CN110767875A - 一种锂离子电池极片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池极片，包括集流体及涂布在集流体表面的活性物质，活性物质的原料按重量百分比包括：活性材料95.0‑99.0％，粘结剂0.5‑2.5％，导电剂0.5‑2.5％；其中，导电剂包括导电剂A、导电剂B中的至少一种，导电剂A为超导炭黑、乙炔黑、导电石墨、科琴黑中的至少一种；导电剂B为碳纳米管、石墨烯中的至少一种。本发明通过零维材料与一维、二维材料以适宜比例相互组合，使各部分优势互补，发挥协同作用，可针对性的提高电池的活性物质使用量，提高能量密度。

Description

一种锂离子电池极片
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池极片。
背景技术
导电剂属锂电池辅材范畴，用量较少，但不可替代。导电剂作为锂离子电池材料的重要部分，首要作用是提供电子移动的通道，在活性物质之间、活性物质与集流体之间收集微电流，以减小电极的接触电阻，加速电子的移动速率。此外，导电剂也可以提高极片加工性，促进电解液对极片的浸润，有效提高锂离子在电极材料中的迁移速率，降低极化，从而提高电极的充放电效率和锂电池的使用寿命。导电剂含量太低则电子导电通道少，会导致电极中活性物质利用率低，且不利于大电流充放电；导电剂含量太高则降低了活性物质的相对含量，使电池容量降低，选用合适的导电剂用量可获得较高的放电容量和较好的循环性能。
锂电池正极片已经从开始的炭黑等传统导电剂，到现今的高级导电剂碳纳米管、石墨烯，并已得到广泛的应用，然而各自存在各自的优缺点：导电炭黑属初级粒子属于零维球体，与正极颗粒间为点对点接触且导电系数低，搭建导电网络需求导电剂量较大，不利提高电池能量密度；碳纳米管属一维材料，与正极材料间为点与线的接触，导电系数高，添加少量即可满足电性能要求，但其与炭黑相比极片膨胀率大，不易分散；石墨烯为二维材料与正极材料间为点与面的接触，扩大了正极材料与导电剂的接触，易搭建导电网络，能有效的减小极片内阻，由于其较强的范德华力，易团聚、分散困难。目前，导电剂主要以导电炭黑、石墨烯、碳纳米管与正极材料间构筑“点、线、面”三维协同输运网络。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种锂离子电池极片，本发明通过零维材料与一维、二维材料以适宜比例相互组合，使各部分优势互补，发挥协同作用，可针对性的提高电池的活性物质使用量，提高能量密度。
本发明提出的一种锂离子电池极片，包括集流体及涂布在集流体表面的活性物质，活性物质的原料按重量百分比包括：活性材料95.0-99.0％，粘结剂0.5-2.5％，导电剂0.5-2.5％；
其中，导电剂包括导电剂A、导电剂B中的至少一种，导电剂A为超导炭黑、乙炔黑、导电石墨、科琴黑中的至少一种；导电剂B为碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
优选地，当导电剂包括导电剂A和导电剂B时，导电剂A和导电剂B的重量比为1：0.25-4。
优选地，当导电剂B为碳纳米管和石墨烯时，碳纳米管和石墨烯的重量比为1：0.1-10。
优选地，碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或阵列碳纳米管。
优选地，石墨烯为单层石墨烯、少层石墨烯、多层石墨烯或石墨烯微片。
优选地，碳纳米管的管径为5-25nm，碳纳米管的管长为5-40μm。
优选地，石墨烯的层厚为1-5nm，石墨烯的片径为7-25μm。
优选地，将导电剂B配制成浆料后使用。
优选地，导电剂B的浆料的原料按重量百分比包括：导电剂B 3-10％，分散剂0.5-1.2％，其余为溶剂。
优选地，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮或聚偏氟乙烯。
优选地，溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
优选地，活性材料为正极活性材料或负极活性材料，正极活性材料为钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸亚铁锂、磷酸铁锰锂、镍锰酸锂中的至少一种，负极活性材料为人造石墨、天然石墨中的至少一种。
优选地，粘结剂为正极粘结剂或负极粘结剂，正极粘结剂为偏聚氟乙烯；负极粘结剂为羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶。
本发明的制备方法为：先将粘结剂与溶剂混匀得到胶液；再加入导电浆料混匀后，加入导电剂A混匀，接着加入活性材料混匀，最后涂布于集流体表面，烘烤，辊压得到电池极片。
本发明从极片电子电导能力到极片导电网络对锂离子扩散能力及扣式电池的循环、倍率等方面综合考虑，通过零维材料与一维、二维材料以适宜比例相互组合，使各部分优势互补，发挥协同作用，可针对性的提高电池的活性物质使用量，提高能量密度。
附图说明
图1为实施例1-7的电池极片的渗透曲线图。
图2为实施例1-3、实施例5-6的电池极片的交流阻抗图。
图3为实施例6-7的电池极片的扫描图。
图4为实施例1-3、实施例5-6的电池极片制备的电池的循环图。
图5为实施例1-3、实施例5-6的电池极片制备的电池的倍率图。
图6为实施例3-5、实施例7的电池极片制备的对比软包电池的倍率充电温升图。
图7为实施例3-5、实施例7的电池极片制备的对比软包电池的倍率放电温升图。
图8为实施例3-5、实施例7的电池极片制备的对比软包电池的高低温放电容量保持率图。
图9为实施例3-5、实施例7的电池极片制备的对比软包电池的高低温放电温升图。
图10为实施例3-5、实施例7的电池极片制备的对比软包电池的低温放电容量图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1-7
一种锂离子电池极片，包括集流体及涂布在集流体表面的活性物质，活性物质的原料重量百分比如下表所示：
Figure BDA0002239465180000041
Figure BDA0002239465180000051
备注：1.导电剂B的浆料的原料按重量百分比包括：导电剂B 5％，分散剂1％，其余为N-甲基吡咯烷酮，导电剂B为碳纳米管CNTs和石墨烯GNPs，CNTs和GNPs的重量比为1：0.43；
2.CNTs为双壁碳纳米管，管径为5-15nm，管长为10-20μm；石墨烯为石墨烯微片，层厚为3-5nm，片径为7-10μm。
实验例1
按照实施例1-7的配方分别制备极片，制备方法为：先将粘结剂与N-甲基吡咯烷酮混匀得到胶液；再加入导电剂B混匀后，加入导电剂A混匀，接着加入活性材料混匀得到正极浆料；用涂布机将正极浆料均匀涂布于16μm涂炭铝箔上，90℃烘烤12h，经辊压机辊压，得到同一压实的电池极片。
再以上述电池极片为正极片，负极采用锂片，隔膜选用PP或PE，制备扣式电池2025，活化后保留50％SOC，检测电池的交流阻抗、倍率及循环性能，其结果参见图1-5；
图1为实施例1-7的电池极片的渗透曲线图，由图1可以看出随着导电剂B量的增加，极片电阻率显著降低，当导电剂B添加量达到1.5％后，电阻率几乎不变，1.5％导电剂B是使用的渗透阈值，建议导电剂使用量为0.5-1.5％；
图2为实施例1-3、实施例5-6的电池极片的交流阻抗图，从图2可以看出，随着导电剂B量的增加，Rs呈现下降趋势，Rct在添加量为1％时有最小阻值，可能原因是石墨烯量少，无法提供足够的离子电子交换位点，过量阻碍了电解液中的锂离子传输，推荐导电剂B使用量为0.5-1.5％；
图3为实施例6-7的电池极片的扫描图，由图3可以发现实施例6的电池极片中导电剂交错排列、均匀分散，实施例7的电池极片中SP分散均匀；
图4为实施例1-3、实施例5-6的电池极片制备的电池的循环图，由图4可以看出，1C电流密度下实施例2的电池极片有着最高的放电比容量；
图5为实施例1-3、实施例5-6的电池极片制备的电池的倍率图，由图5可以看出，0.2C、0.33C电流密度下五组电池的放电比容量相差不大，1C、2C电流密度下，实施例1、5、6制备的电池容量相对有所衰减，实施例1容量下降是因为导电剂量不足无法快速转移电子，实施例5、实施例6容量衰减尤为明显，原因是在大倍率下，石墨烯片层对电解液中锂离子传输阻碍较为明显，推荐导电剂B使用范围为0.5-1.5％，可为进一步放大试验和生产做指导。
实验例2
按照实施例3、4、5、7的配方分别制备6.8Ah叠片软包电池作为对比软包电池，制备方法为：将粘结剂添加到N-甲基吡咯烷酮中制成透明胶液，再加入导电剂B混匀后，加入导电剂A混匀，接着加入活性材料混匀得到正极浆料；用涂布机将正极浆料均匀涂布于16μm涂炭铝箔上，经烘箱烘烤得到电池极片作为正极片，负极采用石墨负极；经烘烤、辊压、模切、制备成6.8Ah叠片软包电池，检测其电性能，结果参见图6-10；
图6为实施例3-5、实施例7的电池极片制备的对比软包电池的倍率充电温升图；图7为实施例3-5、实施例7的电池极片制备的对比软包电池的倍率放电温升图；由图6-7可以看出，四个软包电池的温升图都满足使用，但随着导电剂B量的增加，大倍率下(＞2C)电池温升增加；
图8为实施例3-5、实施例7的电池极片制备的对比软包电池的高低温放电容量保持率图；图9为实施例3-5、实施例7的电池极片制备的对比软包电池的高低温放电温升图；由图8-9可以看出，四个软包电池均满足使用要求，室温及高温性能差距不大，0℃以下实施例7的电池极片制备的软包电池容量保持率低；
图10为实施例3-5、实施例7的电池极片制备的对比软包电池的低温放电容量图；由图10可以看出，实施例7的电池极片制备的软包电池的低温容量最低，实施例5的电池极片制备的软包电池的容量最高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池极片，包括集流体及涂布在集流体表面的活性物质，其特征在于，活性物质的原料按重量百分比包括：活性材料95.0-99.0％，粘结剂0.5-2.5％，导电剂0.5-2.5％；
其中，导电剂包括导电剂A、导电剂B中的至少一种，导电剂A为超导炭黑、乙炔黑、导电石墨、科琴黑中的至少一种；导电剂B为碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述锂离子电池极片，其特征在于，当导电剂包括导电剂A和导电剂B时，导电剂A和导电剂B的重量比为1：0.25-4。
3.根据权利要求1或2所述锂离子电池极片，其特征在于，当导电剂B为碳纳米管和石墨烯时，碳纳米管和石墨烯的重量比为1：0.1-10。
4.根据权利要求1-3任一项所述锂离子电池极片，其特征在于，碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或阵列碳纳米管。
5.根据权利要求1-4任一项所述锂离子电池极片，其特征在于，石墨烯为单层石墨烯、少层石墨烯、多层石墨烯或石墨烯微片。
6.根据权利要求1-5任一项所述锂离子电池极片，其特征在于，碳纳米管的管径为5-25nm，碳纳米管的管长为5-40μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述锂离子电池极片，其特征在于，石墨烯的层厚为1-5nm，石墨烯的片径为7-25μm。
8.根据权利要求1-7任一项所述锂离子电池极片，其特征在于，将导电剂B配制成浆料后使用；优选地，导电剂B的浆料的原料按重量百分比包括：导电剂B 3-10％，分散剂0.5-1.2％，其余为溶剂；优选地，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮或聚偏氟乙烯；优选地，溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
9.根据权利要求1-8任一项所述锂离子电池极片，其特征在于，活性材料为正极活性材料或负极活性材料，正极活性材料为钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸亚铁锂、磷酸铁锰锂、镍锰酸锂中的至少一种，负极活性材料为人造石墨、天然石墨中的至少一种。
10.根据权利要求1-9任一项所述锂离子电池极片，其特征在于，粘结剂为正极粘结剂或负极粘结剂，正极粘结剂为偏聚氟乙烯；负极粘结剂为羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶。
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