CN111048738B - 一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，属于能源电池领域。将涂布层涂刷在集流体表面，涂布层干燥后将电池极片升温，同时进行辊压，得到电池极片；所述辊压采用的滚轮为常温或者低温；采用本发明的方法可以制造出在厚度方向有连续梯度变化的孔隙率的电池极片，使得该电池极片有很高的能量密度和很好的倍率性能，并且制作方法简单可行，制造成本低，有利于大规模的工业化生产。

Description

一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法
技术领域
本发明涉及一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，属于能源电池领域。
背景技术
随着社会的不断发展，电池为人们的日常生活提供了很大的便利，在便携移动设备、电动汽车、电动飞机等领域有广泛的应用。但是随着便携设备的不断发展，以及电动汽车和电动飞机等高功率设备的应用，都对电池的能量密度和倍率性能提出了越来越高的要求。
传统的电池极片是通过涂布、辊压和烘干等方式制成的，因此会有表面孔隙率小、内部孔隙率大的结构，这种结构在大电流放电时，电解液无法很好地渗透进极片内部，造成很大的浓差极化的产生，使得电化学反应速率的非均匀分布，导致容量无法正常发挥，从而影响电池的结构破坏，加速电池容量的衰减。
通过调节极片在厚度方向上的孔隙率可以有效地改善高倍率下电池的容量衰减情况，从而有效地提高电池的倍率性能和温度性能。目前专利通过分层涂布的方法制造有一定孔隙率梯度的电池极片，如CN 108448054A。这种分层涂布的方法需要频繁的更换电极浆料，操作较为繁琐，不利于工业化的生产，也大大增加了生产的成本，并且采用分层涂布方法制造的孔隙率梯度变化的电池极片，在不同孔隙率涂层之间会有明显的界限，孔隙率为简短梯度分布，导致电池在使用过程中内阻增大，不利于电池的充放电循环。
因此，就需要一种可以简便制造出具有孔隙率梯度分布的电池极片的制造方法，并且采用这种制造方法制造的电池极片的孔隙率是连续梯度分布的。
发明内容
本发明提供了一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，采用这种方法可以制造出在厚度方向有连续梯度变化的孔隙率的电池极片，使得该电池极片有很高的能量密度和很好的倍率性能，并且制作方法简单可行，制造成本低，有利于大规模的工业化生产。
本发明提供的制备方法是通过下述技术方案实现的。
一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，将涂布层涂刷在集流体表面，涂布层干燥后将电池极片升温，同时进行辊压，得到电池极片；
所述辊压采用的滚轮为常温或者低温；
所述电池极片包括集流体和涂刷在集流体表面的涂布层，所述涂布层的厚度的取值范围为10～3000μm，所述涂布层包含粘结剂、导电剂、活性物质和分散剂，所述涂布层的孔隙率从靠近集流体一侧到远离集流体一侧的方向上连续梯度增加。
作为优选，所述电池极片为锂电池的电池极片。
作为优选，所述电池极片有单面涂布层或双面涂布层。
作为优选，所述电池极片包括正极极片和负极极片。
作为进一步优选，当所述电池极片为正极极片时，所述集流体为铝箔。
作为进一步优选，当所述电池极片为负极极片时，所述集流体为铜箔。
作为优选，所述涂布层包括正极涂布层和负极涂布层。
作为进一步优选，当所述涂布层为正极涂布层时，涂布层由粘结剂、导电剂、活性物质和分散剂混合后经过干燥和差温辊压得到，所述粘结剂需要优良的导热性能、热变形能力和粘结正极活性物质的效果，因此选用聚偏氟乙烯，所述活性物质由于需要有高温稳定性和较高的能量密度，因此选用钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或三元系正极材料中的一种，所述导电剂由于需要有一定的导热性能，因此选用炭黑或石墨衍生材料中的至少一种，所述分散剂在涂布层中起分散其他物质的作用，因此可以选用N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、丙酮或四氢呋喃中的至少一种。所述干燥步骤是将分散剂蒸发，所述差温辊压是将需要辊压的电池极片温度升高，使得滚轮一侧的温度低于电池极片的温度，在所述涂布层从靠近所述集流体一侧到远离所述集流体一侧形成连续变化的温度梯度。
正极极片进行差温辊压的时候，由于正极极片涂布层中采用了粘结剂聚偏氟乙烯，粘结剂聚偏氟乙烯的模量随着温度的升高而降低，因此在靠近集流体一侧，由于温度较高引起粘结剂聚偏氟乙烯的模量较低从而导致靠近集流体一侧的涂布层整体变软更容易被压实，从而形成较小的孔隙率；在远离集流体一侧，由于温度较低引起粘结剂聚偏氟乙烯的模量较高从而导致远离集流体一侧的涂布层整体变硬难以被压实，从而形成较大的孔隙率，由于涂布层从靠近集流体一侧到远离集流体一侧有连续变化的温度梯度，因此涂布层在厚度方向形成连续梯度变化的孔隙率，从而制造出孔隙率连续梯度变化的电池正极极片。
作为进一步优选，当所述涂布层为负极涂布层时，涂布层由粘结剂、导电剂、活性物质和分散剂混合后经过干燥和差温辊压得到，所述粘结剂需要优良的导热性能、热变形能力和粘结负极活性物质的效果，因此选用丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠，所述活性物质由于需要有高温稳定性和较高的能量密度，因此选用石墨或硅基材料中的至少一种，所述导电剂由于需要有一定的导热性能，因此选用炭黑或石墨衍生材料中的至少一种，所述分散剂在涂布层中起分散其他物质的作用，因此选用去离子水。所述干燥步骤是将分散剂蒸发，所述差温辊压是将需要辊压的电池极片温度升高，使得滚轮一侧的温度低于电池极片的温度，在所述涂布层从靠近所述集流体一侧到远离所述集流体一侧形成连续变化的温度梯度。
负极极片进行差温辊压的时候，由于负极极片涂布层中采用了粘结剂丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠，粘结剂丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠的模量随着温度的升高而降低，因此在靠近集流体一侧，由于温度较高引起粘结剂丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠的模量较低从而导致涂布层整体变软更容易被压实，从而形成较小的孔隙率；在远离集流体一侧，由于温度较低引起粘结剂丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠的模量较高从而导致涂布层整体变硬难以被压实，从而形成较大的孔隙率，由于涂布层从靠近集流体一侧到远离集流体一侧有连续变化的温度梯度，因此涂布层在厚度方向形成连续梯度变化的孔隙率，从而制造出孔隙率连续梯度变化的电池负极极片。
作为优选，所述活性物质、导电剂和粘结剂的质量比例依次为(60％-95％)：(2％-25％)：(3％-30％)。
有益效果：
1、本发明公开的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，通过差温辊压可以制造出具有孔隙率连续梯度分布的电池极片，有利于电解液在电池极片中的分布和快速扩散，有效降低了电池在高充放电倍率下的浓差极化现象，使得电池有很好的电化学性能。
2、本发明公开的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，相比于多层喷涂和辊压的制造方法避免了层间接触性差、孔隙率不连续分布的问题，仅通过一次涂料和辊压，降低了制造成本，更加适用于工业化生产。
附图说明
图1是采用本发明公开的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法制备得到的具有单面涂布层的电池极片的结构示意图；
图2是采用本发明公开的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法制备得到的具有双面涂布层的电池极片的结构示意图。
其中：1—集流体；2—涂布层。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明提出的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法进行描述说明。
实施例1：
本实施例公开一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法制备得到的具有单面涂布层的电池极片，电池极片包括集流体1和与集流体1固定的涂布层2，所述涂布层的厚度为100μm，涂布层2的孔隙率从靠近集流体1一侧到远离集流体1一侧的方向上连续增加。
其中，电池极片包括正极极片和负极极片。
正极极片的制备方法为：将正极活性物质钴酸锂、粘结剂聚偏氟乙烯、导电剂炭黑和分散剂N-甲基吡咯烷酮按重量比95:3:2:80均匀混合得到正极浆料，然后将得到的正极浆料均匀单面涂布在厚度为14μm的铝集流体1上，然后经过鼓风箱分段干燥和温差为40℃的差温辊压，辊压速度为10mm/s，从而得到具有孔隙率在电池极片厚度方向连续梯度变化的电池正极极片。
负极极片的制备方法为：将负极活性物质人造石墨、粘结剂丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠、导电剂炭黑和分散剂去离子水按重量比94:2:2:2:100均匀混合得到负极浆料，然后将得到的负极浆料均匀单面涂布在厚度为9μm的铜集流体1上，然后经过鼓风箱分段干燥和温差为50℃的差温辊压，辊压速度为10mm/s，从而得到具有孔隙率在电池极片厚度方向连续梯度变化的电池负极极片。
孔隙率梯度分布的正极极片和负极极片的微结构示意图如图1所示，孔隙率从靠近集流体一侧到远离集流体一侧连续梯度增加。
将制备好的正极极片和负极极片、商用隔膜卷绕成电池电芯，再进行封装、注液、静置、化成和循环等步骤加工成锂离子电池，采用本制备方法制造的孔隙率连续梯度变化的电池极片组装的锂离子电池在高倍率充放电的条件下循环寿命可以延长20％。
本实施例公开一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法的原理为：对电池极片进行差温辊压的时候，由于电池极片涂布层中采用了粘结剂，粘结剂的模量随着温度的升高而降低，因此在靠近集流体1一侧，由于温度较高引起粘结剂的模量较低从而导致涂布层2整体变软更容易被压实，从而形成较小的孔隙率；在远离集流体1一侧，由于温度较低引起粘结剂的模量较高从而导致涂布层2整体变硬难以被压实，从而形成较大的孔隙率，由于涂布层2从靠近集流体1一侧到远离集流体1一侧有连续变化的温度梯度，因此涂布层2在厚度方向形成连续梯度变化的孔隙率，从而制造出孔隙率连续梯度变化的电池极片。这种孔隙率分布有利于电解液在电池极片中的分布和快速扩散，有效降低了电池在高倍率下的浓差极化现象，有助于改善电池的电化学性能。
实施例2：
如图2所示，采用本实施例公开一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法制备得到的具有双面涂布层的电池极片，电池极片包括集流体1和与集流体1固定的涂布层2，所述涂布层的厚度为110μm，涂布层2从靠近集流体1的一侧到远离集流体1的方向上，涂布层2的孔隙率连续增加。
其中，电池极片包括正极极片和负极极片。
正极极片的制备方法为：将正极活性物质磷酸铁锂、粘结剂聚偏氟乙烯、导电剂炭黑和分散剂N-甲基吡咯烷酮按重量比96:2:2:85均匀混合得到正极浆料，然后将得到的正极浆料均匀双面涂布在厚度为14μm的铝集流体1上，然后经过鼓风箱分段干燥和温差为45℃的差温辊压，辊压速度为10mm/s，从而得到具有孔隙率在电池极片厚度方向连续梯度变化的电池正极极片。
负极极片的制备方法为：将负极活性物质人造石墨、粘结剂丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠、导电剂炭黑和分散剂去离子水按重量比94:2:2:2:100均匀混合得到负极浆料，然后将得到的负极浆料均匀双面涂布在厚度为9μm的铜集流体1上，然后经过鼓风箱分段干燥和温差为50℃的差温辊压，辊压速度为10mm/s，从而得到具有孔隙率在电池极片厚度方向连续梯度变化的电池负极极片。
孔隙率梯度分布的正极极片和负极极片的微结构示意图如图2所示，孔隙率从靠近集流体一侧到远离集流体一侧连续梯度增加。
将制备好的正极极片和负极极片、商用隔膜卷绕成电池电芯，再进行封装、注液、静置、化成和循环等步骤加工成锂离子电池，采用本制备方法制造的孔隙率连续梯度变化的电池极片组装的锂离子电池在高倍率充放电的条件下循环寿命可以延长20％。
本实施例公开一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法的原理为：对电池极片进行差温辊压的时候，由于电池极片涂布层中采用了粘结剂，粘结剂的模量随着温度的升高而降低，因此在靠近集流体1一侧，由于温度较高引起粘结剂的模量较低从而导致涂布层2整体变软更容易被压实，从而形成较小的孔隙率；在远离集流体1一侧，由于温度较低引起粘结剂的模量较高从而导致涂布层2整体变硬难以被压实，从而形成较大的孔隙率，由于涂布层2从靠近集流体1一侧到远离集流体1一侧有连续变化的温度梯度，因此涂布层2在厚度方向形成连续梯度变化的孔隙率，从而制造出孔隙率连续梯度变化的电池极片。这种孔隙率分布有利于电解液在电池极片中的分布和快速扩散，有效降低了电池在高倍率下的浓差极化现象，有助于改善电池的电化学性能。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，其特征在于：将涂布层涂刷在集流体表面，涂布层干燥后将电池极片升温，同时进行辊压，得到电池极片；所述辊压采用的滚轮为常温或者低温；
所述电池极片包括集流体(1)和涂刷在集流体(1)表面的涂布层(2)，所述涂布层的厚度的取值范围为10～3000μm，所述涂布层(2)包含粘结剂、导电剂、活性物质和分散剂，由于电池极片涂布层中采用了粘结剂，粘结剂的模量随着温度的升高而降低，因此在靠近集流体( 1) 一侧，由于温度较高引起粘结剂的模量较低从而导致涂布层( 2) 整体变软更容易被压实，从而形成较小的孔隙率；在远离集流体( 1) 一侧，由于温度较低引起粘结剂的模量较高从而导致涂布层( 2) 整体变硬难以被压实，从而形成较大的孔隙率，由于涂布层(2) 从靠近集流体( 1) 一侧到远离集流体( 1) 一侧有连续变化的温度梯度，因此涂布层( 2) 在厚度方向形成连续梯度变化的孔隙率，从而制造出孔隙率连续梯度变化的电池极片； 所述涂布层(2)的孔隙率从靠近集流体(1)一侧到远离集流体(1)一侧的方向上连续梯度增加；
所述干燥是将分散剂蒸发，差温辊压是将需要辊压的电池极片温度升高，使得滚轮一侧的温度低于电池极片的温度，在所述涂布层(2)从靠近所述集流体(1)一侧到远离所述集流体(1)一侧形成连续变化的温度梯度。
2.如权利要求1所述的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，其特征在于：所述电池极片为锂电池的电池极片。
3.如权利要求1或2所述的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，其特征在于：所述电池极片有单面涂布层或双面涂布层。
4.如权利要求3所述的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，其特征在于：所述电池极片包括正极极片和负极极片。
5.如权利要求1所述的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，其特征在于：当所述电池极片为正极极片时，所述集流体(1)为铝箔；当所述电池极片为负极极片时，所述集流体(1)为铜箔。
6.如权利要求1所述的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，其特征在于：所述涂布层包括正极涂布层和负极涂布层。
7.如权利要求1所述的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，其特征在于：当所述涂布层为正极涂布层或负极涂布层时，涂布层由粘结剂、导电剂、活性物质和分散剂混合后经过干燥和差温辊压得到，所述粘结剂需要优良的导热性能、热变形能力和粘结正极活性物质的效果，所述活性物质需要有高温稳定性和较高的能量密度，所述导电剂需要有一定的导热性能，所述分散剂在涂布层中起分散其他物质的作用。
8.如权利要求7所述的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，其特征在于：当所述涂布层为正极涂布层时，所述粘结剂为聚偏氟乙烯；所述活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或三元系正极材料中的一种；所述导电剂为炭黑或石墨衍生材料中的至少一种；所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、丙酮或四氢呋喃中的至少一种。
9.如权利要求7所述的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，其特征在于：当所述涂布层为负极涂布层时，所述粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠，所述活性物质为石墨或硅基材料中的至少一种，所述导电剂为炭黑或石墨衍生材料中的至少一种，所述分散剂为去离子水。
10.如权利要求1或7所述的一种能够提高电池性能的电池极片的制备方法，其特征在于：所述活性物质、导电剂和粘结剂的质量比例依次为(60％-95％)：(2％-25％)：(3％-30％)。
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