CN112864398A - 一种导电涂层、涂覆方法及应用 - Google Patents

一种导电涂层、涂覆方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种导电涂层,按照质量分数包括以下物质：5％至30％导电剂；1％至15％粘结剂；50％至90％溶剂；1％至5％纺丝助剂聚乙烯吡咯烷酮；所述导电剂为碳纳米角、碳纤维、石墨烯、导电炭黑、导电石墨其中的一种或几种；本发明还公开了导电涂层的涂覆方法及应用；该发明在箔材表面涂覆导电涂层，通过该导电涂层连接箔材和锂电池活性材料，提供极佳的静态导电性能；有效提高锂离子电池的循环性能和倍率性能。

Description

一种导电涂层、涂覆方法及应用
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种导电涂层、涂覆方法及应用。
背景技术
目前锂离子电池极片一般都是包括集流体和涂覆于集流体上的活性物质层。其中集流体主要采用铝箔或者铜箔光箔。由于光箔表面光滑，活性物质在涂布时，与集流体的界面结合力较弱，导致活性物质的粘结力较差，容易在后段工序发生极片掉料等问题。因此不得增加导电剂添加量，并且为了保证电极粘结力，需要在活性物质的浆料中加入更多的粘结剂，最终导致电池能量密度的降低。
在箔材上涂覆导电材料层，可以提供极佳的静态导电性能，并能提高两者之间的附着能力，导电涂层的选择直接影响到接触电阻和浆料的粘结性，但现在应用的导电涂层较为单一，严重限制了锂离子电池性能的提升。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种导电涂层，该发明在箔材表面涂覆导电涂层，通过该导电涂层连接箔材和锂电池活性材料，提供极佳的静态导电性能。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种导电涂层，按照质量分数包括以下物质：
Figure BDA0002919032360000011
Figure BDA0002919032360000021
所述导电剂为碳纳米角、碳纤维、石墨烯、导电炭黑、导电石墨其中的一种或几种。
优选所述溶剂为去离子水、氮甲基吡咯烷酮、乙醇、甲醇、四氢呋喃、石油醚中的一种或几种。进一步优选，导电涂层用于正极铝箔时，溶剂选用NMP；导电浆料用于负极铜箔时，溶剂选用去离子水；导电涂层经过干燥后，溶剂挥发，导电涂层将出现孔洞结构，更利于导电涂层提升电导率。
优选所述粘结剂为丁苯橡胶、聚偏氟乙烯、聚烯烃类、氟化橡胶类、聚氨酯中的一种或几种。进一步优选导电涂层用于正极铝箔时，粘结剂选用PVDF；导电浆料用于负极铜箔时，粘结剂选用SBR。
进一步改进，涂覆于箔材干燥后形成多孔结构。本发明中多孔结构的导电涂层利于提高粘结力，也提高了对电解液的吸收。
本发明的第二目的在于提供一种导电涂层的涂覆方法，该发明涂覆于箔材形成纳米级纤维结构，有效提高箔材和活性物质层的粘结，加快电子传导。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种导电涂层涂覆于箔材的方法，导电涂层通过静电纺丝工艺涂覆于箔材。
优选静电纺丝的工艺条件为：
喷涂电压 10kV-50kV；
溶液流速 1L/h-3mL/h；
喷嘴与箔材间的距离 1cm-6cm。
本发明有效控制工艺参数，控制电压太高，易损伤箔材，溶液流速过快，影响喷涂的一致性，喷嘴的距离太高，得到的涂层孔隙率将减小。
进一步优选，静电纺丝的工艺条件为：
电压20kV；流速2mL/h；喷嘴与箔材间的距离4cm。
本发明的第三目的在于提供一种导电涂层的应用，该发明应用于锂离子电池，有效增快电解液的吸附速度，提升保液量，提升电池体系的循环性能。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种应用有所述导电涂层的锂离子电池。
优选正极和/或负极的箔材和活性物质层之间均有导电涂层，导电涂层厚度为1μm至3μm。本发明可以根据实际需要在正极和/或负极的导电涂层厚度1μm-3μm，导电涂层太厚，影响体系能量密度，导电涂层太薄，不能完全覆盖箔材。
优选所述锂离子电池为三元体系、硅碳体系、磷酸铁锂体系和富锂材料体系中的一种。本发明的导电涂层可与多种正负极活性材料相结合，与各种体系兼容，提升体系的倍率性能和循环性能。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明导电涂层可应用于正极/负极箔材表面，导电涂层使用小颗粒导电剂，覆盖箔材，连接箔材和正极/负极主材浆料层，增大电子的传导途径，减小接触电阻，接触电阻减小可提升体系倍率性能；同时主材层间可紧密的吸附于箔材表面，增大箔材和正极/负极主材层间的粘结力；
本发明用静电纺丝工艺涂覆导电涂层，导电涂层具有纳米级纤维，直径小、表面积大、孔隙率高、精细程度一致；进一步增大箔材和正极/负极主材层间的粘结力；
本发明导电涂层选用具有多孔性的导电剂，可增快电解液的吸附速度，提升保液量，进而提升电池体系的循环性能；
本发明优选碳纳米角混合另一种导电剂成一种复合的导电浆料；碳纳米角有较大的比表面积、优异的力学性能及多孔性，借助碳纳米角的力学性能，可提升导电涂层与箔材间的粘结性；碳纳米角大的比表面积可以帮助电子快速的传导，具有多孔性的碳纳米角可帮助浆料提升电解液的吸附速度和保液量，进而可以提升电池体系的循环性能；
本发明导电涂层浆料可应用三元、硅碳、磷酸铁锂、富锂材料等多种锂离子电池体系，本涂层可与多种正负极活性材料相结合，与各种体系都可兼容，提升体系的倍率性能和循环性能。
从而实现本发明的上述目的。
附图说明
图1是本发明实施例1至4以及对比例所得锂离子电池在0.5C/1C下循环性能曲线(300周)。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
以下对比例与实施例应用于磷酸铁锂搭配人造石墨体系中，本发明的导电涂层可有多种正负极活性材料相结合，用于各种体系都可兼容，不因体系变换而影响实验规律；
其中正极选用磷酸铁锂，负极选用人造石墨，正极箔材为铝箔，负极箔材为铜箔；用以下工艺制造5Ah软包电池以做说明。
实施例1
涂覆于负极导电涂层按照质量分数包括：
碳纳米角和VGCF组成的导电剂5％、SBR 1％、水89％、PVP 5％；涂覆厚度2μm；
正极无导电涂层；
将上述导电涂层浆料通过静电纺丝工艺喷涂在相应的箔材上，双面涂覆，经过干燥后，得到涂覆导电涂层的箔材，具体的工艺参数详见表1所示。
实施例2
涂覆于正极导电涂层按照质量分数包括：
碳纳米角和石墨烯组成的导电剂10％、PVDF 3％、NMP83％、PVP 4％；涂覆厚度1μm；
负极无导电涂层；
将上述导电涂层浆料通过静电纺丝工艺喷涂在相应的箔材上，双面涂覆，经过干燥后，得到涂覆导电涂层的箔材，具体的工艺参数详见表1所示。
实施例3
涂覆于负极导电涂层按照质量分数包括：
碳纳米角和导电石墨混合而成的导电剂15％、SBR 5％、水78％、PVP 3％；涂覆厚度2μm；
涂覆于正极导电涂层按照质量分数包括：碳纳米角和SP混合而成的导电剂20％、PVDF 8％、NMP 71％、PVP 2％；涂覆厚度1μm；
将上述导电涂层浆料通过静电纺丝工艺喷涂在相应的箔材上，双面涂覆，经过干燥后，得到涂覆导电涂层的箔材，具体的工艺参数详见表1所示。
实施例4
涂覆于负极导电涂层按照质量分数包括：石墨烯和导电石墨混合而成的导电剂25％、SBR 12％、水61％、PVP 2％；涂覆厚度3μm；
涂覆于正极导电涂层按照质量分数包括：VGCF和SP混合而成的导电剂30％、PVDF15％、NMP 54％、PVP 1％；涂覆厚度2μm；
将上述导电涂层浆料通过静电纺丝工艺喷涂在相应的箔材上，双面涂覆，经过干燥后，得到涂覆导电涂层的箔材，具体的工艺参数详见表1所示。
表1实施例1实施例4静电纺丝工艺条件
项目 电压(kV) 流速(mL/h) 喷嘴与箔材距离(cm)
实施例1 10 1 6
实施例2 30 3 4
实施例3 50 2 5
实施例4 20 2 4
将涂覆有实施例1至4的箔材应用于磷酸铁锂电池中：在铝箔上涂覆磷酸铁锂活性材料，在铜箔上涂覆人造石墨活性材料，经过干燥、冷压、分条，制片得到正、负极极片，将正、负极极片与隔膜一起经过叠片工艺得到裸电芯，裸电芯经过封装、注液、静置、化成、分容后，得到成品电池；
对比例：正负极均无导电涂层得与实施例相同的磷酸铁锂电池。
将上述电池进行以下测试：
粘结强度测试：
利用高铁拉力机测试正负极极片的粘结强度；测试结果详见表2所示。
放电倍率测试：
以0.5C放电容量为基准，分别测试每组电池在1C、2C、3C下放电的容量保持率如表3所示。
循环性能测试：
分别测试每组电池在0.5C/1C下循环300周后的容量保持率如图1所示。
表2实施例1至4以及对比例正负极极片粘结强度测试结果
项目 正极粘结强度N/m 负极粘结强度N/m
对比例 3 6
实施例1 3 11
实施例2 6 6
实施例3 7 13
实施例4 6 12
表3实施例1至4以及对比例所得电池放电倍率测试数据
项目 0.5C 1C 2C 3C
对比例 100％ 98％ 95％ 91％
实施例1 100％ 98％ 96％ 95％
实施例2 100％ 99％ 97％ 95％
实施例3 100％ 99％ 98％ 98％
实施例4 100％ 98％ 97％ 97％
对比所得电池的性能可知，碳纳米角混合另一种导电剂成一种复合的导电浆料时，由于碳纳米角有较大的比表面积、优异的力学性能及多孔性，借助碳纳米角的力学性能，可提升导电涂层与箔材间的粘结性；碳纳米角大的比表面积可以帮助电子快速的传导，具有多孔性的碳纳米角可帮助浆料提升电解液的吸附速度和保液量，进而可以提升电池体系的循环性能；
从成本的角度去看涂炭铝箔的优势主要表现在两个方面：首先是在提高涂布面密度上，可以节省各个材料等消耗，其次是在提高涂布速度上很有优势，往往提高涂布速度后造成的不良影响主要是导电剂，粘结剂的上浮引起的剥离强度下降以及辊轧粘附的问题。
导电涂层可应用于正极/负极箔材表面，本导电涂层使用小颗粒导电剂，覆盖箔材，连接箔材和正极/负极主材浆料层，增大电子的传导途径，减小接触电阻，接触电阻减小可提升体系倍率性能；同时可紧密的吸附于箔材表面，增大箔材和正极/负极主材层间的粘结力；本导电涂层选用具有多孔性的导电剂，可增快电解液的吸附速度，提升保液量，进而提升电池体系的循环性能。

Claims (10)

1.一种导电涂层，其特征在于：按照质量分数包括以下物质：
Figure FDA0002919032350000011
所述导电剂为碳纳米角、碳纤维、石墨烯、导电炭黑、导电石墨其中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的一种导电涂层，其特征在于：所述溶剂为去离子水、氮甲基吡咯烷酮、乙醇、甲醇、四氢呋喃、石油醚中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的一种导电涂层，其特征在于：所述粘结剂为丁苯橡胶、聚偏氟乙烯、聚烯烃类、氟化橡胶类、聚氨酯中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的一种导电涂层，其特征在于：所述导电涂层涂覆于箔材干燥后形成多孔结构。
5.一种如权1至权4任一项所述导电涂层涂覆于箔材的方法，其特征在于：
导电涂层通过静电纺丝工艺涂覆于箔材。
6.如权5所述涂覆于箔材的方法，其特征在于：
静电纺丝的工艺条件为：
喷涂电压 10kV-50kV；
溶液流速 1L/h-3mL/h；
喷嘴与箔材间的距离 1cm-6cm。
7.如权利要求5所述的涂覆于箔材的方法，其特征在于：静电纺丝的工艺条件为：
电压20kV；流速2mL/h；喷嘴与箔材间的距离4cm。
8.一种应用有权1至权4任一项所述导电涂层的锂离子电池。
9.如权8所述的锂离子电池，其特征在于：正极和/或负极的箔材和活性物质层之间均有导电涂层，导电涂层厚度为1μm至3μm。
10.如权8所述的锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池为三元体系、硅碳体系、磷酸铁锂体系和富锂材料体系中的一种。
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