影响产品的导电性能以及容量，故而本发明实施例中凸起不穿过集流体1。
继续参照图1，可选地，集流体1和基础导电层2构成的整体结构为涂炭箔或普通箔。
通过采用涂炭箔或普通箔代替集流体1和基础导电层2，节约材料，减小成本，示例性的，箔材包括泡沫铝、铜箔、铝箔、鈦箔、不锈钢、涂炭箔中的一种或几种组合。
可选地，基础导电层2和功能导电层5均包括导电剂和助剂。
其中，导电剂包括石墨烯、碳纳米管、导电石墨、科琴黑、乙炔黑、导电炭黑等的一种或几种组合，导电剂用来提高基础导电层2和功能导电层5的导电性以及保液能力。
示例性的，活性层4包括活性剂和助剂。
其中，活性材料包括活性炭、石墨烯、碳纳米管、洋葱炭、介孔炭、石墨、硬炭、软炭、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂中的一种或几种组合，活性材料用来储存电能。
可选地，基础导电层2和功能导电层5的厚度均大于或等于0.5um，且小于或等于30um。
由于导电层太厚会导致活性物质在电极中比例下降，影响器件的能量密度；太薄则会导致涂覆工艺技术难度增加，产品可控性下降，成本增加，所以基础导电层2和功能导电层5经过干燥、冷却后的厚度为0.5～30um，其中优选1～10um，进一步优选为2～5um。
可选地，活性层4厚度大于或等于20um，且小于或等于200um。
活性层4太厚会导致电流从集流体1到活性层4的纵向阻抗增大，太薄则达不到储能要求，所以活性层4经过干燥、冷却后的厚度为20～200um，其中，优选30～100um，进一步优选30～60um，保证活性层4与基础导电层2以及功能导电层5之间充分接触，彼此相互更容易镶嵌，促进导电剂颗粒和活性物质颗粒相互镶嵌。
可选地，凸起的高度大于或等于10um，且小于或等于100um。
凸起的高度过大，会导致容纳凸起的微米级孔深度过大，进而导致不同叠层之间发生松动，影响各个叠层之间的附着力，在电极板弯曲时，容易掉粉或者断裂；如果凸起的高度过小，当用电极板制作器件时，器件中所需的电解液不能充分的通过容纳凸起的微米孔进入涂层内部，基础导电层2、功能导电层5和活性层4颗粒彼此镶嵌不够明显，无法满足有效降低阻抗的作用。进一步的，凸起的高度优选取值范围为15～40um。
本发明实施例还提供一种超级电容器，该超级电容器包括本发明任意实施例所述的电极片。
超级电容器的电极片中，功能层中活性层中的多个凸起，镶嵌在基础导电层中，功能导电层的多个凸起，镶嵌在活性层中，使得功能导电层、活性层以及基础导电层彼此镶嵌，导电剂颗粒和活性位物质分别在活性层、功能导电层以及基础导电层内相互嵌入，明显的降低了电极片的阻抗值，从而增强的电极片的纵向导电能力，通过叠层结构可以增加电极片的厚度，达到了既提高电极片纵向导电能力，又增加了电极片厚度的目的；并且，超级电容器中的电解液能够有效的保存在电极片中的基础导电层和功能导电层中，而活性层、功能导电层以及基础导电层依次交替层叠在一起，并且相互镶嵌，从而使得超级电容器中的活性层始终处于富液体系中，提高了超级电容器的功率性能以及循环寿命。
本发明实施例还提供一种超级电容器，该超级电容器包括本发明任意实施例所述的电极片。
本发明实施例还提供一种锂离子电池，该锂离子电池包括本发明任意实施例所述的电极片。
锂离子电池的电极片中，功能层中活性层中的多个凸起，镶嵌在基础导电层中，功能导电层的多个凸起，镶嵌在活性层中，使得功能导电层、活性层以及基础导电层彼此镶嵌，导电剂颗粒和活性位物质分别在活性层、功能导电层以及基础导电层内相互嵌入，明显的降低了电极片的阻抗值，从而增强的电极片的纵向导电能力，通过叠层结构可以增加电极片的厚度，达到了既提高电极片纵向导电能力，又增加了电极片厚度的目的；并且，锂离子电池中的电解液能够有效的保存在电极片中的基础导电层和功能导电层中，而活性层、功能导电层以及基础导电层依次交替层叠在一起，并且相互镶嵌，从而使得锂离子电池中的活性层始终处于富液体系中，提高了锂离子电池的功率性能以及循环寿命。
本发明实施例还提供一中电极片的制作方法，用于制作本发明任意实施例所述的电极板。图3是本发明实施例提供的电极片的制作方法的流程示意图，如图3所示，电极片的制作方法具体包括如下：
步骤11、提供集流体，在集流体上形成基础导电层。
步骤12、在基础导电层上形成功能层，每形成功能层中的一个膜层后，均在该膜层上形成多个微米级孔，再在该膜层上形成下一膜层，下一膜层靠近集流体一侧的表面上对应微米级孔形成多个凸起。
步骤13、将电极片压实。
示例性的，以功能层包括两层活性层和一层功能导电层为例，对本实施例提供的电极片制作方法的制作流程进行说明。具体的，图3a-3f是本发明实施例提供的电极片的制作流程图，如图3a所示，提供集流体，在集流体一侧形成基础导电层，具体的，首先在集流体上涂覆基础导电层浆状材料，再经过干燥、冷却后获得基础导电层。如图3b所示，在基础导电层远离集流体的一侧涂覆活性层浆状材料，经过干燥、冷却后形成活性层。如图3c所示，对活性层远离基础导电层的一侧进行微米级打孔，形成多个凸起。如图3d所示，在活性层远离基础导电层的一侧涂覆导电层浆状材料，经过干燥、冷却形成功能导电层。如图3e所示，对功能导电层远离活性层的一侧进行微米级打孔，同样形成多个凸起。如图3f所示，在功能导电层远离活性层的一侧涂覆活性层浆状材料，经过干燥、冷却后形成活性层。通过辊压制作成电极片，上述的微米级打孔不穿过集流体。该电极片阻抗值低，纵向导电能力强，活性层始终处于富液体系中，提高了采用该电极片制作的器件的功率性能以及循环寿命。
下面采用实验数据具体说明本发明提供的电极片的结构优势，示例性的，设计如下对比实验：
对比实验一：采用本发明实施例提供的方法制作负极电极片U1，其中，活性层由活性材料和助剂组成，活性材料包括介孔炭、石墨、硬炭、软炭中的一种或几种组合，进一步地，活性材料为石墨。采用传统的方法自作负极电极片U2。采用本发明实施例提供的方法制作正极电极片U3，其中，活性层由活性材料和助剂组成，活性材料包括锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂中的一种或几种组合，进一步地，活性材料为镍钴锰酸锂。采用传统的方法制作正极电极片U4。
图4是本发明实施例提供的电极片与传统电极片导电率比较图，如图4所示，采用本实施例提供的方法所制作的负极片U1，导电率超过了8*10-7S/cm，远远高于传统方法制造的负极片U2导电率；采用本实施例提供的方法所制作的正极片U3，导电率接近了6*10-7S/cm，远远高于传统方法制造的正极片导电率U4。
对比实验二：制作锂离子电池A，锂离子电池A正极采用传统制作方法制作，负极也采用传统制作方法制作。制作锂离子电池B，锂离子电池B正极采用传统制作方法制作，负极采用本发明实施例提供的电极片制作方法制作。制作锂离子电池C，锂离子电池C正极采用本发明实施例提供的电极片制作方法制作，负极采用传统制作方法制作。制作锂离子电池D，锂离子电池D正极采用本发明实施例提供的电极片制作方法制作，负极也采用本发明实施例提供的电极片制作方法制作。
图5是本发明实施例提供的采用不同方法制备的正、负电极片匹配的锂离子电池倍率性能数据图，如图5所示，在同等的放电倍率下，锂离子电池D的容量保持率是最高的。
注意，上述仅为发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对发明进行了较为详细的说明，但是发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电极片，其特征在于，包括：
集流体、位于所述集流体上的基础导电层，以及位于所述基础导电层上的功能层；
其中，所述功能层为活性层或活性层和功能导电层的层叠结构，所述功能层为所述层叠结构时，所述活性层的层数比所述功能导电层的层数多1，所述活性层和所述功能导电层依次交替层叠于所述基础导电层上；
除与所述基础导电层相邻的所述活性层外，所述功能层中的所述功能导电层和其他所述活性层靠近所述集流体一侧均包括多个凸起，所述凸起嵌入其所属膜层靠近所述集流体一侧的至少一个膜层中，且不穿透所述集流体。
2.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述集流体和所述基础导电层构成的整体结构为涂炭箔或普通箔。
3.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述基础导电层和所述功能导电层均包括导电剂和助剂。
4.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述活性层包括活性剂和助剂。
5.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述基础导电层和所述功能导电层的厚度均大于或等于0.5um，且小于或等于30um。
6.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述活性层厚度大于或等于20um，且小于或等于200um。
7.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述凸起的高度大于或等于10um，且小于或等于100um。
8.一种超级电容器，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的电极片。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的电极片。
10.一种电极片的制作方法，用于制作如权利要求1-7任意一项所述的电极板，其特征在于，所述制作方法包括：
提供集流体，在所述集流体上形成所述基础导电层；
在所述基础导电层上形成所述功能层，每形成所述功能层中的一个膜层后，均在该膜层上形成多个微米级孔，再在该膜层上形成下一膜层，所述下一膜层靠近所述集流体一侧的表面上对应所述微米级孔形成多个所述凸起；
将电极片压实。
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