CN111180668A - 一种切面包覆的锂离子电池正极片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池正极片，其至少一侧切面包覆有聚氨酯涂层，所述聚氨酯涂层的厚度为90‑210微米。本发明通过在对电池正极片的切面进行喷涂聚氨酯，极大地降低了正极片切面的“毛刺”问题，同时通过聚氨酯的粘结性，减少了切面的掉粉问题，从而提高了生产制造过程的合格率以及提高了锂离子电池的安全性能。

Description

一种切面包覆的锂离子电池正极片及其制备方法
技术领域
本发明属于化学电源——锂离子电池技术领域，具体涉及切面包覆的锂离子电池正极片及其制备方法。
背景技术
自从1991年锂离子电池被商业化后，因其能量密度较高、循环寿命长、绿色环保等综合性能高，其在诸多领域得到快速而广泛的应用，包括军工、航天、工业生产和民用，等等，用途也包括了高倍率性能的动力供应和较低倍率性能的储能。近年来，随着国内和国际对新能源汽车和节能环保理念的社会需求进一步加强，锂离子电池的应用在车用领域得到进一步发展，未来仍将以较快的速度发展，产业前景依然光明。
尽管锂离子电池过去在社会发展进程中发挥了巨大的作用，但它也并非完美的产品，在其广泛的应用实践过程中，也先后出现过一系列的产品质量问题，在诸多问题中，最为引人关注的就是锂离子电池的安全性问题。比如，作为第一家商业化锂离子电池的日本著名制造商SONY公司，就曾供应过笔记本电脑用的锂离子电池组在使用过程中起火，该起火事件发生在消费者开会期间，后被媒体曝光。之后，业界对锂离子电池安全性方面问题的关注进一步提升，并进行了一系列的分析和完善。
在锂离子电池的结构设计和制造中，常规的做法是将含正极材料的正极片、多孔隔膜、含石墨或其它负极材料的负极片依次叠放，叠放后形状视具体应用，可为圆柱型或方块型，然后将叠放定位好的结构装入不同的容器中再往容器内灌注含有电解质的电解液使正极、隔膜和负极充分湿润，然后密封容器就做成了锂离子电池。正极、隔膜和负极三者一般的形状为长方形的薄片，它们三者之间的宽度一般是被设计成不同的，中间的隔膜最宽，将正极和负极充分隔离，正极宽度最小，负极宽度比正极宽度略大，这是因为在锂离子电池充电过程中，锂离子从正极迁移到负极，垂直方形对应的负极必须有足够的材料让锂离子嵌入，否者就会产生锂离子被还原生成金属单质，俗称“析锂”，析锂可导致电池内部短路，引起电池使用的安全问题。
让正极比负极宽度小的设计可以解决“析锂”的问题，但同时也产生了新的问题，那就是：正极边缘是分切设备分切产生的，因分切过程受设备性能和操作工艺的影响，正极的边缘并非完全平整，这种不平整导致了极片的两种缺陷：第一是“毛刺”的存在，毛刺可在使用过程中刺穿隔膜使电池内短路，导致生产合格率降低，更严重的是那些在制造过程中没有被有效检出的“毛刺”隐患，在后续的使用过程中可被某些作用比如震动激发形成内短路，引起鼓胀、发热和起火等安全问题；第二是电极材料脱落掉粉形成导电粉尘，这种掉落的粉尘可在电池内部形成微短路点，导致制造过程合格降低，同时也可能形成电池的内短路。
因此，解决锂离子电池极片切面的缺陷问题具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种切面包覆的锂离子电池正极片及其制备方法，该制备方法降低了正极片切面的“毛刺”问题，同时通过聚氨酯的粘结性，减少了切面的掉粉问题。
本发明通过如下技术方案来实现：
一种锂离子电池正极片，其至少一侧切面包覆有聚氨酯涂层。
在其中一个实施例中，两侧切面包覆有聚氨酯涂层。
在其中一个实施例中，每侧所述聚氨酯涂层的厚度为10-210微米。
在其中一个实施例中，所述聚氨酯涂层的厚度为100-210微米。
在其中一个实施例中，所述聚氨酯涂层的厚度为180-210微米。
在其中一个实施例中，所述聚氨酯涂层的厚度为200±5微米。
一种上述锂离子电池正极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)、将成卷的电池正极片挂在二台距离为2±0.2米的滚轴座架上；
(2)、将二瓶装聚氨酯喷剂容器的喷嘴和喷涂夹具安装在滚轴座架的中间并分别垂直对准极片两侧的切面；
(3)、将二套可调恒温风筒安装在聚氨酯喷剂容器的喷嘴和收卷滚轴座架的中间，并使风筒出口中间垂直对准正极片切面；
(4)、启动滚轴电机使极片放卷倒带，倒带速度为10±0.5米/分钟；同时启动聚氨酯喷剂喷涂到正极片切面，通过调整喷涂速度来控制正极片切面的聚氨酯包覆厚度，得到包覆有聚氨酯涂层的锂离子电池正极片。
在其中一个实施例中，所述聚氨酯涂层的厚度为90-210微米。
在其中一个实施例中，所述步骤(4)中，同时启动恒温风筒对喷涂表面进行加热吹干，温度控制在80～90℃，风速为5～7L/S。
本发明通过在对电池正极片的两个切面进行喷涂聚氨酯，极大地降低了正极片切面的“毛刺”问题，同时通过聚氨酯的粘结性，减少了切面的掉粉问题，从而提高了生产制造过程的合格率以及提高了锂离子电池的安全性能。
本发明所述制备方法，具有效果佳、操作及使用设备简单、效率高和成本低等特点。
总之，本发明所述锂离子电池正极片及其制备方法，具有以下优点：
1、聚氨酯材料被应用到了锂离子电池的结构组织中，聚氨酯的优良性能得到充分利用；
2、通过喷涂和加热的方式实现了对锂电池正极片切面的包覆，工艺过程简单高效可控；
3、通过正极片切面聚氨酯包覆的工艺技术能到实现了对正极片切面“毛刺”和粉尘的消除和控制；
4、通过正极片切面聚氨酯包覆的工艺技术提升了产品的合格率和安全性。
附图说明
图1为喷涂装用夹具的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照实施例对本发明进行更全面的描述，以下给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。应理解，下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。实施例中所用到的各种常用试剂，均为市售产品。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和 /或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的其中一个实施例中，提供了一种锂离子电池正极片，其至少一侧切面包覆有聚氨酯涂层，优选地，两侧切面都包覆有聚氨酯涂层，更优选每侧所述聚氨酯涂层，且厚度分别为10-210微米。其中，一些实施例中，优选所述聚氨酯涂层的厚度为，20-50微米，50-100微米，100-210微米，或180-210微米，其中，最优选所述聚氨酯涂层的厚度为200微米左右。发明人发现，包覆聚氨酯涂层后，极片的“毛刺”和粉尘减少非常明显，特别是当聚氨酯涂层的厚度为100±10μm时，正极极片的粉尘短路数得到很大的降低；而在聚氨酯涂层的厚度为150μm以上时，正极极片的“毛刺”得到非常显著的降低，而当聚氨酯涂层的厚度达到200μm左右时，正极极片的“毛刺”问题得到消除。说明，当在正极极片切面涂覆有聚氨酯涂层时，正极极片的“毛刺”和粉尘短路的问题得到极大的改善。
以下通过具体实施例对进一步的阐述，但不用于限制本发明的保护范围。
实施例1
1、使用材料：工厂量产的型号为INR18650-2000mAh的锂离子电池正极片、聚氨酯喷剂(科建高分子材料(上海)有限公司生产，牌号KJ-1807)。
2、使用设备：喷涂装用夹具(如图1)，可调恒温风筒(佛山姚江电子有限公司，8018型号)，收放卷料滚轴座架。
3、切面聚氨酯的包覆过程：
3.1将成卷的电池正极片挂在二台距离为2米的滚轴座架上；
3.2将二瓶装聚氨酯喷剂容器的喷嘴和所述喷涂夹具安装在滚轴座架的中间并分别垂直对准正极片两侧的切面；
3.3将二套可调恒温风筒安装在聚氨酯喷嘴和收卷滚轴座架的中间，并使风筒出口中间垂直对准正极片切面；
3.4启动滚轴电机使正极片放卷倒带，倒带速度为10米/分钟；同时启动聚氨酯喷剂喷涂到极片切面，通过调整喷涂速度来控制切面的聚氨酯包覆厚度，厚度范围为T，T＝10～210微米；同时启动恒温风筒对喷涂表面进行加热吹干，温度控制在80～90℃，风速为5～7L/S；
评价：测试10000只注液前的极组结构(包含正极片)的短路数量S(工业生产时由设备自动检测，正负极片之间的电阻小于200兆欧定义为短路)，分析分别属于粉尘、毛刺和其它因素引起的短路的数量Sa、Sb和Sc。其中，
S＝Sa+Sb+Sc。
对比例1
(1)在正常量产的型号为INR18650-2000mAh的一个批次的50000片正极片中进行分组标记，每组10000片，组别分别标记为A、B、C、D和E。
(2)取A组极片按正常生产过程(未包覆聚氨酯)制成10000个极组结构。(3)
用直流电阻测试仪检测短路(极组正负极片间电阻低于200兆欧)极组的数量S0。
(4)分析短路引起媒介，毛刺引起的数量为Sa0，粉尘引起的数量为Sb0，其它因素引起的数量为Sc0。
(5)分别记录S0、Sa0、Sb0和Sc0的值；(6)检测结果如表一所示：S0＝46、Sa0＝12、Sb0＝25、Sc0＝9。
数据说明：在正极片切面没有包覆的情况下，正常生产10000只极组中有 46只短路，即该项生产不合格率为0.46％，其中，毛刺、粉尘引起的短路分别为12只和25只，9只为其它因素引起的短路。
实施例2
(1)在正常量产的型号为INR18650-2000mAh的一个批次的50000片正极片中进行分组标记，每组10000片，组别分别标记为A、B、C、D和E。
(2)取B组极片包覆厚度为20±10μm的聚氨酯涂层，然后与负极片和隔膜一起制成10000个极组结构。
(3)用直流电阻测试仪检测短路(极组正负极片间电阻低于200兆欧)极组的数量S1。
(4)分析短路引起媒介，毛刺引起的数量为Sa1，粉尘引起的数量为Sb1，其它因素引起的数量为Sc1。
(5)分别记录S1、Sa1、Sb1和Sc1的值；结果如表一所示：S1＝25、Sa1＝4、 Sb1＝11、Sc1＝10。
与对比例1相比，本实施例所述极组结构总短路数量减少了21只，其中“毛刺”引起的短路数量减少了8只，粉尘引起的短路减少了14只，而其它因素引起的短路数量仅相差1只，说明正极片切面包覆厚度为20±10μm的聚氨酯涂层后，极片的“毛刺”和粉尘减少非常明显，二者减少短路的比率(短路减少数量/ 原短路数量*100％)分别达到了67％和56％。
实施例3
(1)在正常量产的型号为INR18650-2000mAh的一个批次的50000片正极片中进行分组标记，每组10000片，组别分别标记为A、B、C、D和E。
(2)取C组极片包覆厚度为50±10μm的聚氨酯涂层，然后与负极片和隔膜一起制成10000个极组结构。
(3)用直流电阻测试仪检测短路(极组正负极片间电阻低于200兆欧)极组的数量S2。
(4)分析短路引起媒介，毛刺引起的数量为Sa2，粉尘引起的数量为Sb2，其它因素引起的数量为Sc2。
(5)分别记录S2、Sa2、Sb2和Sc2的值；结果如表一所示：S2＝15、Sa2＝1、 Sb2＝6、Sc2＝8。
与实施例2相比，本实施例的总短路数量减少了10只，其中“毛刺”引起的短路数量减少了3只，粉尘引起的短路减少了5只，而其它因素引起的短路数量仅相差2只，说明正极片切面包覆厚度为50±10μm的聚氨酯涂层后，极片的“毛刺”和粉尘进一步减少，减少的原因可能跟包覆厚度增加后，部分长度较大的毛刺被充分包裹有关，同时切面的包裹进一步增强也有利于更多的粉尘被粘结住，减少掉落从而引起短路。
实施例4
(1)在正常量产的型号为INR18650-2000mAh的一个批次的50000片正极片中进行分组标记，每组10000片，组别分别标记为A、B、C、D和E。(2) 取D组极片包覆厚度为100±10μm的聚氨酯涂层，然后与负极片和隔膜一起制成10000个极组结构。(3)用直流电阻测试仪检测短路(极组正负极片间电阻低于200兆欧)极组的数量S3。(4)分析短路引起媒介，毛刺引起的数量为 Sa3，粉尘引起的数量为Sb3，其它因素引起的数量为Sc3(5)分别记录S3、 Sa3、Sb3和Sc3的值；结果如表一所示：S3＝13、Sa3＝1、Sb3＝3、Sc3＝9。
与实施例3相比，总短路数量仅减少了2只，其中“毛刺”引起的短路数量相同，均为1只，粉尘引起的短路数减少了3只，而其它因素引起的短路数量仅相差1只，说明正极片切面包覆厚度为100±10μm的聚氨酯涂层后，极片的“毛刺”没有比实施例3中的进一步减少，粉尘短路数则进一步减少到3只，包覆厚度从50μm增加到100μm后，对减少粉尘短路仍然有帮助。
实施例5
(1)在正常量产的型号为INR18650-2000mAh的一个批次的50000片正极片中进行分组标记，每组10000片，组别分别标记为A、B、C、D和E。
(2)取E组极片包覆厚度为200±10μm的聚氨酯涂层，然后与负极片和隔膜一起制成10000个极组结构。
(3)用直流电阻测试仪检测短路(极组正负极片间电阻低于200兆欧)极组的数量S4。
(4)分析短路引起媒介，毛刺引起的数量为Sa4，粉尘引起的数量为Sb4，其它因素引起的数量为Sc4。
(5)分别记录S4、Sa4、Sb4和Sc4的值；结果如表一所示：S4＝14、Sa4＝0、 Sb4＝4、Sc4＝10。
与实施例4相比，总短路数量已经不再减少，其中“毛刺”引起的短路数量减少到了0只，粉尘引起的短路减少到了4只，而其它因素引起的短路数量仅相差1只，说明正极片切面包覆厚度为200±10μm的聚氨酯涂层后，极片的“毛刺”和粉尘二者均得到了有效的控制。
表一
Figure BDA0002346059990000091
从表一可以看出，包覆聚氨酯材料后，总短路数量远比未包覆的正极极组结构少，而在包覆厚度为200左右微米时，“毛刺”引起的短路数量减少到最低。发明人发现，一般锂离子电池正极片厚度的范围不会超过200微米，包覆厚度增加到200微米后，包覆材料聚氨酯在切面的水平方向和垂直方向长度相当，较长的“毛刺”能被“淹没”在聚氨酯材料内部，避免了短路；另外，包覆厚度增加后，聚氨酯材料对正极切面尤其是正极材料的浸润和渗入量更多一些，切面边缘的材料得到粘结巩固，粉料掉落得到抑制，短路减少。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种锂离子电池正极片，其特征是，其至少一侧切面包覆有聚氨酯涂层。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极片，其特征是，两侧切面包覆有聚氨酯涂层。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池正极片，其特征是，每侧所述聚氨酯涂层的厚度为90-210微米。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池正极片，其特征是，所述聚氨酯涂层的厚度为100-210微米。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池正极片，其特征是，所述聚氨酯涂层的厚度为180-210微米。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池正极片，其特征是，所述聚氨酯涂层的厚度为200±5微米。
7.一种锂离子电池正极片的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)、将成卷的电池正极片挂在二台距离为2±0.2米的滚轴座架上；
(2)、将二瓶装聚氨酯喷剂容器的喷嘴和喷涂夹具安装在滚轴座架的中间并分别垂直对准电池正极片两侧的切面；
(3)、将二套可调恒温风筒安装在聚氨酯喷剂容器的喷嘴和收卷滚轴座架的中间，并使风筒出口中间垂直对准正极片切面；
(4)、启动滚轴电机使极片放卷倒带，倒带速度为10±0.5米/分钟；同时启动聚氨酯喷剂喷涂到正极片切面，通过调整喷涂速度来控制正极片切面的聚氨酯包覆厚度，得到包覆有聚氨酯涂层的锂离子电池正极片。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池正极片的制备方法，其特征是，所述聚氨酯涂层的厚度为90-210微米。
9.根据权利要求7或8所述的锂离子电池正极片的制备方法，其特征是，所述步骤(4)中，同时启动恒温风筒对喷涂表面进行加热吹干，温度控制在80～90℃，风速为5～7L/S。
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