CN111640911A - 一种新型高负载极片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高负载极片及其制备方法，该高负载极片由活性材料、导电剂、粘结剂及金属粉末混合压制而成，其中，所述活性材料的重量百分含量为40～90％，导电剂的重量百分含量为1％～10％，粘结剂的重量百分含量为1～30％，金属粉末的重量百分含量为0％～50％。本发明的新型高负载极片舍弃铝箔、铜箔、不锈钢网等在电极材料中重量占比较重的常规金属集流体，以金属粉末充当三维集流体，可大幅提升电极的活性物质负载量，很大程度提升极片的能量密度，制得的极片具有导电性好、结构稳定等优点；而且，本发明通过混合压制的方法可简单高效地制备得到均匀光滑平整的大尺寸极片膜，克服了现有涂覆技术存在的负载量低、电极机械强度差、导电性差等问题。

Description

一种新型高负载极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型高负载极片及其制备方法，属于电池产品开发技术领域。
背景技术
现有的技术中，在锂离子、钠离子、钾离子电池中无论是正极还是负极极片的制备主要是通过将活性物质、导电添加剂、活性炭、粘结剂等和溶剂混合，分别制成正极和负极浆料，涂敷在相对应的正极和负极集流体上面，然后烘干作为极片。
随着化石能源消耗和电动车需求量的增加，开发高能量密度的电池已经成为一个必然的趋势。但这种涂敷薄膜电极想提高电池的能量密度只能通过增加涂敷层的厚度，而这必然会出现浆料间的粘结力不够导致粉料脱落、压实密度低、颗粒聚集、电子导电性不理想、电极组合物内部缺乏相互连通的孔道等情况，导致电解液的可及性差、反应迟缓、以及电解质、活性材料质量载荷(通常小于20mg cm-2)和面积容量(约4mAh cm-2)有限等问题；而且，涂覆过程复杂，很难实现大规模的生产的问题。
另外，重金属箔集流器等电化学惰性材料在电极重量中所占比重较大，必然会给整个电极能量密度带来不可避免的损失。
发明内容
发明目的：针对传统方法制备的电池极片存在的问题，本发明提供一种新型高负载极片，并提供了一种将极片的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种新型高负载极片，由活性材料、导电剂、粘结剂及金属粉末混合压制而成，其中，活性材料的重量百分含量为40％～90％，导电剂的重量百分含量为1％～10％，粘结剂的重量百分含量为1％～30％，金属粉末的重量百分含量为0％～50％。
活性材料可为锂离子、钠离子或钾离子等电池的正极活性材料或负极活性材料，活性材料粒径为200nm～5μm。
当活性材料为正极活性材料，制得的高负载极片为正极极片，正极极片中，金属粉末的重量百分含量优选为5％～50％。具体的，正极活性材料可为下述材料中的一种：用于锂离子电池正极的磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元材料以及商用锂离子电池的正极材料等，以及用于钾离子电池的普鲁士蓝及其类似物、聚阴离子、过渡金属氧化物(KxMO2)等正极材料。负极活性材料选自下述材料中的一种：用于钠离子电池负极的钛基化合物、合金类材料、金属化合物等，如氧化钛(TiO2)、硅(Si)、锡(Sn)、氧化锑(Sb2O4)等材料；用于钾离子电池的钛基、合金类、金属氧化物等负极材料。
导电剂可选自活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。优选的，活性炭、石墨烯的粒径在纳米级别，碳纳米管、碳纤维的长度为2μm～50μm。
粘接剂优选为聚四氟乙烯(PTFE)。
金属粉末可选自铜粉、铝粉、锌粉中的至少一种，金属粉末的粒径优选为100nm～100μm。
本发明所述的一种新型高负载极片的制备方法，包括下述步骤：
(1)根据原料组成称取活性材料、导电剂、粘结剂和金属粉末，在挥发性溶剂中混合均匀，得到胶状浆料；
(2)将步骤(1)所得胶装浆料多次碾压，制成均匀光滑平整的膜，然后真空烘干，即得所述新型高负载极片。
优选的，步骤(2)中，将胶装浆料在5～20Mpa的压力下多次碾压。进一步的，真空温度为60～120℃。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)本发明的新型高负载极片舍弃铝箔、铜箔、不锈钢网等在电极材料中重量占比较重的常规金属集流体，以金属粉末充当三维集流体，可大幅提升电极的活性物质负载量，从而很大程度提升极片的能量密度，制得的极片具有导电性好、结构稳定等优点；(2)本发明通过混合压制的方法可简单高效地制备得到均匀光滑平整的大尺寸极片膜，克服了现有涂覆技术制备极片存在的负载量低、电极机械强度差、导电性差等问题。
附图说明
图1为实施例2制备的锂离子纽扣电池的循环性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的新型高负载极片，由活性材料、导电剂、粘结剂及金属粉末混合压制而成，其中，活性材料的重量百分含量为40％～90％，导电剂的重量百分含量为1％～10％，粘结剂的重量百分含量为1％～30％，金属粉末的重量百分含量为0％～50％。当制备高负载正极极片时，其中包含的金属粉末的重量百分含量优选为5％～50％。
本发明采用混合压制的方法制成极片膜，并以金属粉末作为三维集流体替代常规的金属网、金属箔集流体，制备的极片可具有较高的活性物质负载量和高的能量密度，导电性好，结构稳定。
实施例1
本实施例制备锂离子电池正极片，并组装成纽扣电池，测试极片理化性能。
原料选择如下：活性材料采用磷酸铁锂(LiFePO4)，导电剂采用活性碳和碳纳米管，二者的重量比为1:1，碳纳米管的长度为2μm，粘结剂采用PTFE，金属粉末采用铝粉，铝粉的粒径为100nm。
制备过程为：取磷酸铁锂、活性炭、碳纳米管、PTFE和铝粉，将磷酸铁锂、导电剂、PTFE和铝粉按重量比75:10:10:5充分混合均匀，得胶状的浆料；然后将胶状浆料在5MPa的压力下通过多次碾压制成均匀光滑平整的膜，在真空烘箱中60℃保持30h，得到高负载极片。
将所得极片裁剪成直径为
Figure BDA0002550309290000032
的圆片，以金属锂片作为对电极，聚丙烯多孔膜作为隔膜材料，电解液为1mol LiPF6溶入EC/EMC/DMC(体积比1:1:1)，采用CR2032型号的电池壳，在高纯氩气的手套箱中组装成纽扣电池。
测得极片的理化性能为：极片厚度为100μm；0.2C(电流)容量发挥140mAh/g；20次循环保持率达96％；活性材料面负载量为28mg/cm2。
实施例2
本实施例制备锂离子电池正极片，并组装成纽扣电池，测试极片理化性能。
原料选择如下：活性材料采用磷酸铁锂(LiFePO4)，导电剂采用活性碳和碳纳米管，二者的重量比为1:3，碳纳米管的长度为10μm，粘结剂采用PTFE，金属粉末采用铝粉，铝粉的粒径为500nm。
制备过程为：取磷酸铁锂、活性炭、碳纳米管、PTFE和铝粉，将磷酸铁锂、导电剂、PTFE和铝粉按重量比50:10:30:10充分混合均匀，得胶状的浆料；然后将胶状浆料在10MPa的压力下通过多次碾压制成均匀光滑平整的膜，在真空烘箱中80℃保持30h，得到高负载极片。
将所得极片裁剪成直径为
Figure BDA0002550309290000031
的圆片，以金属锂片作为对电极，聚丙烯多孔膜作为隔膜材料，电解液为1mol LiPF6溶入EC/EMC/DEC(体积比1:1:1)，采用CR2032型号的电池壳，在高纯氩气的手套箱中组装成纽扣电池。
测得极片的理化性能为：极片厚度为200μm；0.2C(电流)容量发挥149mAh/g，如图1；20次循环保持率达98％；活性物质面负载量为30mg/cm2。
实施例3
本实施例制备锂离子电池正极片，并组装成纽扣电池，测试极片理化性能。
原料选择如下：活性材料采用钴酸锂((LiCo)O2)，导电剂采用活性碳和碳纳米管，二者的重量比为1:3，碳纳米管的长度为20μm，粘结剂采用PTFE，金属粉末采用铝粉，铝粉的粒径为50μm。
制备过程为：取钴酸锂、活性炭、碳纳米管、PTFE和铝粉，将以钴酸锂、导电剂、PTFE和铝粉按重量比40:5:5:50充分混合均匀，得胶状的浆料；然后将胶状浆料在15MPa的压力下碾压成片，在真空烘箱中100℃保持30h，得到极片。
将所得极片裁剪成直径为
Figure BDA0002550309290000042
的圆片，以金属锂片作为对电极，聚丙烯多孔膜作为隔膜材料，电解液为1mol LiPF6溶入EC/EMC/DEC(体积比1:1:1)，采用CR2032型号的电池壳，在高纯氩气的手套箱中组装成纽扣电池。
测得极片的理化性能为：极片厚度为300μm；0.2C(电流)容量发挥148mAh/g；20次循环保持率达96％；活性物质面负载量为35mg/cm2。
实施例4
本实施例制备锂离子电池正极片，并组装成纽扣电池，测试极片理化性能。
原料选择如下：活性材料采用镍钴锰三元材料(NCM523)，导电剂采用活性碳和碳纳米管，二者的重量比为1:5，碳纳米管的长度为50μm，粘结剂采用PTFE，金属粉末采用铝粉，铝粉的粒径为100μm。
制备过程为：取镍钴锰三元材料、活性炭、碳纳米管、PTFE和铝粉，将镍钴锰三元材料、导电剂、PTFE和铝粉按重量比90:2:1:7充分混合均匀，得胶状的浆料；然后将胶状浆料在10Mpa的压力下碾压成片，在真空烘箱中100℃保持30h，得到极片。
将所得极片裁剪成直径为
Figure BDA0002550309290000041
的圆片，以金属锂片作为对电极，聚丙烯多孔膜作为隔膜材料，电解液为1mol LiPF6溶入EC/EMC/DEC(体积比1:1:1)，采用CR2032型号的电池壳，在高纯氩气的手套箱中组装成纽扣电池。
测得极片的理化性能为：极片厚度为400μm；0.2C(电流)容量发挥155mAh/g；20次循环保持率达95％；活性物质面负载量为65mg/cm2。
以下对比例1～2主要对比金属粉末作为三维集流体和常规例中提到的铝箔或者铝网、不锈钢网等作为集流体时电极的负载情况和电池的电化学性能比较。
对比例1
本例分别制备含金属箔、金属网集流体锂离子电池正极片和不含金属箔、金属网集流体的锂离子电池正极片，并组装成纽扣电池，测试极片理化性能。
(1)含金属箔、金属网集流体的锂离子电池正极片
活性材料采用镍钴锰三元材料(NCM523)，导电剂系采用活性炭和碳纳米管，二者的重量比为1:5，碳纳米管的长度为20μm，粘结剂系采用聚四氟乙烯(PTFE)，集流体分别采用铝箔和不锈钢网。
①极片的制备工序，电极由三元材料NCM523、活性炭、碳纳米管、PTFE组成，分别取0.35g的NCM523、0.04g的导电剂、0.04g的PTFE；充分混合均匀后，将胶状的浆料碾压成片，通过加压将极片压在金属铝箔上面，施加压力为15MPa；在真空烘箱中100℃保持30h，得到极片得到直径为
Figure BDA0002550309290000052
的极片，以金属锂片作为对电极，聚丙烯多孔膜作为隔膜材料，电解液为1mol LiPF6溶入EC/EMC/DEC(体积比1:1:1)，采用的CR2032型号的电池壳，在高纯氩气的手套箱中组装成纽扣电池。
本例所述极片的理化性能：极片厚度为300μm；0.2C(电流)下容量发挥140mAh/g；10次循环保持率达90％；活性物质占总极片百分数为76.4％。
②极片的制备工序，电极由三元材料NCM523、活性炭、碳纳米管、PTFE组成；分别取0.35g的NCM523、0.04g的导电剂、0.04g的PTFE；充分混合均匀后，将胶状的浆料碾压成片，通过加压将极片压在不锈钢网上面，施加压力为15MPa；在真空烘箱中100℃保持30h，得到极片得到直径为
Figure BDA0002550309290000051
的极片，以金属锂片作为对电极，聚丙烯多孔膜作为隔膜材料，电解液为1mol LiPF6溶入EC/EMC/DEC(体积比1:1:1)，采用的CR2032型号的电池壳，在高纯氩气的手套箱中组装成纽扣电池。
本例所述极片的理化性能：极片厚度为300μm；0.2C(电流)下容量发挥：148mAh/g；10次循环保持率达96％；活性物质占总极片百分数为55.1％。
(2)不含金属箔、金属网集流体
活性材料采用镍钴锰三元材料(NCM523)，导电剂采用活性炭和碳纳米管，二者的重量比例为1:5，碳纳米管的长度为20μm，粘结剂采用聚四氟乙烯(PTFE)，金属粉末为铝粉，铝粉的粒径为50μm。
极片的制备过程为：
分别取0.35g的NCM523、0.01g的导电剂、0.04g的PTFE、0.03g的铝粉，充分混合均匀后，将胶状的浆料碾压成片，施加压力为15MPa；在真空烘箱中100℃保持30h，得到直径为
Figure BDA0002550309290000061
的极片，以金属锂片作为对电极，聚丙烯多孔膜作为隔膜材料，电解液为1mol LiPF6溶入EC/EMC/DEC(体积比1:1:1)，采用的CR2032型号的电池壳，在高纯氩气的手套箱中组装成纽扣电池。
本例所述极片的理化性能：极片厚度为300μm；0.2C(电流)下容量发挥145mAh/g；10次循环保持率达95％；活性物质占总极片百分数为81.4％。
从对比例中可以明显看到采用金属粉末作为三维集流体具有更高的活性物质占比，可以提供更高的能量密度。

Claims (10)

1.一种新型高负载极片，其特征在于，所述高负载极片由活性材料、导电剂、粘结剂及金属粉末混合压制而成，其中，所述活性材料的重量百分含量为40％～90％，导电剂的重量百分含量为1％～10％，粘结剂的重量百分含量为1％～30％，金属粉末的重量百分含量为0％～50％。
2.根据权利要求1所述的新型高负载极片，其特征在于，所述活性材料为正极活性材料，金属粉末的重量百分含量为5％～50％。
3.根据权利要求2所述的新型高负载极片，其特征在于，所述正极活性材料选自下述材料中的一种：用作锂离子电池正极的磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元材料，以及用作钾离子电池正极的普鲁士蓝及其类似物、聚阴离子、过渡金属氧化物。
4.根据权利要求1所述的新型高负载极片，其特征在于，所述活性材料为负极活性材料，该负极活性材料选自下述材料中的一种：用作钠离子电池负极的钛基化合物、合金类材料和金属化合物，以及用作钾离子电池负极的钛基材料、合金材料、金属氧化物。
5.根据权利要求1所述的新型高负载极片，其特征在于，所述导电剂选自活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的至少一种，其中，所述活性炭、石墨烯的粒径在纳米级别，碳纳米管、碳纤维的长度为2μm～50μm。
6.根据权利要求1所述的新型高负载极片，其特征在于，所述粘接剂为聚四氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的新型高负载极片，其特征在于，所述金属粉末选自铜粉、铝粉、锌粉中的至少一种，金属粉末的粒径为100nm～100μm。
8.一种权利要求1所述的新型高负载极片的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)根据原料组成称取活性材料、导电剂、粘结剂和金属粉末，在挥发性溶剂中混合均匀，得到胶状浆料；
(2)将步骤(1)所得胶装浆料多次碾压，制成均匀光滑平整的膜，然后真空烘干，即得所述新型高负载极片。
9.根据权利要求8所述的新型高负载极片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将所述胶装浆料在5～20Mpa的压力下多次碾压。
10.根据权利要求8所述的新型高负载极片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述真空烘干温度为60～120℃。
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