CN112490407B - 电极极片及其制备方法和锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种电极极片及其制备方法和锂离子电池，属于电池技术领域。一种电极极片，包括集流体、电极层和绝缘层，电极层层叠在所述集流体上；绝缘层层叠在所述集流体上，并与所述电极层相抵接，所述绝缘层包括对苯二甲酸二辛酯。上述电极极片的绝缘层包括对苯二甲酸二辛酯，当电极极片处于高温环境时，对苯二甲酸二辛酯开始分解产生气体，冲破防爆阀，防止电池起火，以提高电池的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种电极极片及其制备方法和锂离子电池。
背景技术
锂离子电池作为近年来高速发展的能源电池，具有能量密度高、荷电保持能力强、循环寿命长、无记忆效应等优点，目前广泛应用于手机、电脑、汽车等领域，在实现高性能的同时，需要兼顾安全性能。但锂离子电池在高温下很容易引起电解液添加剂起火，而使锂离子电池的安全性较低。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够提高电池安全性的电极极片。
此外，还提供了一种电极极片的制备方法和锂离子电池。
一种电极极片，包括：
集流体；
电极层，层叠在所述集流体上；
绝缘层，层叠在所述集流体上，并与所述电极层相抵接，所述绝缘层包括对苯二甲酸二辛酯。
上述电极极片的绝缘层包括对苯二甲酸二辛酯，当电极极片处于高温环境时，对苯二甲酸二辛酯开始分解产生气体，冲破防爆阀，防止电池起火，以提高电池的安全性。
在其中一个实施例中，所述绝缘层为两个，两个所述绝缘层分别位于所述电极层的两侧。
在其中一个实施例中，所述绝缘层和所述电极层均呈条形，所述绝缘层的延伸方向与所述电极层的延伸方向相同。
在其中一个实施例中，所述绝缘层还包括三氧化二铝和聚偏氟乙烯。
在其中一个实施例中，按照质量百分含量计，所述绝缘层包括50％～70％的三氧化二铝、20％～30％的对苯二甲酸二辛酯及10％～20％的聚偏氟乙烯。
在其中一个实施例中，所述绝缘层的宽度与所述电极层的宽度的比1:500～3:40。
在其中一个实施例中，所述绝缘层的厚度与所述电极层的厚度的比为2:15～5:3。
在其中一个实施例中，所述电极极片为正极极片或负极极片。
一种电极极片的制备方法，包括以下步骤：
提供电极浆料和绝缘浆料，其中，所述绝缘浆料包括对苯二甲酸二辛酯；
将所述电极浆料涂布在集流体上，将所述绝缘浆料涂布在所述集流体上，并与所述电极浆料相抵接，得到电极极片。
一种锂离子电池，包括上述的电极极片或者上述的电极极片的制备方法制得的电极极片。
附图说明
图1为一实施方式的电极极片的结构示意图；
图2为图1所示的电极极片的另一角度的结构示意图；
图3为实施例1制得的锂离子电池的耐高温测试图；
图4为对比例1制得的锂离子电池的耐高温测试图；
图5为实施例1制得的锂离子电池的穿刺测试图；
图6为对比例1制得的锂离子电池的穿刺测试图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。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。相反地，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。
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。本文中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。
请参阅图1和图2，一实施方式的电极极片10包括集流体100、电极层200和绝缘层300。
集流体100选自铝箔、铜箔中的一种。当电极极片10为正极极片时，集流体100为铝箔。进一步地，集流体100的厚度为9μm～16μm。
当电极极片10为负极极片时，集流体100为铜箔。进一步地，集流体100的厚度为4μm～16μm。
电极层200层叠在集流体100上。具体地，电极层200的厚度为60μm～300μm。具体地，电极层200的宽度为80mm～1000mm。
在其中一个实施例中，电极层200为正极材料层。具体地，正极材料层包括正极活性材料、第一导电剂和第一粘结剂。
具体地，正极活性材料选自磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂及镍钴锰三元材料中的至少一种。
具体地，第一导电剂选自乙炔黑、Super P(SP)、碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的至少一种。
具体地，第一粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。
在另一实施例中，电极层200为负极材料层。具体地，负极材料层包括负极活性材料、第二导电剂和第二粘结剂。
具体地，负极活性材料选自金属锂、石墨、无定形碳、中间相碳微球、硅单体、硅薄膜、纳米硅中的至少一种。
具体地，第二导电剂选自乙炔黑、Super P(SP)、碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的至少一种。
具体地，第二粘结剂选自丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)中的至少一种。
绝缘层300层叠在集流体100上，并与电极层200相抵接，绝缘层300包括对苯二甲酸二辛酯。进一步地，绝缘层300还包括三氧化二铝和聚偏氟乙烯。
具体地，按照质量百分含量计，绝缘层300包括50％～70％的三氧化二铝、20％～30％的对苯二甲酸二辛酯及10％～20％的聚偏氟乙烯。
进一步地，绝缘层300为两个，两个绝缘层300分别位于电极层200的两侧，而使电池在高温情况下产生足够的气体冲破防爆服，提高电池的安全性。
进一步地，绝缘层300和电极层200均呈条形，绝缘层300的延伸方向与电极层200的延伸方向相同。
进一步地，绝缘层300的宽度与电极层200的宽度的比1:500～3:40，能够兼顾能量密度和焊接工艺。具体地，绝缘层300的宽度为2mm～6mm。
进一步地，绝缘层300的厚度与电极层200的厚度的比为2:15～5:3。更进一步地，绝缘层300的厚度小于电极层200的厚度。具体地，绝缘层300的厚度为40μm～100μm。
具体地，电极极片10为正极极片或负极极片。
上述电极极片10至少具有如下优点：
1)上述电极极片10的绝缘层300包括对苯二甲酸二辛酯，当电极极片10处于高温环境时，对苯二甲酸二辛酯开始分解产生气体，冲破防爆阀，防止电池起火，以提高电池的安全性。
2)上述电极极片10的绝缘层300包括对苯二甲酸二辛酯、三氧化二铝和聚偏氟乙烯，对苯二甲酸二辛酯和三氧化二铝的结合能够起到防止毛刺刺破极片发生短路，同时能够起到耐过充、耐高温的功效，而且对电极极片10的电极层200无影响，保证电池的能量密度。
一种电极极片的制备方法，为上述电极极片的其中一种制备方法，该电极极片的制备方法包括以下步骤：
步骤S410：提供电极浆料和绝缘浆料。
在一实施例中，电极浆料为正极浆料。进一步地，正极浆料包括正极活性材料、第一导电剂、第一粘结剂和溶剂。更进一步地，按照质量百分含量计，正极浆料包括85％-97％的正极活性材料、1％-6％的第一导电剂、1％-5％的第一粘结剂，剩余为溶剂。
具体地，正极活性材料选自磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍锰酸锂及镍钴锰三元材料中的至少一种。
具体地，第一导电剂选自乙炔黑、Super P、碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的至少一种。
具体地，第一粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。
具体地，溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
在另一实施例中，电极浆料为负极浆料。进一步地，负极浆料包括负极活性材料、第二导电剂、第二粘结剂和溶剂。更进一步地，负极活性材料、第二导电剂、第二粘结剂的质量比为(88％～97％)：(0.5％～4％)：(1％～5％)。
具体地，负极活性材料选自金属锂、石墨、无定形碳、中间相碳微球、硅单体、硅薄膜、纳米硅中的至少一种。
具体地，第二导电剂选自乙炔黑、Super P(SP)、碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的至少一种。
具体地，第二粘结剂选自丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)中的至少一种。
具体地，溶剂为去离子水。
其中，绝缘浆料包括对苯二甲酸二辛酯。进一步地，绝缘浆料还包括三氧化二铝、聚偏氟乙烯、溶剂。更进一步地，三氧化二铝、对苯二甲酸二辛酯、聚偏氟乙烯的质量比为(50％～70％)：(20％～30％)：(10％～20％)。
具体地，溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
具体地，绝缘浆料的固含量为20％～40％。绝缘料浆的粘度为2000Pa.s～8000mPa.s。
将电极浆料涂布在集流体上，将绝缘浆料涂布在集流体上，并与电极浆料相抵接，得到电极极片。
具体地，电极浆料的厚度为60μm～300μm，电极浆料的宽度为80mm～1000mm。
具体地，绝缘浆料的宽度为2mm～6mm；绝缘层的厚度为40μm～100μm。
进一步地，将绝缘浆料涂布在集流体上，并与电极浆料相抵接的步骤具体为：将绝缘浆料分别涂布在电极浆料两侧的集流体上，并与电极浆料相抵接。更进一步地，绝缘浆料的涂布方向与电极浆料的涂布方向相同。
上述电极极片的制备方法至少具有如下优点：
1)相对于传统的电极极片的制备方法，上述电极极片的制备方法的工艺流程本身没有增加，节约成本，简单易行，适于工业化生产。
2)上述电极极片的制备方法可应用于各种锂电池，应用范围广泛。
一种锂离子电池，包括上述的电极极片或者上述的电极极片的制备方法制得的电极极片。该锂离子电池的安全性较高。
以下为具体实施例部分：
实施例1
本实施例的锂离子电池的制备步骤如下：
1)将NCM523三元材料、SP、PVDF和NMP混合，得到正极浆料，其中，NCM523三元材料、SP、PVDF的质量比为93％：2％：5％，正极浆料的固含量为60％；
2)将人造石墨、SBR、CMC、SP和二次蒸馏水混合，得到负极浆料，其中，人造石墨、SBR、CMC、SP的质量比为95％：1.4％：1.1％：2.5％，负极浆料的固含量为50％；
3)将PVDF、Al2O3、DOTP、NMP混合，得到绝缘浆料，其中，PVDF、Al2O3、DOTP的质量比为20％：55％：20％，绝缘浆料的固含量为25％，绝缘浆料的浆料粘度为2000Pa.s-8000mPa.s；
4)将正极浆料涂覆在厚度为12μm的铝箔上，涂布宽度为112mm，涂布厚度为60μm，将绝缘浆料涂覆在正极浆料两侧的铝箔上，干燥后绝缘涂层的宽度为4±1mm，厚度为50±20μm，绝缘涂层与正极涂层的间隙为-0.5±0.5mm，得到正极极片；
5)将负极浆料涂覆在厚度为6μm的铜箔上，涂布宽度为116mm，涂布厚度为60μm，将绝缘浆料涂覆在负极浆料两侧的铜箔上，干燥后绝缘涂层的宽度为4±1mm，厚度为50±20μm，绝缘涂层与负极涂层的间隙为-0.5±0.5mm，得到负极极片；
6)将正极极片、负极极片和隔膜卷绕，两端出极耳，制成16Ah的方形锂离子电池，其中，隔膜为16μm厚度的聚丙烯(PP)薄膜。
实施例2
本实施例的锂离子电池的制备步骤如下：
1)将NCM523三元材料、SP、PVDF和NMP混合，得到正极浆料，其中，NCM523三元材料、SP、PVDF的质量比为93％：2％：5％，正极浆料的固含量为60％；
2)将人造石墨、SBR、CMC、SP和二次蒸馏水混合，得到负极浆料，其中，人造石墨、SBR、CMC、SP的质量比为95％：1.4％：1.1％：2.5％，负极浆料的固含量为50％；
3)将PVDF、Al2O3、DOTP、NMP混合，得到绝缘浆料，其中，PVDF、Al2O3、DOTP的质量比为15％：60％：25％，绝缘浆料的固含量为30％，绝缘浆料的浆料粘度为2000Pa.s-8000mPa.s；
4)将正极浆料涂覆在厚度为13μm的铝箔上，涂布宽度为112mm，涂布厚度为70μm，将绝缘浆料涂覆在正极浆料两侧的铝箔上，干燥后绝缘涂层的宽度为4±1mm，厚度为50±20μm，绝缘涂层与正极涂层的间隙为-0.5±0.5mm，得到正极极片；
5)将负极浆料涂覆在厚度为8μm的铜箔上，涂布宽度为116mm，涂布厚度为70μm，将绝缘浆料涂覆在负极浆料两侧的铜箔上，干燥后绝缘涂层的宽度为4±1mm，厚度为50±20μm，绝缘涂层与负极涂层的间隙为-0.5±0.5mm，得到负极极片；
6)将正极极片、负极极片和隔膜卷绕，两端出极耳，制成16Ah的方形锂离子电池，其中，隔膜为16μm厚度的聚丙烯(PP)薄膜。
实施例3
本实施例的锂离子电池的制备步骤如下：
1)将NCM523三元材料、SP、PVDF和NMP混合，得到正极浆料，其中，NCM523三元材料、SP、PVDF的质量比为93％：2％：5％，正极浆料的固含量为60％；
2)将人造石墨、SBR、CMC、SP和二次蒸馏水混合，得到负极浆料，其中，人造石墨、SBR、CMC、SP的质量比为95％：1.4％：1.1％：2.5％，负极浆料的固含量为50％；
3)将PVDF、Al2O3、DOTP、NMP混合，得到绝缘浆料，其中，PVDF、Al2O3、DOTP的质量比为15％：57％：28％，绝缘浆料的固含量为28％，绝缘浆料的浆料粘度为2000Pa.s-8000mPa.s；
4)将正极浆料涂覆在厚度为12μm的铝箔上，涂布宽度为104mm，涂布厚度为115μm，将绝缘浆料涂覆在正极浆料两侧的铝箔上，干燥后绝缘涂层的宽度为5±1mm，厚度为50±20μm，绝缘涂层与正极涂层的间隙为-0.5±0.5mm，得到正极极片；
5)将负极浆料涂覆在厚度为6μm的铜箔上，涂布宽度为208mm，涂布厚度为130μm，将绝缘浆料涂覆在负极浆料两侧的铜箔上，干燥后绝缘涂层的宽度为5±1mm，厚度为50±20μm，绝缘涂层与负极涂层的间隙为-0.5±0.5mm，得到负极极片；
6)将正极极片、负极极片进行极耳模切，使绝缘涂层的宽度为5±1mm，然后将模切后的正极极片、负极极片和隔膜卷绕，两端出极耳，制成16Ah的方形锂离子电池，其中，隔膜为16μm厚度的聚丙烯(PP)薄膜。
对比例1
本对比例的锂离子电池的制备步骤如下：
1)将NCM523三元材料、SP、PVDF和NMP混合，得到正极浆料，其中，NCM523三元材料、SP、PVDF的质量比为93％：2％：5％，正极浆料的固含量为60％；
2)将人造石墨、SBR、CMC、SP和二次蒸馏水混合，得到负极浆料，其中，人造石墨、SBR、CMC、SP的质量比为95％：1.4％：1.1％：2.5％，负极浆料的固含量为50％；
3)将正极浆料涂覆在厚度为12μm的铝箔上，涂布宽度为112mm，涂布厚度为60μm，干燥，得到正极极片；
4)将负极浆料涂覆在厚度为6μm的铜箔上，涂布宽度为116mm，涂布厚度为60μm，干燥，得到负极极片；
5)将正极极片、负极极片和隔膜卷绕，两端出极耳，制成16Ah的方形锂离子电池，其中，隔膜为16μm厚度的聚丙烯(PP)薄膜。
测试：
1)将实施例1与对比例1制得的锂离子电池分别充满电，在密闭绝热条件下，将温度由室温升至200℃，进行耐高温测试，监测数据为温度和电压，监测温度点为正极感温线，结果如图3和图4所示。
从图3和图4可以看出，与对比例1制得的锂离子电池相比，实施例1制得的锂离子电池在170℃、3090s开阀，比常规电芯低50℃左右，时间也更短。说明实施例1制得的锂离子电池在更低的温度和更短的时间内开阀，安全性更高。避免在未开阀下的状态下的热量累计，防止电池起火失效。
2)将实施例1与对比例1制得的锂离子电池采用3mm钢针25mm/s进行穿刺测试，分别监测电池的正极柱、负极柱、大面(面积大的侧面)、防爆阀、侧面中心(面积小的侧面中心)和环境的温度变化，以及电池的电压变化，结果如图5和图6所示。
从图5和图6可以看出，与对比例1制得的锂离子电池相比，实施例1制得的锂离子电池刺穿后，温度升至130℃以上时，电压降为0，更早开阀，避免电池起火失效，安全性更高。
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 (7)
1.一种电极极片，其特征在于，包括：
集流体；
电极层，层叠在所述集流体上；
绝缘层，层叠在所述集流体上，并与所述电极层相抵接，所述绝缘层为两个，两个所述绝缘层分别位于所述电极层的两侧；
其中，按照质量百分含量计，所述绝缘层包括50％～70％的三氧化二铝、20％～30％的对苯二甲酸二辛酯及10％～20％的聚偏氟乙烯。
2.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述绝缘层和所述电极层均呈条形，所述绝缘层的延伸方向与所述电极层的延伸方向相同。
3.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述绝缘层的宽度与所述电极层的宽度的比1:500～3:40。
4.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述绝缘层的厚度与所述电极层的厚度的比为2:15～5:3。
5.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述电极极片为正极极片或负极极片。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电极极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供电极浆料和绝缘浆料，其中，所述绝缘浆料包括对苯二甲酸二辛酯；
将所述电极浆料涂布在集流体上，将所述绝缘浆料涂布在所述集流体上，并与所述电极浆料相抵接，得到电极极片。
7.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1～5任意一项所述的电极极片或者权利要求6所述的电极极片的制备方法制得的电极极片。
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