CN110993885A - 一种二次电池用电极的成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二次电池用电极制备方法，包括以下步骤首先将电极活性物质、导电剂以及其它添加剂材料和一种或几种高分子材料（粘结剂）混合均匀，然后在一定的压力下制成特定的块状固体物，之后将其切成薄片，最后将薄片压制在金属集流体材料上制得电极。本发明所制作的电极厚度可控，且薄片和集流体是分开成型的，给了二次电池生产中的其他工艺参数的更大调控的自由度，例如薄片可以单独在180℃以上干燥（避免集流体在高温下的氧化）去除水分或其它溶剂，为做出高性能、低成本的二次电池提供可能。

Description

一种二次电池用电极的成型方法
技术领域
本发明设计一种二次电池用正负电极的制作方法，尤其涉及一种高强度，高质量比能量的电极片的制作工艺。
背景技术
二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。电池的充放电是通过固定在正负电极上的活性物质发生氧化还原反应来实现的。
通常二次电池的电极制作方法是通过以下途径实现的：首先将活性物质、导电剂、粘结剂材料以及其它功能添加剂材料按一定量的比例称量出来；再按照一定的次序投入到一定量的溶剂中（可选溶剂通常是水、氮甲基吡咯烷酮等极性溶剂），在分散设备的高剪切搅拌的情况向，将材料均匀分散在溶剂中，制得一定粘度的浆料（含有固体颗粒物的悬浮乳液）；之后再将这样的混合浆料均匀的涂敷在金属集流体箔材（单面或双面涂覆）表面，烘干挥发掉溶剂，在一定的压力下压制成含有金属集流体的电极成品。
通常方法制作电极的过程，主要存在如下两个明显的劣势：1.单位面积的集流体材料上的可涂覆的固体电极材料的量比较少，通常为（涂覆的单面）20-50mg/cm3；2.浆料在涂覆到金属集流体上之后，需要通过加热烘烤的方式去除溶剂，因为金属集流体容易被氧化，烘烤温度一般不超过130℃，因此溶剂残留往往比较多，典型值在120-500ppm，溶剂的残余往往极大地影响二次电池的性能，例如循环寿命。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种生产方便，操作简单，电极厚度可控，提高了电池的能量密度，提升了电池的各项性能的一种二次电池用电极的成型方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种二次电池用电极的成型方法，包括以下步骤：
a）、将电极活性物质、导电剂、功能添加剂以及粘结剂混合均匀，b）、将混合物在模型中压制成长宽厚分别是L、W、Ts的块状固体（单位mm），其中L、W的数值为最终所需的电极的含有活性物质区域的长和宽的数值，Ts的数值为1.2mm-20000mm。
c）、沿着厚度（Ts）的方向，将固体块状物切削成薄片，薄片的厚度为T，T的数值为0.05mm-5mm，
d）、将两片长宽厚分别为L、W、T的薄片，在压力为20-4000kg/㎡，温度为20-130℃的环境下，将薄片压到集流体的上下两面，所述集流体的长宽与薄片相同，就制得最终电极。
本发明的进一步改进在于：所述电极活性物质为钴酸锂、磷酸亚铁锂、镍钴锰三元材料、锰酸锂、石墨粉、氢氧化镍、氧化锌、储氢合金材料、铅粉、二氧化锰、硫酸铅中的一种或一种以上的混合物。
本发明的进一步改进在于：所述导电剂为石墨粉、碳黑、碳纳米管、石墨烯、锌粉、二氧化铅、氧化钴、铜粉、镍粉、铝粉、锡粉中的一种或一种以上的混合物。
本发明的进一步改进在于：所述功能添加剂材料为二氧化锡、氧化钙、氧化铝、氧化镁、氧化铜、氧化镍、氧化铋、氧化铟、氧化银、稀土氧化物中的一种或一种以上的混合物。
本发明的进一步改进在于：所述粘结剂为聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、丁苯橡胶（SBR）、聚丙烯酸树脂、聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纤维素钠（CMC）中的一种或一种以上的混合物。
本发明的进一步改进在于：所述步骤a）中的混合，是指无溶剂添加的搅拌混合、有溶剂添加的搅拌混合、有溶剂添加的挤压混合（类似揉面工艺）或这三种混合的任意次数、任意次序的叠加操作。
本发明的进一步改进在于：所述有溶剂添加的混合在混合结束后，将溶剂从混合物中挥发除去，制得最终的待压制的混合物为固体，所述溶剂为去离子水、异丙醇、乙醇、四氯化碳、氮甲基吡咯烷酮、丙酮、石油醚中的一种或一种以上的混合物。
本发明的进一步改进在于：所述集流体为铜箔、铝箔、铜板、铝板、铜合金板、铝合金板、铜网、铝网、低碳钢薄、不锈钢薄、不锈钢网、低碳钢网或以以上述及的材料为基材的镀镍、镀锡、镀银、镀金或叠加导电塑料的复合物材料。
本发明的进一步改进在于：所述Ts的数值为100mm-1000mm。
本发明的进一步改进在于：T的数值为0.45mm-1.5mm。
本发明与现有技术相比具有的优点为：
本发明从根本上解决了通常制作电极的过程中存在的两个问题，首先是通过压片后再切片再压在金属集流体上的的方式，可以精确的切出厚度0.05-5mm的含有活性物质的薄片，折合成质量约为10-1300mg/cm3，从而提高电池的能量密度10-40%；其次含有活性物质和其他添加剂的电极薄片的成型是独立于金属集流体存在的，因此可以在较高的温度下烘烤电极片以去除溶剂（或环境中的吸收的水分），例如180℃下烘烤，溶剂残余量可以降低到10-50ppm，从而提升电极活性物质的比容量的发挥，电池的搁置性能和电池的循环寿命等，制作的电极厚度可控，且薄片和集流体是分开成型的，给了二次电池生产中的其他工艺参数的更大调控的自由度，例如薄片可以单独在180℃以上干燥（避免集流体在高温下的氧化）去除水分或其它溶剂，从而能够做出高性能、低成本的二次电池。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
称取849g磷酸亚铁锂粉末材料，75g石墨粉、20g碳黑、55gPTFE粉末，0.5g氧化钙，0.5g氧化镁，分别倒入一金属开口容器，手动搅拌混合5分钟，将带有1kg粉料的金属容器置于恒温烘箱中，125℃放置25分钟，迅速取出，将1kg粉料倒入高速混料机中混合3分钟，混料机的转速设置为16000转/分钟。倒出混合粉料，留用。
将上步得到的混合粉料倒入到长宽深分别为60mm*60mm*450mm的模腔内，在模腔的上开口处采用油压机带动一个外形为59.8mm*59.8mm的压块，对模腔内的粉体进行挤压成60mm*60mm*95mm的立方块。
将压制成型的立方块，放置在切割机床上，沿着和60mm*60mm面平行的方向，将立方块切割成1.2mm厚的薄片。切出的薄片采用180℃烘烤2小时，在露点-45℃的环境中将薄片取出，测试其中的水分含量为36ppm。在同样湿度的环境中，取两片60mm*60mm*1.2mm的薄片，中间夹一片60mm*60mm*0.05mm的铝片（铝片60mm边长处留有一个20mm*20mm的极耳，用于引出电流），在120℃，400kg/cm2的压强下压成电极A。
称取849g石墨粉， 95g碳黑、55gPTFE粉末，0.5g碳纳米管，0.5g氧化钙，分别倒入一金属开口容器，手动搅拌混合5分钟。将带有1kg粉料的金属容器置于恒温烘箱中，105℃放置25分钟，迅速取出，将1kg粉料倒入高速混料机中混合3分钟，混料机的转速设置为16000转/分钟。倒出混合粉料，留用。
将上步得到的混合粉料倒入到长宽深分别为60mm*60mm*450mm的模腔内，在模腔的上开口处采用油压机带动一个外形为59.8mm*59.8mm的压块，对模腔内的粉体进行挤压成60mm*60mm*135mm的立方块。
将压制成型的立方块，放置在切割机床上，沿着和60mm*60mm面平行的方向，将立方块切割成0.8mm厚的薄片。切出的薄片采用180℃烘烤2小时，在露点-45℃的环境中将薄片取出，测试其中的水分含量为52ppm。在同样湿度的环境中，取两片60mm*60mm*0.8mm的薄片，中间夹一片60mm*60mm*0.05mm的铜片（铜片60mm边长处留有一个20mm*20mm的极耳，用于引出电流），在120℃，400kg/cm2的压强下压成电极B。
在露点-45℃的环境中将3片电极A和4片电极B，采用常规锂离子电池叠片的装配工艺封装成电池，常规化成制得电池。
数据统计如下：3片电极A中累计含有磷酸铁锂材料约为64.2g，4片电极B中累计含有石墨粉约为40.3g。整个电池的重量为200.2g。电池以2A恒流充电到3.65V，再恒压10分钟，静置30分钟，2A恒流放电至2.5V，电池放出9.03Ah的容量，平均放电电压3.255V。简单计算磷酸铁锂材料的比容量为140.65mAh/g，石墨的比容量为224.07mAh/g。整个电池的比能量为146.8wh/kg。
该电池在室温下，以2A充放电150次，容量保持率约为98.33%。
对比例
采用常规锂电池涂布工艺制备出尺寸为60mm*60mm*0.260mm的含有85%的磷酸铁锂电极C，以及60mm*60mm*0.260mm的石墨电极D，每片电极C含磷酸铁锂为2.62g，每片电极D含有石墨为1.41g。选用25片电极C（累计含有磷酸铁锂约65g）和26片电极D（累计含有石墨约38g），在110℃烘烤2小时，在露点-45℃的环境中将薄电极C和电极D取出，测试其中的水分含量分别为206ppm和272ppm。
在露点-45℃的环境中将25片电极C和26片电极D，采用常规锂离子电池叠片的装配工艺封装成电池，常规化成制得电池。
数据统计如下：25片电极A中累计含有磷酸铁锂材料约为65g，26片电极D中累计含有石墨粉约为38g。整个电池的重量为246.2g。电池以2A恒流充电到3.65V，再恒压10分钟，静置30分钟，2A恒流放电至2.5V，电池放出9.13Ah的容量，平均放电电压3.250V，简单计算磷酸铁锂材料的比容量为140.46mAh/g，石墨的比容量为240.26mAh/g，整个电池的比能量为120.5wh/kg。
该电池在室温下，以2A充放电150次，容量保持率约为97.01%。
对比例
实施例以及对比例列表对比如下：
类别 实施例 对比例
正极片的水分含量 / ppm 36 206
负极极片的水分含量 / ppm 52 272
电池能量密度 / wh/kg 146.8 120.5
（150次）循环容量保持率 / % 98.33 97.01
本发明从根本上解决了通常制作电极的过程中存在的两个问题，首先是通过压片后再切片再压在金属集流体上的的方式，可以精确的切出厚度0.05-5mm的含有活性物质的薄片，折合成质量约为10-1300mg/cm3，从而提高电池的能量密度10-40%；其次含有活性物质和其他添加剂的电极薄片的成型是独立于金属集流体存在的，因此可以在较高的温度下烘烤电极片以去除溶剂（或环境中的吸收的水分），例如180℃下烘烤，溶剂残余量可以降低到10-50ppm，从而提升电极活性物质的比容量的发挥，电池的搁置性能和电池的循环寿命等，制作的电极厚度可控，且薄片和集流体是分开成型的，给了二次电池生产中的其他工艺参数的更大调控的自由度，例如薄片可以单独在180℃以上干燥（避免集流体在高温下的氧化）去除水分或其它溶剂，从而能够做出高性能、低成本的二次电池。
申请人又一声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的实现方法及装置结构，但本发明并不局限于上述实施方式，即不意味着本发明必须依赖上述方法及结构才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对 本发明的任何改进，对本发明所选用实现方法等效替换及步骤的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开的范围之内。
本发明并不限于上述实施方式，凡采用和本发明相似结构及其方法来实现本发明目的的所有方式，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二次电池用电极的成型方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）、将电极活性物质、导电剂、功能添加剂以及粘结剂混合均匀，b）、将混合物在模型中压制成长宽厚分别是L、W、Ts的块状固体，其中L、W的数值为最终所需的电极的含有活性物质区域的长和宽的数值，Ts的数值为1.2mm-20000mm；
c）、沿着厚度的方向，将固体块状物切削成薄片，薄片的厚度为T，T的数值为0.05mm-5mm，
d）、将两片长宽厚分别为L、W、T的薄片，在压力为20-4000kg/㎡，温度为20-130℃的环境下，将薄片压到集流体的上下两面，所述集流体的长宽与薄片相同，就制得最终电极。
2.根据权利要求1所述的二次电池用电极的成型方法，其特征在于：所述电极活性物质为钴酸锂、磷酸亚铁锂、镍钴锰三元材料、锰酸锂、石墨粉、氢氧化镍、氧化锌、储氢合金材料、铅粉、二氧化锰、硫酸铅中的一种或一种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的二次电池用电极的成型方法，其特征在于：所述导电剂为石墨粉、碳黑、碳纳米管、石墨烯、锌粉、二氧化铅、氧化钴、铜粉、镍粉、铝粉、锡粉中的一种或一种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述的二次电池用电极的成型方法，其特征在于：所述功能添加剂材料为二氧化锡、氧化钙、氧化铝、氧化镁、氧化铜、氧化镍、氧化铋、氧化铟、氧化银、稀土氧化物中的一种或一种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的二次电池用电极的成型方法，其特征在于：所述粘结剂为聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、丁苯橡胶（SBR）、聚丙烯酸树脂、聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纤维素钠（CMC）中的一种或一种以上的混合物。
6.根据权利要求1所述的二次电池用电极的成型方法，其特征在于：所述步骤a）中的混合，是指无溶剂添加的搅拌混合、有溶剂添加的搅拌混合、有溶剂添加的挤压混合或这三种混合的任意次数、任意次序的叠加操作。
7.根据权利要求6所述的二次电池用电极的成型方法，其特征在于：所述有溶剂添加的混合在混合结束后，将溶剂从混合物中挥发除去，制得最终的待压制的混合物为固体，所述溶剂为去离子水、异丙醇、乙醇、四氯化碳、氮甲基吡咯烷酮、丙酮、石油醚中的一种或一种以上的混合物。
8.根据权利要求1所述的二次电池用电极的成型方法，其特征在于：所述集流体为铜箔、铝箔、铜板、铝板、铜合金板、铝合金板、铜网、铝网、低碳钢薄、不锈钢薄、不锈钢网、低碳钢网或以以上述及的材料为基材的镀镍、镀锡、镀银、镀金或叠加导电塑料的复合物材料。
9.根据权利要求1所述的二次电池用电极的成型方法，其特征在于：所述Ts的数值为100mm-1000mm。
10.根据权利要求1所述的二次电池用电极的成型方法，其特征在于：T的数值为0.45mm-1.5mm。
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