CN111864178A - 一种锂电池厚极片辊压方法、极片辊压装置及其锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锂电池厚极片辊压方法、极片辊压装置及其锂电池，将正极浆料及负极浆料分别涂覆在涂碳铝箔及铜箔上，分别得到正负极片。对极片进行一次辊压后，再进行二次辊压，获得一定压实密度的厚极片。对厚极片模切后，得到相应的厚正极片和厚负极片，与隔膜经卷绕、组装、烘烤、注液、化成、分容制得锂电池。辊压装置的辊轴表面均匀分布圆形凹点，辊压后的厚极片表面均匀分布凹点，有利于增大极片的比表面积，提高电解液在电池注液时的浸润性。拆解电池后的极片表面无褶皱且界面平整，可使极片减少掉粉，集流体不容易划伤隔膜引起电池短路，也可增加活性物和集流体的依附性、不会导致活性物质脱落集流体，也会对电芯的容量和安全性能有所提升。
Description
技术领域
本发明涉及电池工艺技术领域，具体为一种锂电池厚极片辊压方法、极片辊压装置及其锂电池。
背景技术
提升能量密度和降低成本是锂离子电池行业的目标，增加极片活性物质载量，不但能提升能量密度，还可以减少正负极集流体及隔膜用量，达到降低成本的目的；但厚极片也带来了一系列问题，电池极化大，电池极片较厚，锂离子扩散的路径增加，极片厚度方向会产生很大的锂离子浓度梯度，且极片压实密度增大，孔隙变得更小，极片厚度方向锂离子运动的路径更长，另外材料与电解液之间接触面积减小，电解液浸润困难，电极反应场所减少，电池内阻也会增大，进而引起电池温升高、倍率性能差、循环性能差等问题。
在能源危机和环境污染问题的压力下，安全、环保、节能已成为当今汽车发展的主题，新能源汽车因其节能、环保无污染的优势，受到交通、能源部门的高度重视和大力扶持。而动力电池作为新能源汽车的关键，在其中起着非常重要的作用。其中动力电池作为电动汽车的动力来源，是电动汽车的关键部件。近年来动力电池价格昂贵，续航里程短，一直是行业发展的制约点，为此需要降低成本及提升能量密度。中国专利CN109148820A中公开了一种厚极片的制备方法及其高能量密度软包锂离子电池，描述了厚极片制备方法及配方，但存在电解液浸润困难、电池极化大等问题；中国CN107093701A 中公开了一种具有优异电化学性能的厚电极制备方法及锂离子电池，描述了电极厚度大于300μm的制备方法，但未解决高压实下厚电极的极化大、电解液浸润困难等问题。中国专利CN106531961B公开了一种锂离子电池电极极片、极片辊压装置及锂离子电池。制备厚极片表面具有特定形状的沟槽，能显著提高电池中电解液保有量，有利于电池长循环使用；而且厚极片表面均匀分布特定形状沟槽，有利于电解液的渗透和扩散，提高了电池的倍率充放电电化学性能。但其表面凸台在辊压时存在磨损主辊的风险，容易造成主辊损伤。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，如：加入表面活性剂、多孔活性物等物质使得成本高；厚电极难以做到高压实，低压实下进一步提高不了能量密度；厚电极的极化大、电解液浸润困难，电化学性能差；难以实现大规模加工量产。提供一种锂电池厚极片辊压方法、辊压装置及其锂电池，通过正负极配方优化和极片辊压装置的改进，可制备出电性能优异的正负极厚电极，从而得到一种电化学性能优异的高能量密度锂电池。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
本发明提供一种锂电池厚极片辊压方法，将正极浆料及负极浆料分别涂覆在涂碳铝箔及铜箔上，分别得到厚度为300-400μm的正极片和200-300μm 的负极片。对所述正极片和所述负极片进行一次辊压后，再进行二次辊压，获得厚正极片和厚负极片。
优选的，所述正极片经一次辊压的压实密度为2.0-2.4g/cc，二次辊压的压实密度为2.55-2.7g/cc；所述负极片经一次辊压的压实密度为1-1.2g/cc，二次辊压的压实密度为1.3-1.7g/cc。
本发明还提供一种极片辊压装置，包括极片辊压装置上述锂电池极片，极片辊压装置中的辊轴以及辊轴表面均匀分布的凹点，所述辊轴表面均匀分布半圆形凹点，在极片辊压过程中，使所述极片辊压后均匀分布半圆形凹点，所述凹点间隙范围为50-500μm。
本发明还提供一种锂电池，包括厚正极片、厚负极片、隔膜、电解液以及铝壳，所述厚正极片辊压后表面均匀分布半圆形凹点，厚负极片辊压后表面均匀分布半圆形凹点；
优选的，厚正极片制备：将正极活性材料磷酸铁锂95-97％、导电剂 SP0.3-0.6％、乳液聚合型粘结剂PVDF0.8-0.9％和悬浮聚合型粘结剂 PVDF0.8-0.9％进行干混，然后加入分散剂0.3-0.6％、碳纳米管和石墨烯混合导电剂0.9-1.2％、溶剂混合搅拌均匀，其中碳纳米管直径2-7nm，达到黏度 5000-8000mPa·s，制备成正极浆料，将所述正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，烘干后得到厚度300-400μm的所述正极片，将所述极片进行二次辊压，再进行模切得到所述厚正极片；
优选的，厚负极片制备：将无定型炭包覆石墨94-96％、导电剂炭黑 1.8-2.1％、增稠剂0.9-1.20％进行干混，然后加入粘结剂1.5-1.8％及溶剂混合搅拌均匀，达到黏度2000-4000mPa·s，制备成负极浆料，将所述负极浆料涂覆在铜箔上，烘干后得到厚度200-300μm的所述负极片，对所述负极片进行二次辊压，再进行模切得到所述厚负极片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过改进锂电池辊压的方法，增大极片的比表面积，提高电解液在电池注液时的浸润性。拆解电池后的极片表面无褶皱且界面平整，可使极片减少掉粉，集流体不容易划伤隔膜引起电池短路，也可增加活性物和集流体的依附性、不会导致活性物质脱落集流体，也会对电芯的容量和循环性能有所提升。实现高压实下提高能量密度，电解液浸润性好，安全性能优异，成本低，易于实现大规模加工量产。
附图说明
图1为本发明的极片辊压装置中辊轴正视结构图；
图2为本发明的极片辊压装置中辊轴侧视结构图；
图3为本发明的锂电池厚极片的正视结构图；
图4为本发明的锂电池厚极片的俯视结构图。
图5为本发明循环寿命结果图。
其中：1、辊轴，2、辊轴凹点，3、厚极片，4、厚极片凹点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
厚正极片制备：将正极活性材料磷酸铁锂96.8％、导电剂SP0.5％、乳液聚合型粘结剂PVDF0.85％和悬浮聚合型粘结剂PVDF0.85％进行干混，然后加入分散剂0.5％、碳纳米管和石墨烯混合导电剂1.0％、溶剂混合搅拌均匀，其中碳纳米管直径5nm，达到黏度5000-8000mPa·s，制备成正极浆料，将正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，烘干后得到厚度300μm的正极片，经本发明极片辊压装置进行二次辊压，其中第一次辊压压实密度为2.0g/cc，第二次辊压压实密度为2.55g/cc，再进行模切得到厚正极片；
厚负极片制备：将无定型炭包覆石墨95.3％、导电剂炭黑2.0％、增稠剂 1.0％进行干混，然后加入粘结剂1.7％及溶剂混合搅拌均匀，达到黏度 2000-4000mPa·s，制备成负极浆料，将负极浆料涂覆在铜箔上，烘干后得到厚度200μm的极片，经本发明极片辊压装置进行二次辊压，其中第一次辊压压实密度为1.2g/cc，第二次辊压压实密度为1.65g/cc，再进行模切得到厚负极片；
将制得的厚正、负极片、隔膜经卷绕、组装、烘烤、注液、化成、分容得到所需高能量密度锂离子电池。
实施例2
厚正极片制备：将正极活性材料磷酸铁锂96.8％、导电剂SP0.6％、乳液聚合型粘结剂PVDF0.8％和悬浮聚合型粘结剂PVDF0.8％进行干混，然后加入分散剂0.5％、碳纳米管和石墨烯混合导电剂1.0％、溶剂混合搅拌均匀，其中碳纳米管直径5nm，达到黏度5000-8000mPa·s，制备成正极浆料，将正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，烘干后得到厚度300μm的正极片，经本发明极片辊压装置进行二次辊压，其中第一次辊压压实密度为2.1g/cc，第二次辊压压实密度为2.57g/cc，再进行模切得到厚正极片；
厚负极片制备：将无定型炭包覆石墨95.5％、导电剂炭黑1.9％、增稠剂 1.0％进行干混，然后加入粘结剂1.6％及溶剂混合搅拌均匀，达到黏度 2000-4000mPa·s，制备成负极浆料，将负极浆料涂覆在铜箔上，烘干后得到厚度200μm的极片，经本发明极片辊压装置进行二次辊压，其中第一次辊压压实密度为1.1g/cc，第二次辊压压实密度为1.68g/cc，再进行模切得到厚负极片；
将制得的厚正、负极片、隔膜经卷绕、组装、烘烤、注液、化成、分容得到所需高能量密度锂离子电池。
对比例1
与实施例1不同的是，厚正极片制备：
将正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，烘干后得到厚度300μm的正极片，经传统的辊轴表面光滑的辊压装置进行二次辊压，其中第一次辊压压实密度为 2.0g/cc，第二次辊压压实密度为2.55g/cc，再进行模切得到厚正极片；
厚负极片制备：将负极浆料涂覆在铜箔上，烘干后得到厚度200μm的极片，经传统的辊轴表面光滑的辊压装置进行二次辊压，其中第一次辊压压实密度为1.2g/cc，第二次辊压压实密度为1.65g/cc，再进行模切得到厚负极片。
其余同实施例1，在此不再赘述。
对比例2
与实施例1不同的是，厚正极片制备：
将正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，烘干后得到厚度300μm的正极片，经传统的辊轴表面光滑的辊压装置进行一次辊压，压实密度为2.55g/cc，再进行模切得到厚正极片；
厚负极片制备：将负极浆料涂覆在铜箔上，烘干后得到厚度200μm的极片，经传统的辊轴表面光滑的辊压装置进行一次辊压，压实密度为1.65g/cc，再进行模切得到厚负极片。
其余同实施例1，在此不再赘述。
对比例3
与实施例2不同的是，厚正极片制备：
将正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，烘干后得到厚度300μm的正极片，经传统的辊轴表面光滑的辊压装置进行二次辊压，其中第一次辊压压实密度为 2.1g/cc，第二次辊压压实密度为2.57g/cc，再进行模切得到厚正极片；
厚负极片制备：将负极浆料涂覆在铜箔上，烘干后得到厚度200μm的极片，经传统的辊轴表面光滑的辊压装置进行二次辊压，其中第一次辊压压实密度为1.1g/cc，第二次辊压压实密度为1.68g/cc，再进行模切得到厚负极片。
其余同实施例2，在此不再赘述。
对比例4
与实施例2不同的是，厚正极片制备：
将正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，烘干后得到厚度300μm的正极片，经传统的辊轴表面光滑的辊压装置进行一次辊压，压实密度为2.55g/cc，再进行模切得到厚正极片；
厚负极片制备：将负极浆料涂覆在铜箔上，烘干后得到厚度200μm的极片，经传统的辊轴表面光滑的辊压装置进行一次辊压，压实密度为1.65g/cc，再进行模切得到厚负极片。
其余同实施例2，在此不再赘述。
对所述实施例1-2、对比例1-4进行如下性能测试：
浸润性：在5米长辊压后极片上截取5段和适量电解液于手套箱内，在手套箱内用量程为20μl滴定管吸取适量电解液，每段极片上中下三个位置各滴一滴电解液，观察极片表面电解液扩散形貌且用秒表记录电解液浸润时间。
室温放电容量：蓄电池充满以1C电流放电至截至放电终止电压,重复5 次，
当连续3次试验结果的极差小于额定容量的3％，可提前结束试验，取最后三次试验结果的平均值。
高温荷电保持与容量恢复能力：锂离子蓄电池模块充满电，在高温60℃下储存7d，然后以1C电流放电至任一单体蓄电池电压达到放电终止电压，计算荷电保持率，再充满电以1C电流放电至任一单体蓄电池电压达到放电终止电压，计算容量恢复率。
循环寿命：(1)在25℃士2℃环境温度下，以1C电流放电，当电池电压达到截止电压2.5V时，终止放电，记录首次放电容量，静置30min；(2)以 1C恒流充电3.65V时转恒压充电，至充电终止电流降至0.05C时停止充电，静置30min；(3)以1C电流放电，当电池电压达到截止电压2.5V时，终止放电，记录放电容量，静置30min：(4)按照(2)-(3)步骤重复循环至容量保持率低至80％(容量保持率计算是循环后放电容量与首次放电容量比值)。
将电池拆解后，观察极片是否出现褶皱。
以上各项测试的结果如表1及图1所示。
表1性能测试结果
综上所述：本发明提供的一种锂电池厚极片辊压方法、极片辊压装置及其锂电池，实施例中的电解液浸润时间缩短，改善锂电池的电解液浸润性。实施例与对比例相比，制得的锂电池放电容量较高，荷电保持率以及容量保持率较高。图1可以看出，实施例制得锂电池循环寿命较长。拆解电池后，实施例中的锂电池均未出现褶皱，对比例中的锂离子电池会出现褶皱，本发明制得的锂电池安全性能有一定的提高作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种锂电池厚极片辊压方法，其特征在于，将正极浆料及负极浆料分别涂覆在涂碳铝箔及铜箔上，分别得到厚度为300-400μm的正极片和200-300μm的负极片。对所述正极片和所述负极片进行一次辊压后，再进行二次辊压，获得厚正极片和厚负极片。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池厚极片辊压方法，其特征在于，所述正极片一次辊压的压实密度为2.0-2.4g/cc，二次辊压的压实密度为2.55-2.7g/cc；所述负极片一次辊压的压实密度为1-1.2g/cc，二次辊压的压实密度为1.3-1.7g/cc。
3.一种极片辊压装置，其特征在于，所述极片辊压装置用于权利要求1和权利要求2所述的极片，包括辊轴以及辊轴表面均匀分布的凹点，所述辊轴表面均匀分布半圆形凹点，在极片辊压过程中，使所述极片辊压后均匀分布半圆形凹点，所述凹点间隙范围为50-500μm。
4.一种锂电池，其特征在于，包括厚正极片、厚负极片、隔膜、电解液以及铝壳，所述厚正极片辊压后表面均匀分布半圆形凹点，厚负极片辊压后表面均匀分布半圆形凹点。
5.根据权利要求4所述的一种锂电池，其特征在于，所述厚正极片制备：将正极活性材料磷酸铁锂95-97％、导电剂SP0.3-0.6％、乳液聚合型粘结剂PVDF0.8-0.9％和悬浮聚合型粘结剂PVDF0.8-0.9％进行干混，然后加入分散剂0.3-0.6％、碳纳米管和石墨烯混合导电剂0.9-1.2％、溶剂混合搅拌均匀，其中碳纳米管直径2-7nm，达到黏度5000-8000mPa·s，制备成正极浆料，将所述正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，烘干后得到厚度300-400μm的所述正极片，将所述极片进行二次辊压，再进行模切得到所述厚正极片；
厚负极片制备：将无定型炭包覆石墨94-96％、导电剂炭黑1.8-2.1％、增稠剂0.9-1.20％进行干混，然后加入粘结剂1.5-1.8％及溶剂混合搅拌均匀，达到黏度2000-4000mPa·s，制备成负极浆料，将所述负极浆料涂覆在铜箔上，烘干后得到厚度200-300μm的所述负极片，对所述负极片进行二次辊压，再进行模切得到所述厚负极片。
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