CN110729454A - 一种电池正极极片及其制备方法 - Google Patents

一种电池正极极片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂电池的技术领域，公开了一种电池正极极片，包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面上的正极膜片，正极集流体为铝箔；按重量份数计，正极膜片包括如下重量份数的组分：正极活性材料；6‑8份水性粘合剂；1‑2份导电剂；正极活性材料包括如下重量份的组分：70‑80份锰酸锂；10‑15份纳米碳球；2‑3份对苯二甲酸。本发明具有以下优点和效果：纳米碳球可与锰酸锂紧密结合，在锰酸锂中起较好的物理交联作用，使正极活性材料的结构密度得到提高，继而有利于提高正极极片的压实密度，以增大电池的放电容量，提高锂离子电池的利用率；且水性粘合剂取代了正极材料PVDF体系溶剂NMP的使用，降低成本的同时也更环保。

Description

一种电池正极极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池的技术领域，尤其是涉及一种电池正极极片及其制备方法。
背景技术
电池广泛应用于手机、平板电脑、可穿戴设备、移动电源、电子烟、各种数码产品、电动工具、动力、储能等领域，其市场应用广、潜力大。锂离子电池的正极片一般包括正极金属基片如铜箔、铝箔等和涂覆于正极金属基片外的正极涂层，正极涂层的组分一般包括正极活性物质、正极粘结剂和正极导电剂。
锂电池在制作过程中，压实密度对电池性能有较大的影响。压实密度与极片比容量、效率、内阻、以及电池循环性能有密切的关系；一般来说，在材料允许的压实范围内，极片压实密度越大，电池的容量就能做的越高，所以压实密度也被视为材料能量密度的参考指标之一。
现有技术中使用的正极活性材料为锰酸锂时，由于锰酸锂的压实密度较小，容易造成正极极片的压实密度不高的问题，导致电池容量较小，因此仍有待改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明在于提供一种电池正极极片，有利于提高正极极片的压实密度，达到增大电池的放电容量，提高锂离子电池的利用率的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种电池正极极片，包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面上的正极膜片，
正极集流体为铝箔；按重量份数计，所述正极膜片包括如下重量份数的组分：
正极活性材料；
6-8份水性粘合剂；
1-2份导电剂；
所述正极活性材料包括如下重量份的组分：
70-80份锰酸锂；
10-15份纳米碳球；
2-3份对苯二甲酸。
通过采用上述技术方案，通过加入纳米碳球填充锰酸锂分子间的间隙，以活性较高的对苯二甲酸作为溶剂，使锰酸锂和纳米碳球的结合更易于实现，纳米碳球的加入可与锰酸锂紧密结合，在锰酸锂中起较好的物理交联作用，从而使正极活性材料的结构密度得到提高，继而有利于提高正极极片的压实密度，有利于增大电池的放电容量，减小内阻，减小极化损失，延长电池的循环寿命，提高锂离子电池的利用率。
本发明进一步设置为：按重量份数计，所述正极活性材料还包括0.5-1份四乙氧基硅烷和0.1-0.2份过硫酸铵。
通过采用上述技术方案，在过硫酸铵的引发作用下，四乙氧基硅烷可对纳米碳球的表面进行改性使其与锰酸锂的结合更稳定，由此避免了大量纳米碳球的加入导致纳米碳球与锰酸锂的结合不够紧密，无法起物理交联的作用，并使纳米粒子从锰酸锂中脱离出来磨损锰酸锂而增大对锰酸锂的磨耗量；另外，四乙氧基硅烷的加入可使正极活性材料的表面更光滑，有利于提高压实密度。
本发明进一步设置为：按重量份数计，所述正极活性材料还包括0.2-0.3份N-羟甲基丙烯酰胺。
通过采用上述技术方案，四乙氧基硅烷在对苯二甲酸提供的酸性条件下水解成含有硅羟基的硅酸，N-羟甲基丙烯酰胺中含有的羟甲基与硅羟基通过缩合作用交联形成稳定的网络装体型结构，从而提高锰酸锂和纳米碳球混合物的结构稳定性，抑制材料在充放电循环过程中的相变，从而使材料的高温循环和储存性能得到改善。
本发明进一步设置为：按重量份数计，所述正极活性材料还包括0.2-0.3份D-山梨醇。
通过采用上述技术方案，纳米碳球粒径小，比表面积较大，表面活性高，再加工中容易发生团聚，很难达到良好的分散，D-山梨醇的醇基可使纳米碳球不易团聚，降低了颗粒间的范德华引力，也降低了介质水的表面张力，从而使粒子在锰酸锂分子中的分散效果更佳，且稳定性好，从而有利于使纳米碳球在锰酸锂分子间均匀扩散，提高正极活性材料的压实密度，并使粒度分布更均匀；另一方面，D-山梨醇的加入也可提高材料的导电性，从而提高正极极片的导电性能。
本发明进一步设置为：所述水性粘合剂为明胶。
通过采用上述技术方案，明胶是大分子的胶原质，具有一定的粘合力，且明胶具有良好的分散作用，能是正极材料的表面形成一层保护胶体，有利于导电剂在正极活性材料表面的分散，使电池可具有较高的容量和良好的循环性能；水性粘合剂取代了正极材料PVDF体系溶剂NMP的使用，降低成本的同时也更环保。
本发明进一步设置为：所述导电剂为乙炔黑或导电碳黑。
通过采用上述技术方案，导电剂可保证电极具有良好的充放电性能，在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用，以减小电极的接触电阻加速电子的移动速率，同时也能有效地提高锂离子在电极材料中的迁移速率，从而提高电极的充放电效率。
本发明还提供了一种电池正极极片的制备方法，包括如下步骤：
S1、正极活性材料的制备；称取所需重量份的组分，将对苯二甲酸溶于60-70份去离子水中，搅拌得到无色透明溶液，再加入锰酸锂、纳米碳球和D-山梨醇，在磁力搅拌上搅拌15-30min，充分混合均匀；然后再加入四乙氧基硅烷和过硫酸铵，搅拌、升温至60-80℃，反应2-3h；降温至20-25℃后，加入N-羟甲基丙烯酰胺，搅拌40-60min，得到初产物；最后在氮气保护下，将初产物放入旋转炉中，在300-500℃下进行3-4h的热处理，然后取出并冷却至室温，得到混合材料备用；
S2、正极极片的制备；称取所需重量份的组分，将水性粘合剂加入到搅拌缸内,再加入20-25份去离子水，200-300r/min分散5-8min，然后加入导电剂，先用300-400r/min搅拌10-15min，再加入65-70份S1中的混合材料，300-400r/min搅拌10-15min，然后用2500-2600r/min分散30-40min，再加入剩余的S1中的混合材料，300-400r/min搅拌10-15min，2500-2600r/min分散90-100min，再加入5-10份去离子水调整粘度至4200-4600mPa·s，在铝箔上涂布干燥后得到正极极片。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.通过加入纳米碳球填充锰酸锂分子间的间隙，以活性较高的对苯二甲酸作为溶剂，D-山梨醇的醇基降低了颗粒间的范德华引力，也降低了介质水的表面张力，可使纳米碳球不易团聚，而使粒子在锰酸锂分子中的分散效果更佳，且稳定性好，有利于使纳米碳球在锰酸锂分子间均匀扩散，使纳米碳球在锰酸锂中起较好的物理交联作用，从而使正极活性材料的结构密度得到提高，继而有利于提高正极极片的压实密度；
2.在过硫酸铵的引发作用下，四乙氧基硅烷可对纳米碳球的表面进行改性使其与锰酸锂的结合更稳定，由此避免了大量纳米碳球的加入导致纳米碳球与锰酸锂的结合不够紧密，无法起物理交联的作用，并使纳米粒子从锰酸锂中脱离出来磨损锰酸锂而增大对锰酸锂的磨耗量；另外，四乙氧基硅烷的加入可使正极活性材料的表面更光滑，有利于提高压实密度；3.四乙氧基硅烷在对苯二甲酸提供的酸性条件下水解成含有硅羟基的硅酸，N-羟甲基丙烯酰胺中含有的羟甲基与硅羟基通过缩合作用交联形成稳定的网络装体型结构，从而提高锰酸锂和纳米碳球混合物的结构稳定性，抑制材料在充放电循环过程中的相变，从而使材料的高温循环和储存性能得到改善。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种电池正极极片的制备方法，包括如下步骤：
S1、正极活性材料的制备；称取所需重量份的组分，将对苯二甲酸溶于70份去离子水中，搅拌得到无色透明溶液，再加入锰酸锂、纳米碳球和D-山梨醇，在磁力搅拌上搅拌30min，充分混合均匀；然后再加入四乙氧基硅烷和过硫酸铵，搅拌、升温至80℃，反应3h；降温至25℃后，加入N-羟甲基丙烯酰胺，搅拌60min，得到初产物；最后在氮气保护下，将初产物放入旋转炉中，在500℃下进行4h的热处理，然后取出并冷却至室温，得到混合材料备用；
S2、正极极片的制备；称取所需重量份的组分，将水性粘合剂加入到搅拌缸内,再加入25份去离子水，300r/min分散8min，然后加入导电剂，先用400r/min搅拌15min，再加入70份S1中的混合材料，400r/min搅拌15min，然后用2600r/min分散40min，再加入剩余的S1中的混合材料，400r/min搅拌15min，2600r/min分散100min，再加入10份去离子水调整粘度至4200mPa·s，在铝箔上涂布干燥后得到正极极片；各组分含量如下表1所示。
实施例2
一种电池正极极片的制备方法，包括如下步骤：
S1、正极活性材料的制备；称取所需重量份的组分，将对苯二甲酸溶于60份去离子水中，搅拌得到无色透明溶液，再加入锰酸锂、纳米碳球和D-山梨醇，在磁力搅拌上搅拌15min，充分混合均匀；然后再加入四乙氧基硅烷和过硫酸铵，搅拌、升温至60℃，反应2h；降温至20℃后，加入N-羟甲基丙烯酰胺，搅拌40min，得到初产物；最后在氮气保护下，将初产物放入旋转炉中，在300℃下进行3h的热处理，然后取出并冷却至室温，得到混合材料备用；
S2、正极极片的制备；称取所需重量份的组分，将水性粘合剂加入到搅拌缸内,再加入20份去离子水，200r/min分散5min，然后加入导电剂，先用300r/min搅拌10min，再加入65份5S1中的混合材料，300r/min搅拌10min，然后用2500r/min分散30-40min，再加入剩余的S1中的混合材料，300r/min搅拌10min，2500r/min分散90min，再加入5份去离子水调整粘度至4600mPa·s，在铝箔上涂布干燥后得到正极极片；各组分含量如下表1所示。
实施例3
一种电池正极极片的制备方法，包括如下步骤：
S1、正极活性材料的制备；称取所需重量份的组分，将对苯二甲酸溶于65份去离子水中，搅拌得到无色透明溶液，再加入锰酸锂、纳米碳球和D-山梨醇，在磁力搅拌上搅拌20min，充分混合均匀；然后再加入四乙氧基硅烷和过硫酸铵，搅拌、升温至70℃，反应2h；降温至23℃后，加入N-羟甲基丙烯酰胺，搅拌52min，得到初产物；最后在氮气保护下，将初产物放入旋转炉中，在390℃下进行3h的热处理，然后取出并冷却至室温，得到混合材料备用；
S2、正极极片的制备；称取所需重量份的组分，将水性粘合剂加入到搅拌缸内,再加入23份去离子水，260r/min分散7min，然后加入导电剂，先用350r/min搅拌12min，再加入68份S1中的混合材料，320r/min搅拌13min，然后用2550r/min分散35min，再加入剩余的S1中的混合材料，350r/min搅拌13min，2570r/min分散95min，再加入6份去离子水调整粘度至4400mPa·s，在铝箔上涂布干燥后得到正极极片；各组分含量如下表1所示。
对比例1
与实施例1的区别在于，正极活性材料中不添加四乙氧基硅烷；各组分含量如下表1所示。
对比例2
与实施例1的区别在于，正极活性材料中不添加N-羟甲基丙烯酰胺；各组分含量如下表1所示。
对比例3
与实施例1的区别在于，正极活性材料中不添加四乙氧基硅烷和N-羟甲基丙烯酰胺；各组分含量如下表1所示。
对比例4
与实施例1的区别在于，正极活性材料中不添加D-山梨醇；各组分含量如下表1所示。
压实密度一般是指极片的单位体积上正极物料的重量，反映材料本身的性能；各实施例和对比例加入去离子水调整粘度后，得到粘度为4600mPa·s的浆料，将浆料均匀涂布于铝箔上，采用DYG-705对辊机测试各实施例和对比例的极片压实密度，结果如下表2所示。
各实施例和对比例加入去离子水调整粘度后，得到粘度为4600mPa·s的浆料，涂布过程中，烘箱温度设为：80/100/120/130/110，收卷速度为8.5m/min，双面面密度为580g/cm2，压实密度为2.8g/cm3，使用普通的18650 1200mAh通用负极片做成1200mAh电池，电池性能如下表3所示。
表1各实施例和对比例的组分含量
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
锰酸锂 80 70 75 80 80 80 80
纳米碳球 15 10 12 15 15 15 15
对苯二甲酸 3 2 2 3 3 3 3
四乙氧基硅烷 1 0.5 0.6 - 1 - 1
过硫酸铵 0.2 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 0.2
N-羟甲基丙烯酰胺 0.3 0.2 0.3 0.3 - - 0.3
D-山梨醇 0.3 0.2 0.2 0.3 0.3 0.3 -
水性粘合剂 8 6 7 8 8 8 8
导电剂 2 1 2 2 2 2 2
表2各实施例和对比例的压实密度
压实密度(g/cm3)
实施例1 3.4
实施例2 3.3
实施例3 3.3
对比例1 3.0
对比例2 3.1
对比例3 2.9
对比例4 3.1
表3各实施例和对比例按照0.5C充1C放电下1200mAh电池性能
容量(mAh) 克容量(mAh/g) 首次效率(％)
实施例1 1306.3 106.2 84.8
实施例2 1294.0 104.7 84.2
实施例3 1300.5 105.0 84.4
对比例1 1286.1 100.3 80.1
对比例2 1287.2 102.2 81.6
对比例3 1283.7 99.6 78.2
对比例4 1289.5 103.5 82.9
由上表2、3中的数据可知，四乙氧基硅烷、N-羟甲基丙烯酰胺和D-山梨醇的分别加入均有利于提高正极极片的压实密度，从而有利于提高电池的容量，以提高电池性能。
四乙氧基硅烷和N-羟甲基丙烯酰胺具有协同作用，可较大幅度地提高正极极片的压实密度，由此可提高电池的容量，达到提高电池性能的目的。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电池正极极片，包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面上的正极膜片，正极集流体为铝箔；其特征在于：按重量份数计，所述正极膜片包括如下重量份数的组分：
正极活性材料；
6-8份水性粘合剂；
1-2份导电剂；
所述正极活性材料包括如下重量份的组分：
70-80份锰酸锂；
10-15份纳米碳球；
2-3份对苯二甲酸。
2.根据权利要求1所述的一种电池正极极片，其特征在于：按重量份数计，所述正极活性材料还包括0.5-1份四乙氧基硅烷和0.1-0.2份过硫酸铵。
3.根据权利要求2所述的一种电池正极极片，其特征在于：按重量份数计，所述正极活性材料还包括0.2-0.3份N-羟甲基丙烯酰胺。
4.根据权利要求2所述的一种电池正极极片，其特征在于：按重量份数计，所述正极活性材料还包括0.2-0.3份D-山梨醇。
5.根据权利要求1所述的一种电池正极极片，其特征在于：所述水性粘合剂为明胶。
6.根据权利要求1所述的一种电池正极极片，其特征在于：所述导电剂为乙炔黑或导电碳黑。
7.根据权利要求1-6任一所述的电池正极极片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、正极活性材料的制备；称取所需重量份的组分，将对苯二甲酸溶于60-70份去离子水中，搅拌得到无色透明溶液，再加入锰酸锂、纳米碳球和D-山梨醇，在磁力搅拌上搅拌15-30min，充分混合均匀；然后再加入四乙氧基硅烷和过硫酸铵，搅拌、升温至60-80℃，反应2-3h；降温至20-25℃后，加入N-羟甲基丙烯酰胺，搅拌40-60min，得到初产物；最后在氮气保护下，将初产物放入旋转炉中，在300-500℃下进行3-4h的热处理，然后取出并冷却至室温，得到混合材料备用；
S2、正极极片的制备；称取所需重量份的组分，将水性粘合剂加入到搅拌缸内,再加入20-25份去离子水，200-300r/min分散5-8min，然后加入导电剂，先用300-400r/min搅拌10-15min，再加入65-70份S1中的混合材料，300-400r/min搅拌10-15min，然后用2500-2600r/min分散30-40min，再加入剩余的S1中的混合材料，300-400r/min搅拌10-15min，2500-2600r/min分散90-100min，再加入5-10份去离子水调整粘度至4200-4600mPa·s，在铝箔上涂布干燥后得到正极极片。
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