CN112652734A - 厚负极极片及其制备方法、锂离子电芯、锂离子电池包及其应用 - Google Patents

厚负极极片及其制备方法、锂离子电芯、锂离子电池包及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种厚负极极片及其制备方法，所述厚负极极片的制备方法包括步骤：提供负极浆料；在部分所述负极浆料中加入第一质量份数的NaCl微晶，形成下层负极浆料；在部分所述负极浆料中加入第二质量份数的NaCl微晶，形成上层负极浆料，所述第一质量份数小于所述第二质量份数；将所述下层负极浆料涂布到负极集流体上，将所述上层负极浆料涂布到下层负极浆料上，冷压后形成负极母片；以及将所述负极母片浸泡于水中，待所述下层负极浆料及所述上层负极浆料中的NaCl微晶溶解于水中后，获得上层孔隙率大于下层孔隙率的厚负极极片。本发明还公开了一种锂离子电芯、锂离子电池包及其应用。

Description

厚负极极片及其制备方法、锂离子电芯、锂离子电池包及其 应用
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其是一种适用于高能量密度、大倍率特性、低成本的负极极片的制备方法。
背景技术
锂离子电池具有高输出电压，高比能量，高安全，长循环寿命和环境友好等优点，广泛用于笔记本电脑、手机、摄像机等便携式电子产品中。近年来，随着石油资源的短缺和环保意识的增强，锂离子电池逐渐在纯电动汽车中开始使用。
为了缓解里程焦虑，纯电动汽车要求锂离子电池具有更高的能量密度。从设计的角度来考虑提高正、负极主材的克容量是最显著的方式，但这需要寻找开发新型的正、负极活性材料，目前学术界在做大量的研究，距离实际应用还有一段距离。在当前的设计应用过程中，在正、负极主材及配方不变的情况下，一般采用厚涂布的方式来增加电芯的能量密度，但实际使用中发现极片厚度的增加一定程度上能提高锂离子电池的能量密度，但提升的比例与极片厚度的增加并不成比例，研究分析发现厚极片在辊压过程中会导致上层极片孔隙率小，底层极片空隙率大的结构，使得锂离子的迁移更加困难，最终导致能量密度提升不显著。同时厚极片会显著降低电芯的倍率性能，进而阻碍在纯电动汽车中的使用。因此如何保证厚电极极片在具有高能量密度的前提下，同时具有良好的倍率性能已经成为制约高能锂离子电池应用前景的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厚负极极片的制备方法，该厚负极极片的制备方法制备的厚负极极片能量密度高、倍率特性大、成本低。
本发明的另一目的在于提供一种厚负极极片，该厚负极极片能量密度高、倍率特性大、成本低。
本发明的再一目的在于提供一种锂离子电芯，该锂离子电芯能量密度高、倍率特性大、成本低。
本发明的又一目的在于提供一种锂离子电池包，该锂离子电池包能量密度高、倍率特性大、成本低。
为实现上述目的，本发明提供了一种厚负极极片的制备方法，所述厚负极极片的制备方法包括步骤：提供负极浆料；在部分所述负极浆料中加入第一质量份数的NaCl微晶，形成下层负极浆料；在部分所述负极浆料中加入第二质量份数的NaCl微晶，形成上层负极浆料，所述第一质量份数小于所述第二质量份数；将所述下层负极浆料涂布到负极集流体上，将所述上层负极浆料涂布到下层负极浆料上，冷压后形成负极母片；以及将所述负极母片浸泡于水中，待所述下层负极浆料及所述上层负极浆料中的NaCl微晶溶解于水中后，获得上层孔隙率大于下层孔隙率的厚负极极片。
进一步地，所述NaCl微晶的制备方法包括步骤：(1)配制四甘醇和去离子水的混合液，向混合液中加入NaCl，得到一定质量浓度的NaCl混合溶液；(2)将所述NaCl混合溶液在一定温度的油浴条件下加热蒸发，形成NaCl微晶。
进一步地，所述NaCl微晶的制备方法还包括步骤：(3)将步骤(2)中获得的所述NaCl微晶用无水乙醇清洗离心；(4)将步骤(3)中清洗过的所述NaCl微晶真空干燥，最终得到热性能稳定的NaCl微晶。
进一步地，制备所述混合液时，所述四甘醇和所述去离子水的体积比为1：1～4：1，较优地，所述四甘醇和所述去离子水的体积比为5：2，所述NaCl混合溶液的浓度范围为5～50g/L，优选地为20g/L；油浴的温度范围为70℃～120℃，优选地，油浴的温度为85℃。
进一步地，用无水乙醇清洗离心所述NaCl微晶至少3次；将所述NaCl微晶在100℃～140℃的温度条件下真空干燥12～36h，较优地，真空干燥的温度条件为120℃，时间为24h。
进一步地，按照质量份数计，所述上层负极浆料或所述下层负极浆料包括：
Figure BDA0002230313440000031
进一步地，按照质量份数计，所述上层负极浆料或所述下层负极浆料包括：
Figure BDA0002230313440000032
进一步地，所述下层负极浆料及所述上层负极浆料通过双腔挤压涂布的方式涂布在所述负极集流体上。所述下层负极浆料和所述上层负极浆料冷压后形成膜片，膜片总厚度大于400um，能够满足高能量密度电芯设计的需求。通过双腔挤压涂布的方式可以一次涂布一次冷压即可完成，生产效率高、成本低。
本发明还提供一种厚负极极片，所述厚负极极片通过如上所述的厚负极极片的制备方法制得。
本发明还提供一种锂离子电芯，所述锂离子电芯包括如上所述的厚负极极片。
本发明还提供一种锂离子电池包，所述锂离子电池包包括如上所述的锂离子电芯。
本发明还将上述的锂离子电池包应用于汽车、摩托车或自行车上。
与现有技术相比，本发明提供了一种厚负极极片及其制备方法，通过添加NaCl微晶获得上层孔隙率大于下层孔隙率的厚负极极片，不需要高温分解，不存在分解不充分残留在极片中而影响电芯的循环和安全性能，水溶解NaCl微晶没有副作用，制备工艺简单可靠，一致性高；该制备方法形成孔隙的工艺简单，只需将负极母片浸泡于水中一定时间即可形成稳定的孔结构，尤其适用于叠片工艺；该厚负极极片的能量密度高，上层孔隙率大于下层孔隙率可以吸收较多的电解液，能有效保证电解液对厚负极极片上下层的充分浸润，解决了厚电极因浸润性差引起的内阻大、倍率性能差的问题，此厚负极极片兼顾了厚负极极片的能量密度与倍率性能的问题；此外，该制备方法能够与现行锂离子电池极片制备工艺良好相容，不显著增加工艺和成本，具有良好的电化学性能及应用前景。
附图说明
图1为本发明厚负极极片的截面图，展示了孔隙结构。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例。
本发明提供一种锂离子电池包，锂离子电池包包括电池模组、电路板及外壳等，将电池模组、电路板等组装于外壳内形成锂离子电池包，锂离子电池包有多种规格，可根据需要进行调整和设计，在此不作限制，现有技术的锂离子电池包的组装方式均可应用至本发明。
其中，电池模组由若干锂离子电芯串并联组成，同样地，电池模组也有多种规格，亦可根据需要进行调整和设计，在此不作限制，现有技术的电池模组的组装方式均可应用至本发明。
该锂离子电池包可应用于汽车、摩托车或自行车上，以给汽车、摩托车或自行车提供动力。
本发明的厚负极极片的制备方法包括步骤：
1、制备NaCl微晶，NaCl微晶的制备方法包括步骤：(1)配制四甘醇和去离子水体积比为5：2的混合液，向混合液中加入NaCl，得到20g/L的NaCl混合溶液；(2)将NaCl混合溶液在85℃的油浴条件下加热蒸发，形成NaCl微晶；(3)将步骤(2)中获得的NaCl微晶用无水乙醇清洗离心3次；(4)将步骤(3)中清洗过的NaCl微晶在120℃的温度条件下真空干燥24h，最终得到热性能稳定的NaCl微晶。
2、提供负极浆料，在部分负极浆料中加入第一质量份数的NaCl微晶，形成下层负极浆料；在部分负极浆料中加入第二质量份数的NaCl微晶，形成上层负极浆料，第一质量份数小于第二质量份数；将负极活性材料、负极活性材料、导电剂炭黑(SP)和导电剂碳纳米管(CNT)、粘结剂羧甲基纤维素(CMC)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)、NaCl微晶以一定的比例加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中搅拌均匀后获得上层负极浆料；下层负极浆料以同样类似的方法获得；
按照质量份数计，上层负极浆料或下层负极浆料包括：
Figure BDA0002230313440000051
上层负极浆料和下层负极浆料的配方根据需要设定为相同或者不同，上层负极浆料的NaCl微晶的质量份数高于下层负极浆料，优选的上层负极浆料NaCl微晶的质量份数为20份，下层负极浆料NaCl微晶的质量份数为10份。
在上层负极浆料或下层负极浆料制备的过程中，NaCl微晶不溶于NMP溶剂中，经过后续涂布、冷压后稳定分布在上、下层的膜片中。在后续水浸润/水洗的过程中，NaCl微晶又慢慢溶解在水中，溶解的区域就形成了随机分布的孔，如图1。孔的大小、孔隙率可通过改变加入到上层负极浆料或下层负极浆料的NaCl微晶的含量来简单可控调变，可靠性和一致性高。
3、将下层负极浆料涂布到负极集流体上，将上层负极浆料涂布到下层负极浆料上，具体地，下层负极浆料及上层负极浆料通过双腔挤压涂布的方式涂布在负极集流体上。下层负极浆料和上层负极浆料的厚度可相同或不同，负极集流体为铜集流体。通过双腔挤压涂布的方式可以一次涂布即可完成，生产效率高、成本低。
4、冷压涂布好的极片形成负极母片；下层负极浆料和上层负极浆料冷压后形成膜片，膜片形成于负极集流体上，膜片总厚度大于400um，能够满足高能量密度电芯设计的需求。
负极母片经激光模切或者五金模切极耳成型后，裁切成片状极片，然后将片状极片放在去离子水中浸泡一定的时间，待下层负极浆料及上层负极浆料中的NaCl微晶溶解于水中后，获得上层孔隙率大于下层孔隙率的厚负极极片。
锂离子电芯的制备：
将隔离膜置于正极极片与厚负极极片之间，通过卷绕/叠片的方式制备方形裸电芯，用铝塑膜复合材料制作包装袋，将裸电芯置入包装袋中封装后得干电芯，干电芯经过烘烤除水、注液、封口、静置、化成、除气封装、分容等工序后得到锂离子电芯。此厚负极极片用于制备锂离子电芯与常规锂电池制造工艺相同，因此后面工艺不再赘述。
实施例1
本实施例采用上述方法制备厚负极极片及锂离子电芯，其中，
上层负极浆料包括：
Figure BDA0002230313440000061
下层负极浆料包括：
Figure BDA0002230313440000062
Figure BDA0002230313440000071
实施例2
实施例2与实施例1相类似，唯一不同之处在于上层负极浆料中NaCl微晶的份数为25，下层负极浆料中NaCl微晶的份数为13。
实施例3
实施例3与实施例1相类似，唯一不同之处在于上层负极浆料中NaCl微晶的份数为10，下层负极浆料中NaCl微晶的份数为3。
实施例4
实施例4与实施例1相类似，唯一不同之处在于上层负极浆料中NaCl微晶的份数为15，下层负极浆料中NaCl微晶的份数为7。
对比例
对比例与实施例1相类似，唯一不同之处在于上层负极浆料和下层负极浆料中NaCl微晶的份数均为0。
各实施例及对比例的上层负极浆料和下层负极浆料中NaCl微晶的份数如表1所示
表1各实施例和对比例的上层负极浆料和下层负极浆料中NaCl微晶的份数
Figure BDA0002230313440000081
能量密度的测试方法：常温下，将锂离子电芯以0.3C恒流充电到4.3V，恒压充电至0.05C截止。0.3C恒流放电至2.75V截止，记录放电容量C，并记录电池重量W，放电电压平台V，放电电压平台V*放电容量C/电芯重量W即得到电芯能量密度。
倍率性能的测试方法：常温下，将锂离子电芯以0.3C恒流充电到4.3V，恒压充电至0.05C截止。0.3C恒流放电至2.75V截止，记录放电容量C1；再将锂离子电芯以0.3C恒流充电到4.3V，恒压充电至0.05C截止。3C恒流放电至2.75V截止，记录放电容量C2，记录C2/C1即得电池3C倍率性能。
使用以上测试方法测试实施例1～4及对比例的锂离子电芯，测试结果如下表2所示。
表2实施例1～4及对比例的锂离子电芯的能量密度和倍率性能
项目 能量密(Wh/kg) 倍率性能
实施例1 286 94.1％
实施例2 288 95.8％
实施例3 283 93.3％
实施例4 281 92.6％
对比例 276 90.6％
从以上表格可知，通过添加NaCl微晶获得上层孔隙率大于下层孔隙率的厚负极极片，使得锂离子电芯不仅具有高能量密度，且倍率性能良好。
与现有技术相比，本发明提供了一种厚负极极片及其制备方法，通过添加NaCl微晶获得上层孔隙率大于下层孔隙率的厚负极极片，不需要高温分解，不存在分解不充分残留在极片中而影响电芯的循环和安全性能，水溶解NaCl微晶没有副作用，制备工艺简单可靠，一致性高；该制备方法形成孔隙的工艺简单，只需将负极母片浸泡于水中一定时间即可形成稳定的孔结构，尤其适用于叠片工艺；该厚负极极片的能量密度高，上层孔隙率大于下层孔隙率可以吸收较多的电解液，能有效保证电解液对厚负极极片上下层的充分浸润，解决了厚电极因浸润性差引起的内阻大、倍率性能差的问题，此厚负极极片兼顾了厚负极极片的能量密度与倍率性能的问题；此外，该制备方法能够与现行锂离子电池包极片制备工艺良好相容，不显著增加工艺和成本，具有良好的电化学性能及应用前景。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (12)

1.一种厚负极极片的制备方法，其特征在于，所述厚负极极片的制备方法包括步骤：
提供负极浆料；
在部分所述负极浆料中加入第一质量份数的NaCl微晶，形成下层负极浆料；
在部分所述负极浆料中加入第二质量份数的NaCl微晶，形成上层负极浆料，所述第一质量份数小于所述第二质量份数；
将所述下层负极浆料涂布到负极集流体上，将所述上层负极浆料涂布到下层负极浆料上，冷压后形成负极母片；以及
将所述负极母片浸泡于水中，待所述下层负极浆料及所述上层负极浆料中的NaCl微晶溶解于水中后，获得上层孔隙率大于下层孔隙率的厚负极极片。
2.如权利要求1所述的厚负极极片的制备方法，其特征在于，所述NaCl微晶的制备方法包括步骤：
(1)配制四甘醇和去离子水的混合液，向混合液中加入NaCl，得到一定质量浓度的NaCl混合溶液；
(2)将所述NaCl混合溶液在一定温度的油浴条件下加热蒸发，形成NaCl微晶。
3.如权利要求2所述的厚负极极片的制备方法，其特征在于，所述NaCl微晶的制备方法还包括步骤：
(3)将步骤(2)中获得的所述NaCl微晶用无水乙醇清洗离心；
(4)将步骤(3)中清洗过的所述NaCl微晶真空干燥，最终得到热性能稳定的NaCl微晶。
4.如权利要求2所述的厚负极极片的制备方法，其特征在于，制备所述混合液时，所述四甘醇和所述去离子水的体积比为1：1～4：1，较优地，所述四甘醇和所述去离子水的体积比为5：2，所述NaCl混合溶液的浓度范围为5～50g/L，优选地为20g/L；油浴的温度范围为70℃～120℃，优选地，油浴的温度为85℃。
5.如权利要求3所述的厚负极极片的制备方法，其特征在于，用无水乙醇清洗离心所述NaCl微晶至少3次；将所述NaCl微晶在100℃～140℃的温度条件下真空干燥12～36h，较优地，真空干燥的温度条件为120℃，时间为24h。
6.如权利要求1所述的厚负极极片的制备方法，其特征在于，按照质量份数计，所述上层负极浆料或所述下层负极浆料包括：
Figure FDA0002230313430000021
7.如权利要求6所述的厚负极极片的制备方法，其特征在于，按照质量份数计，所述上层负极浆料或所述下层负极浆料包括：
Figure FDA0002230313430000022
8.如权利要求1所述的厚负极极片的制备方法，其特征在于，所述下层负极浆料及所述上层负极浆料通过双腔挤压涂布的方式涂布在所述负极集流体上。
9.一种厚负极极片，其特征在于，所述厚负极极片通过如权利要求1～8任一项所述的厚负极极片的制备方法制得。
10.一种锂离子电芯，其特征在于，所述锂离子电池包包括如权利要求9所述的厚负极极片。
11.一种锂离子电池包，其特征在于，所述锂离子电池包包括如权利要求10所述的锂离子电芯。
12.将权利要求11所述的锂离子电池包应用于汽车、摩托车或自行车上。
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