CN112838189A - 一种改善锂离子电池高电压体系热滥用的极片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改善锂离子电池高电压体系热滥用的极片及其制备方法，所述极片包括集流体、活性物质层、极耳和胶纸，所述活性物质层设置在集流体的两侧表面，并在所述集流体的两端形成空箔区域；所述极耳设置在集流体的一侧表面的空箔区域上；其中，设置有极耳的一端定义为集流体的头部，另一端定义为集流体的尾部；所述胶纸设置在集流体的头部，并覆盖所述极耳。所述极片可以有效改善高电压大容量4.45V体系电芯的140℃热滥用通过率；所述的胶纸全覆盖方法工艺简单，不需要复杂的装置设备，可以节约生产成本和时间；所述的方法在保障安全性的前提下，容量损失少于0.1％，能量密度几乎无损失。

Description

一种改善锂离子电池高电压体系热滥用的极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种改善锂离子电池高电压体系热滥用的极片及其制备方法。
背景技术
锂离子电池由于具有能量密度高、功率密度大、循环性能好、无记忆效应、绿色环保等特点，在移动通信设备如移动电话、移动摄像机、笔记本电脑、手机等各种电子产品中得到广泛应用，同时也有望成为未来电动汽车的供能系统。
目前，锂离子电池的安全性成为大型锂离子电池无法商业化的最大阻碍之一，爆炸、起火等原因都是由于电池的热滥用无法通过导致的。传统的方法都是通过掺杂包覆、全固态等方式提高正极材料和电解质的热稳定性，这些方法不仅增加了电池的成本，而且技术也不成熟，对电芯的电性能有较大影响。鉴于此，确有必要提供一种可改善锂离子电池热滥用的方式。
发明内容
本申请的发明人研究发现，目前高电压大容量4.45V体系电芯140℃烘箱储存0.5小时通过率较低，严重影响锂离子电池的安全。虽然可以通过电解液等改善安全性能，但安全性提升的同时，电性能很难得到保障，例如通过牺牲电池的能量密度的方式改善其安全性。
为了改善现有技术中存在的不足，特别是针对目前高电压大容量4.45V体系电芯140℃烘箱储存0.5小时不能通过的问题，本发明提供了一种改善锂离子电池高电压热滥用的极片及其制备方法，所述极片可以在保证电性能不受损失的情况下，提高高电压大容量4.45V体系电芯的安全性，所述方法是通过在设置极耳(特别是在设置正极极耳)一端的集流体表面的空箔区域完全覆盖一层胶纸的方法改善电芯的安全性，解决了高电压大容量4.45V体系电芯140℃烘箱储存0.5小时不能通过的问题，并且，在容量损失少于0.1％的情况下，能量密度几乎无损失。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种极片，所述极片包括集流体、活性物质层、极耳和胶纸，所述活性物质层设置在集流体的两侧表面，并在所述集流体的两端形成空箔区域；
所述极耳设置在集流体的一侧表面的空箔区域上；其中，设置有极耳的一端定义为集流体的头部，另一端定义为集流体的尾部；
所述胶纸设置在集流体的头部，并覆盖所述极耳。
根据本发明，所述极片可以改善锂离子电池高电压热滥用的情况。
根据本发明，所述活性物质层的长度小于所述集流体的长度，故在所述集流体的两端可以形成没有覆盖活性物质层的集流体，将其定义为空箔区域。
示例性地，若活性物质层涂覆在集流体一侧表面，则在该侧表面形成两个空箔区域；若活性物质层涂覆在集流体两侧表面，则在该集流体两侧表面一共形成四个空箔区域。
根据本发明，所述活性物质层的宽度和所述集流体的宽度相等。
根据本发明，所述活性物质层和所述集流体的厚度没有特别的定义，选择本领域已知的厚度就可以。
根据本发明，所述胶纸的厚度为10-20微米，例如为15-18微米，如16微米。
根据本发明，所述胶纸的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，所述胶纸可以是商业途径购买的。
本发明中，通过在集流体的头部引入胶纸，这可以实现在能量密度几乎无损失的前提下实现热滥用性能的改善，也就是说这样的操作并不会使得所述锂离子电池的能量密度发生损失或者是降低，这与现有技术已有的通过牺牲能量密度来提升电池的安全性完全不同。
本发明中，在所述集流体的尾部不做特殊处理，即不设置胶纸全覆盖，一方面在尾部设置胶纸全覆盖会导致电池的能量密度发生部分损失，同时还会导致低容等现象的出现。另一方面，在集流体的头部和尾部均设置胶纸，会使得电池的厚度受到影响。更为重要的是，发明人在研究过程中发现，在热滥用的过程中，集流体头部位置的隔膜热收缩更严重(如图4所示)，隔膜的热收缩会导致电池内部发生一些内短路，产生的热量会持续推动一系列的副反应，增加电池热失控的风险，而本发明通过在集流体头部的空箔区域中设置胶纸，所述胶纸起到了类似于隔膜的作用，在隔膜热收缩后，还会起到一层防护作用，阻绝了内短路的发生。图4是取新鲜电池(约50％SOC)及70％SOC电池进行热滥用测试后解剖电芯的结果，将通过测试的电池进行拆解，发现越靠近内折，隔膜收缩越严重。
根据本发明的一个实施方式，所述极片可以是正极片，所述正极片包括正极集流体、正极活性物质层、正极极耳和胶纸，所述正极活性物质层设置在正极集流体的两侧表面，并在所述正极集流体的两端形成空箔区域；
所述正极极耳设置在正极集流体的一侧表面的空箔区域上；其中，设置有正极极耳的一端定义为正极集流体的头部，另一端定义为正极集流体的尾部；
所述胶纸设置在正极集流体的头部，并覆盖所述正极极耳和正极集流体头部的空箔区域。
其中，所述胶纸覆盖所述正极极耳，且完全覆盖在正极集流体头部的两侧表面上的空箔区域。
其中，所述正极集流体选自铝箔。
其中，所述正极活性物质层包括正极活性材料、导电剂和粘结剂。
其中，所述正极活性物质层是通过正极浆料涂覆在正极集流体表面制备得到的；所述正极浆料是通过正极活性材料、导电剂、粘结剂和N-甲基吡咯烷酮混合制备得到的。
根据本发明的一个实施方式，所述极片可以是负极片，所述负极片包括负极集流体、负极活性物质层、负极极耳和胶纸，所述负极活性物质层设置在负极集流体的两侧表面，并在所述负极集流体的两端形成空箔区域；
所述负极极耳设置在负极集流体的一侧表面的空箔区域上；其中，设置有负极极耳的一端定义为负极集流体的头部，另一端定义为负极集流体的尾部；
所述胶纸设置在负极集流体的头部，并覆盖所述负极极耳。
其中，所述负极集流体选自铜箔。
其中，所述负极活性物质层包括负极活性材料、导电剂、粘结剂和增稠剂。
其中，所述负极活性物质层是通过负极浆料涂覆在负极集流体表面制备得到的；所述负极浆料是通过负极活性材料、导电剂、粘结剂和去离子水混合制备得到的。
本发明还提供一种极片的制备方法，所述方法包括：
(1)在设置有正极极耳一端的正极集流体的空箔区域上覆盖胶纸，且所述胶纸完全覆盖在设置有正极极耳一端的正极集流体的两侧表面上的空箔区域上，制备得到所述极片。
根据本发明，所述方法还包括：
(2)在设置有负极极耳一端的负极集流体的空箔区域上覆盖胶纸，且所述胶纸完全覆盖在负极极耳表面，制备得到极片。
根据本发明，所述方法包括如下步骤：
(1-1)将正极活性材料、导电剂和粘结剂混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮搅拌分散制成正极浆料；把正极浆料涂布在正极集流体两侧表面上，且在正极集流体两侧留有空箔区域，在其中一侧表面的空箔区域上设置正极极耳，在设置有正极极耳一端的正极集流体的空箔区域上覆盖胶纸，且所述胶纸完全覆盖在设置有正极极耳一端的正极集流体的两侧表面上的空箔区域上，制备得到所述极片。
根据本发明，所述方法包括如下步骤：
(2-1)将负极活性材料、导电剂、粘结剂和增稠剂混合，加入去离子水搅拌分散制成负极浆料；把负极浆料涂布在负极集流体两侧表面上，且在负极集流体两侧留有空箔区域，在其中一侧表面的空箔区域上设置负极极耳，在负极极耳上覆盖胶纸，制备得到极片。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种改善锂离子电池高电压体系热滥用的极片及其制备方法，所述极片包括集流体、活性物质层、极耳和胶纸，所述活性物质层设置在集流体的两侧表面，并在所述集流体的两端形成空箔区域；所述极耳设置在集流体的一侧表面的空箔区域上；其中，设置有极耳的一端定义为集流体的头部，另一端定义为集流体的尾部；所述胶纸设置在集流体的头部，并覆盖所述极耳。所述极片可以有效改善高电压大容量4.45V体系电芯的140℃热滥用通过率；所述的胶纸全覆盖方法工艺简单，不需要复杂的装置设备，可以节约生产成本和时间；所述的方法在保障安全性的前提下，容量损失少于0.1％，能量密度几乎无损失。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的正极极片和负极极片的结构示意图。
图2为本发明对比例4所述的正极极片和负极极片的结构示意图。
其中，1为正极耳，2为正极活性物质，3为正极集流体，4为胶纸，5为胶纸，6为胶纸，7为负极耳，8为负极集流体，9为负极活性物质。
图3为实施例1和对比例4的电池的能量密度的对比。
图4为新鲜电池(约50％SOC)及70％SOC电池进行热滥用测试后解剖电芯的结果。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
(1)正极片的制备
将正极活性材料、导电剂、粘结剂和锂盐混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮搅拌分散制成正极浆料。正极浆料中，固体成分包含98.23wt％钴酸锂(LiCoO2)、0.87wt％导电炭黑和0.9wt％聚偏氟乙烯(PVDF)。然后把正极浆料涂布在正极集流体两侧表面上得到正极活性物质层，烘干、分切、制片，制备得到极片。
所述极片中的正极集流体的宽度和正极活性物质层的宽度相同，所述极片中的正极集流体的长度大于正极活性物质层的长度，本实施例中，所述正极集流体的长度为1230mm，一侧正极活性物质层的长度为1167mm，另一侧正极活性物质层的长度为1047mm，即在正极集流体两侧的两端分别形成空箔区域。
在一侧的空白区域上焊接正极极耳，在焊接正极极耳一端的正极集流体两侧的空箔区域分别用厚度为16微米的胶纸完全覆盖。
(2)负极片的制备
将负极活性材料、导电剂、粘结剂和增稠剂混合，加入去离子水搅拌分散制成负极浆料。负极浆料中，固体成分包含96.9wt％人造石墨、1.3wt％羧甲基纤维素钠(CMC)、1.3wt％丁苯橡胶(SBR)；然后把负极浆料涂布在负极集流体上(双面涂布)，烘干、分切、制片，制备得到负极极片。
所述极片中的负极集流体的宽度和负极活性物质层的宽度相同，所述极片中的负极集流体的长度大于负极活性物质层的长度，本实施例中，所述负极集流体的长度为1230mm，一侧负极活性物质层的长度为1164mm，另一侧负极活性物质层的长度为1062mm，即在负极集流体两侧的两端分别形成空箔区域，在其中一侧表面的空箔区域上设置负极极耳，在负极极耳上覆盖用厚度为16微米的胶纸，制备得到极片。
(3)电池的制备
将第一步制得的正极片和第二步制得的负极片与隔膜、铝塑膜一起制成电池，然后进行注液、陈化、化成、分选等工序，最后对电池的电化学性能及安全性能(主要是热滥用)进行测试。
对比例1
其他操作步骤同实施例1，不同之处在于正极片的制备方法不同：
所述极片中的正极集流体的宽度和正极活性物质层的宽度相同，所述极片中的正极集流体的长度大于正极活性物质层的长度，所述正极集流体的长度为1230mm，一侧正极活性物质层的长度为1167mm，另一侧正极活性物质层的长度为1047mm，即在正极集流体两侧的两端分别形成空箔区域。
在正极极片的宽度方向上，在正极极片上下两个表面的边缘处分别贴胶5mm宽度的胶纸。
对比例2
其他操作步骤同实施例1，不同之处在于正极片的制备方法不同：
所述极片中的正极集流体的宽度和正极活性物质层的宽度相同，所述极片中的正极集流体的长度大于正极活性物质层的长度，本实施例中，所述正极集流体的长度为1230mm，一侧正极活性物质层的长度为1167mm，另一侧正极活性物质层的长度为1047mm，即在正极集流体两侧的两端分别形成空箔区域。
在正极集流体所有的空箔区域分别用厚度为16微米的胶纸完全覆盖。
对比例3
其他操作步骤同实施例1，不同之处在于正极片的制备方法不同：
所述极片中的正极集流体的宽度和正极活性物质层的宽度相同，所述极片中的正极集流体的长度大于正极活性物质层的长度，本实施例中，所述正极集流体的长度为1230mm，一侧正极活性物质层的长度为1167mm，另一侧正极活性物质层的长度为1047mm，即在正极集流体两侧的两端分别形成空箔区域。
在正极集流体两侧的空箔区域分别用厚度为16微米的胶纸完全覆盖，同时在正极极片的宽度方向上，在正极极片上下两个表面的边缘处分别贴胶5mm宽度的胶纸。
对比例4
其他操作步骤同实施例1，不同之处在于正极片的制备方法过程中不设置任何胶纸。
测试例1
对上述实施例1和对比例1-4制备的到的电池进行电化学性能及安全性能(主要是热滥用)进行测试。
测试过程如下：
1.清洁、点检机器，注意热滥用实验设备的洁净度；
2.测试取样电池的电压、内阻、厚度，取样电池基本电性能需满足要求，目测样品外观，电池无破损、无虚封、无短路等不良现象；
3.检查电池正负极耳与检测所用夹具的接触情况，确保被测电池所在通道工作正常；
4.将满电电池放入烘烤箱中，烘箱温度设为要求温度，开启电源；以(5±2)℃/min的速率由室温升温至规定温度。当烘箱温度达到要求温度时开始计时，并在要求温度保持规定时间，测试完成后，取出电池。若测试失效，需记录电池失效模式与失效时间；
测试结果如下表1所示：
表1实施例1和对比例1-4的电池的测试结果
胶纸覆盖方式 容量 通过情况
实施例1 正极极耳一侧头部空箔区域全覆盖胶纸 正常 3/3pass
对比例1 正极上下边缘覆盖5mm宽的胶纸 低容 3/3pass
对比例2 正极所有空箔区域全覆盖胶纸 低容 3/3pass
对比例3 正极空箔区域全覆盖+正极边缘覆盖5mm宽的胶纸 低容 3/3pass
对比例4 常规工艺制片不贴胶纸 正常 1/3pass
其中，1/3pass表示的含义是测试3个电池，只有1个通过。
通过表1结果可知，仅头部空箔胶纸全覆盖，对安全性能可以起到改善作用，容量也几乎无损失；极片上下边缘胶纸覆盖后，虽然安全性能可以得到改善，但是容量会出现较大程度的损失。
图3为实施例1和对比例4制备的电池的能量密度的对比，可以看出实施例1的电池可以在几乎不损失能量密度的前提下，改善热滥用的通过率。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种极片，所述极片包括集流体、活性物质层、极耳和胶纸，所述活性物质层设置在集流体的两侧表面，并在所述集流体的两端形成空箔区域；
所述极耳设置在集流体的一侧表面的空箔区域上；其中，设置有极耳的一端定义为集流体的头部，另一端定义为集流体的尾部；
所述胶纸设置在集流体的头部，并覆盖所述极耳。
2.根据权利要求1所述的极片，其中，若活性物质层涂覆在集流体一侧表面，则在该侧表面形成两个空箔区域；若活性物质层涂覆在集流体两侧表面，则在该集流体两侧表面一共形成四个空箔区域。
3.根据权利要求1所述的极片，其中，所述活性物质层的宽度和所述集流体的宽度相等；
优选地，所述胶纸的厚度为10-20微米；
优选地，所述胶纸的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的极片，其中，所述极片为正极片，所述正极片包括正极集流体、正极活性物质层、正极极耳和胶纸，所述正极活性物质层设置在正极集流体的两侧表面，并在所述正极集流体的两端形成空箔区域；
所述正极极耳设置在正极集流体的一侧表面的空箔区域上；其中，设置有正极极耳的一端定义为正极集流体的头部，另一端定义为正极集流体的尾部；
所述胶纸设置在正极集流体的头部，并覆盖所述正极极耳和正极集流体头部的空箔区域。
5.根据权利要求4所述的极片，其中，所述胶纸覆盖所述正极极耳，且完全覆盖在正极集流体头部的两侧表面上的空箔区域；
其中，所述正极集流体选自铝箔；
其中，所述正极活性物质层包括正极活性材料、导电剂和粘结剂；
其中，所述正极活性物质层是通过正极浆料涂覆在正极集流体表面制备得到的；所述正极浆料是通过正极活性材料、导电剂、粘结剂和N-甲基吡咯烷酮混合制备得到的。
6.根据权利要求1-3任一项所述的极片，其中，所述极片为负极片，所述负极片包括负极集流体、负极活性物质层、负极极耳和胶纸，所述负极活性物质层设置在负极集流体的两侧表面，并在所述负极集流体的两端形成空箔区域；
所述负极极耳设置在负极集流体的一侧表面的空箔区域上；其中，设置有负极极耳的一端定义为负极集流体的头部，另一端定义为负极集流体的尾部；
所述胶纸设置在负极集流体的头部，并覆盖所述负极极耳。
7.根据权利要求6所述的极片，其中，所述负极集流体选自铜箔；
其中，所述负极活性物质层包括负极活性材料、导电剂、粘结剂和增稠剂；
其中，所述负极活性物质层是通过负极浆料涂覆在负极集流体表面制备得到的；所述负极浆料是通过负极活性材料、导电剂、粘结剂、增稠剂和去离子水混合制备得到的。
8.一种极片的制备方法，所述方法包括：
(1)在设置有正极极耳一端的正极集流体的空箔区域上覆盖胶纸，且所述胶纸完全覆盖在设置有正极极耳一端的正极集流体的两侧表面上的空箔区域上，制备得到所述极片。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述方法还包括：
(2)在设置有负极极耳一端的负极集流体的空箔区域上覆盖胶纸，且所述胶纸完全覆盖在负极极耳表面，制备得到极片。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其中，所述方法包括如下步骤：
(1-1)将正极活性材料、导电剂和粘结剂混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮搅拌分散制成正极浆料；把正极浆料涂布在正极集流体两侧表面上，且在正极集流体两侧留有空箔区域，在其中一侧表面的空箔区域上设置正极极耳，在设置有正极极耳一端的正极集流体的空箔区域上覆盖胶纸，且所述胶纸完全覆盖在设置有正极极耳一端的正极集流体的两侧表面上的空箔区域上，制备得到所述极片；
优选地，所述方法包括如下步骤：
(2-1)将负极活性材料、导电剂、粘结剂和增稠剂混合，加入去离子水搅拌分散制成负极浆料；把负极浆料涂布在负极集流体两侧表面上，且在负极集流体两侧留有空箔区域，在其中一侧表面的空箔区域上设置负极极耳，在负极极耳上覆盖胶纸，制备得到极片。
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