CN110993957A - 一种正极极片、负极极片以及高能量密度锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种正极极片、负极极片以及高能量密度锂离子电池，包括负极集流体以及依次涂覆于负极集流体表面的导电涂层和活性材料层，所述活性材料层的材料由负极活性材料、导电剂和粘结剂混合而成。本发明所述的锂离子电池减小了采用硅基材料、锡基材料、金属氧化物等高比容量负极时造成的不可逆容量损失，从而提高能量密度；采用无溶剂法制备极片，提高了极片的压实密度，进一步提高了能量密度，还避免了有机溶剂的使用。

Description

一种正极极片、负极极片以及高能量密度锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，尤其是涉及一种正极极片、负极极片以及高能量密度锂离子电池。
背景技术
为应对化石能源渐趋枯竭以及使用化石能源所造成的环境问题，研究开发清洁、高效储能技术成为全球的共识，尤其重点研究锂离子电池技术。
与铅酸、镍氢等传统的储能器件相比，锂离子电池具有工作电压高、循环性能好、能量和功率密度大的优点，广泛应用于手机、笔记本电脑、掌上电脑等电子产品，近些年在新能源汽车、储能等领域的发展尤其快速。然而，目前锂离子电池的应用普及收到多方面的制约，其中最大的障碍是其能量密度仍旧偏低，造成纯电动汽车续航里程不足以及智能手机待机时间短的问题。锂离子电池能量密度低主要是由两方面造成的，一是锂离子电池所用的正负极材料容量都达到了上限，进一步的提升基本没有空间；二是目前锂离子电池制造技术所得的极片压实密度低。当前所用的负极材料是石墨，其理论比容量为372mAh/g，在实际使用中石墨的实际使用比容量已经超过360mAh/g，亟待开发新的负极材料。当前研究比较多的负极材料包括硅基材料(如纳米硅、硅碳复合材料、硅氧化合物、硅基复合材料等)、锡基材料(如单质锡、氧化锡、锡基复合材料)以及过渡金属氧化物(如四氧化三铁、四氧化三钴、氧化铜等)，尤其是硅基材料是研究的热点，因为在室温下硅材料通过合金/去合金化过程形成Li3.75Si，其理论比容量高达3750mAh/g，石墨的十倍左右，是极具应用前景的负极材料。然而，这些负极材料都存在一个共性的缺点，即首次不可逆容量较大，表现为较低的首次效率，最终导致锂离子电池的能量密度降低。另外，目前锂离子电池极片的制造技术造成压实密度偏低，这因为在极片制备过程中要先在液体溶剂中将活性物质、导电剂、粘结剂混合，然后涂布到集流体上，再通过加热将溶剂除去，这导致在极片中会留下一些无效空间，造成所得锂离子电池的能量密度偏低。因此，急需发明一种能彻底改变现有常用的技术来提高锂离子电池能量密度。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种正极极片、负极极片以及高能量密度锂离子电池，以解决现有技术中锂离子电池的能量密度低的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种负极极片，包括负极集流体以及依次涂覆于负极集流体表面的导电涂层和活性材料层，所述活性材料层的材料由负极活性材料、导电剂和粘结剂混合而成。
进一步的，所述负极集流体为含锂铜箔，所述含锂铜箔中锂的质量比为大于0％且不大于40％，优选为0％-15％。
进一步的，所述含锂铜箔的厚度为1-200微米，优选为1-30微米。
上述负极极片的制备方法，包括如下步骤：先将负极活性材料、导电剂、粘结剂的混合均匀后制备成薄膜，再经过冷压或热压到涂覆有导电涂层的负极集流体表面即得到负极极片。
一种正极极片，包括正极集流体以及依次涂覆于正极集流体表面的导电涂层和活性材料层，所述活性材料层的材料由正极活性材料、导电剂和粘结剂混合而成。
上述正极极片的制备方法，包括如下步骤：先将正极活性材料、导电剂、粘结剂的混合均匀后制备成薄膜，再经过冷压或热压到涂覆有导电涂层的正极集流体表面即得到正极极片。
上述正极极片和负极极片中导电涂层厚度为0-10微米。
一种锂离子电池，所述锂离子电池中的负极极片为上述的负极极片，所述正极极片为上述的正极极片，所述导电涂层的材料由导电剂和粘结剂混合而成，所述导电剂为SP、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、金属丝或碳纤维中一种或两种以上的混合物，所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸、聚乙烯醇中一种或两种以上的混合物。
进一步的，所述负极材料为天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳、石墨烯、石墨烯复合材料、纳米硅、硅碳复合材料、Sn、SnO2、Co3O4、Fe3O4、Fe2O3、CuO、NiO中一种或两种以上的混合物。
进一步的，所述正极材料为钴酸锂、尖晶石锰酸锂、尖晶石镍锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、磷酸钒锂中一种或两种以上的混合物。
上述锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)在负极集流体表面涂覆导电涂层，将负极材料、导电剂、粘结剂混合均匀后制成薄膜，然后通过热压或冷压将薄膜压到带有导电涂层的集流体上，得到负极极片；
(2)在正极集流体表面涂覆导电涂层，将正极活性材料、导电剂、粘结剂混合均匀后制成薄膜，然后通过热压或冷压将薄膜压到带有导电涂层的集流体上，得到所述的正极极片；
(3)将正极片、负极片、隔膜组装成电芯，加注电解液，最后封装得到所述的锂离子电池。
相对于现有技术，本发明所述的锂离子电池具有以下优势：
(1)减小采用硅基材料、锡基材料、金属氧化物等高比容量负极时造成的不可逆容量损失，从而提高能量密度；
(2)采用无溶剂法制备极片，提高了极片的压实密度，进一步提高了能量密度，还避免了有机溶剂的使用；
(3)该方法简单，成本低，易于实施，便于工业化。
附图说明
图1为实施例1的锂离子电池的首次充放电曲线；
图2为实施例3和对照组的循环性能比较。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
实施例1
本实施例提供一种提高锂离子电池能量密度的方法，其包括如下步骤：
步骤一：采用厚度为30微米、含锂量为6％的含锂铜箔作为负极的集流体，并涂上以SP为导电剂和羧甲基纤维素钠为粘结剂的导电涂层，获得带有导电涂层的含锂铜箔；采用铝箔作为正极的集流体，并涂上以SP为导电剂和羧甲基纤维素钠为粘结剂的导电涂层，获得带有导电涂层的铝箔；
步骤二：制备负极极片，将硅碳材料、SP和聚四氟乙烯充分混合，再碾压成薄膜，然后热压到带有导电涂层的含锂铜箔上，获得负极极片；
步骤三：制备正极极片，将钴酸锂、SP和聚四氟乙烯充分混合，再碾压成薄膜，然后热压到带有导电涂层的铝箔上，获得正极极片；
步骤四：将步骤二所得的负极极片和步骤三所得的正极极片与隔膜组装成电芯，加注锂离子电池电解液，最后封装得到锂离子电池；
对照组：采用同样的材料，负极极片的集流体使用普通铜箔，采用溶剂法制备正负极浆料，然后涂覆在集流体上，再经过辊压得到正负极极片，最后封装成锂离子电池。
实施例2
本实施例提供一种提高锂离子电池能量密度的方法，其包括如下步骤：
步骤一：采用厚度为12微米、含锂量为12％的含锂铜箔作为负极的集流体，并涂上以碳纳米管为导电剂和聚丙烯酸为粘结剂的导电涂层，获得带有导电涂层的含锂铜箔；采用铝箔作为正极的集流体，并涂上以碳纳米管为导电剂和聚丙烯酸为粘结剂的导电涂层，获得带有导电涂层的铝箔；
步骤二：制备负极极片，将氧化亚硅、乙炔黑和聚四氟乙烯充分混合，再碾压成薄膜，然后热压到带有导电涂层的含锂铜箔上，获得负极极片；
步骤三：制备正极极片，将钴酸锂、SP和聚四氟乙烯充分混合，再碾压成薄膜，然后热压到带有导电涂层的铝箔上，获得正极极片；
步骤四：将步骤二所得的负极极片和步骤三所得的正极极片与隔膜组装成电芯，加注锂离子电池电解液，最后封装得到锂离子电池；
对照组：采用同样的材料，负极极片的集流体使用普通铜箔，采用溶剂法制备正负极浆料，然后涂覆在集流体上，再经过辊压得到正负极极片，最后封装成锂离子电池。
实施例3
本实施例提供一种提高锂离子电池能量密度的方法，其包括如下步骤：
步骤一：采用厚度为7微米、含锂量为2％的含锂铜箔作为负极的集流体，并涂上以石墨烯为导电剂和聚丙烯酸为粘结剂的导电涂层，获得带有导电涂层的含锂铜箔；采用铝箔作为正极的集流体，并涂上以石墨烯为导电剂和聚丙烯酸为粘结剂的导电涂层，获得带有导电涂层的铝箔；
步骤二：制备负极极片，将纳米硅材料、碳纳米管和聚偏二氟乙烯充分混合，然后喷涂到带有导电涂层的含锂铜箔上，经过加热辊压获得负极极片；
步骤三：制备正极极片，将钴酸锂、碳纳米管和聚偏二氟乙烯充分混合，再碾压成薄膜，然后热压到带有导电涂层的铝箔上，获得正极极片；
步骤四：将步骤二所得的负极极片和步骤三所得的正极极片与隔膜组装成电芯，加注锂离子电池电解液，最后封装得到锂离子电池；
对照组：采用同样的材料，负极极片的集流体使用普通铜箔，采用溶剂法制备正负极浆料，然后涂覆在集流体上，再经过辊压得到正负极极片，最后封装成锂离子电池。
实施例4
本实施例提供一种提高锂离子电池能量密度的方法，其包括如下步骤：
步骤一：采用厚度为12微米、含锂量为5％的含锂铜箔作为负极的集流体，并涂上以SP为导电剂和聚丙烯酸为粘结剂的导电涂层，获得带有导电涂层的含锂铜箔；采用铝箔作为正极的集流体，并涂上以SP为导电剂和聚丙烯酸为粘结剂的导电涂层，获得带有导电涂层的铝箔；
步骤二：制备负极极片，将二氧化锡、碳纳米管和聚偏二氟乙烯充分混合，再碾压成薄膜，然后热压到带有导电涂层的含锂铜箔上，获得负极极片；
步骤三：制备正极极片，将镍钴锰三元材料、碳纳米管和聚偏二氟乙烯充分混合，再碾压成薄膜，然后热压到带有导电涂层的铝箔上，获得正极极片；
步骤四：将步骤二所得的负极极片和步骤三所得的正极极片与隔膜组装成电芯，加注锂离子电池电解液，最后封装得到锂离子电池；
对照组：采用同样的材料，负极极片的集流体使用普通铜箔，采用溶剂法制备正负极浆料，然后涂覆在集流体上，再经过辊压得到正负极极片，最后封装成锂离子电池。
实施例5
本实施例提供一种提高锂离子电池能量密度的方法，其包括如下步骤：
步骤一：采用厚度为20微米、含锂量为10％的含锂铜箔作为负极的集流体，并涂上以SP为导电剂和聚丙烯酸为粘结剂的导电涂层，获得带有导电涂层的含锂铜箔；采用铝箔作为正极的集流体，并涂上以SP为导电剂和聚丙烯酸为粘结剂的导电涂层，获得带有导电涂层的铝箔；
步骤二：制备负极极片，将石墨烯包覆的四氧化三铁、SP和聚乙烯醇充分混合，再碾压成薄膜，然后热压到带有导电涂层的含锂铜箔上，获得负极极片；
步骤三：制备正极极片，将尖晶石锰酸锂、SP和聚乙烯醇充分混合，再碾压成薄膜，然后热压到带有导电涂层的铝箔上，获得正极极片；
步骤四：将步骤二所得的负极极片和步骤三所得的正极极片与隔膜组装成电芯，加注锂离子电池电解液，最后封装得到锂离子电池；
对照组：采用同样的材料，负极极片的集流体使用普通铜箔，采用溶剂法制备正负极浆料，然后涂覆在集流体上，再经过辊压得到正负极极片，最后封装成锂离子电池。
将各实施例的锂离子电池进行压实密度和首次充放电效率测试，得到如表1所述的结果数据和如图1和图2的曲线，可明显看出本发明的方法首次不可逆容量大大减少，铜锂合金箔作为集流体时循环稳定性较好。本发明的实施例相较于对照组的压实密度和首次充放电效率均有提高，故本发明的锂离子电池提高了电池能量密度。
表1.各实施例压实密度和首次效率及与对照组的对比。
Figure BDA0002336857900000081
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负极极片，其特征在于：包括负极集流体以及依次涂覆于负极集流体表面的导电涂层和活性材料层，所述活性材料层的材料由负极活性材料、导电剂和粘结剂混合而成。
2.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于：所述负极集流体为含锂铜箔，所述含锂铜箔中锂的质量比为大于0％且不大于40％，优选为0％-15％。
3.根据权利要求2所述的负极极片，其特征在于：所述含锂铜箔的厚度为1-200微米，优选为1-30微米。
4.权利要求1-3任一所述的负极极片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：先将负极活性材料、导电剂、粘结剂的混合均匀后制备成薄膜，再经过冷压或热压到涂覆有导电涂层的负极集流体表面即得到负极极片。
5.一种正极极片，其特征在于：包括正极集流体以及依次涂覆于正极集流体表面的导电涂层和活性材料层，所述活性材料层的材料由正极活性材料、导电剂和粘结剂混合而成。
6.权利要求5所述的正极极片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：先将正极活性材料、导电剂、粘结剂的混合均匀后制备成薄膜，再经过冷压或热压到涂覆有导电涂层的正极集流体表面即得到正极极片。
7.一种锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池中的负极极片为权利要求1-3任一所述的负极极片，所述正极极片为权利要求5所述的正极极片，所述导电涂层的材料由导电剂和粘结剂混合而成，所述导电剂为SP、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、金属丝或碳纤维中一种或两种以上的混合物，所述粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸、聚乙烯醇中一种或两种以上的混合物。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于：所述负极材料为天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳、石墨烯、石墨烯复合材料、纳米硅、硅碳复合材料、Sn、SnO2、Co3O4、Fe3O4、Fe2O3、CuO、NiO中一种或两种以上的混合物。
9.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于：所述正极材料为钴酸锂、尖晶石锰酸锂、尖晶石镍锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、磷酸钒锂中一种或两种以上的混合物。
10.权利要求7-9任一所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
(1)在负极集流体表面涂覆导电涂层，将负极材料、导电剂、粘结剂混合均匀后制成薄膜，然后通过热压或冷压将薄膜压到带有导电涂层的集流体上，得到负极极片；
(2)在正极集流体表面涂覆导电涂层，将正极活性材料、导电剂、粘结剂混合均匀后制成薄膜，然后通过热压或冷压将薄膜压到带有导电涂层的集流体上，得到所述的正极极片；
(3)将正极片、负极片、隔膜组装成电芯，加注电解液，最后封装得到所述的锂离子电池。
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