CN113745448A - 一种极片的制备方法及锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极片的制备方法及锂电池，其中，极片的制备方法包括以下步骤：步骤S10、提供至少两种浆料；步骤S20、采用多层同时涂布方式将浆料涂覆到集流体上，烘干后得到多层结构；步骤S30、将多层结构进行造孔处理，以在多层结构上形成孔隙结构；步骤S40、将锂粉喷涂到孔隙结构中进行预锂化；步骤S50、将多层结构进行辊压，得到极片。本发明极片的制备方法采用多层同时涂布方式将多种浆料涂覆到集流体上，多种浆料形成厚度均匀地涂层结构，提高锂电池的极片剥离强度；对极片进行造孔处理并喷涂锂粉对孔隙结构进行预锂化，可显著提高电极首效，避免孔隙在辊压时被压缩破坏，加快电解液的吸液速度。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种极片的制备方法及锂电池。
背景技术
随着电动汽车的发展，对电动汽车电池的续航里程、充电速度和安全性能的要求也越来越高，研制高容量、高倍率、长寿命的高性能锂电池已成为新能源领域的研究热点。目前，为了解决电动汽车续航里程问题，提高能量密度是锂离子电池发展的一个重要方向。
影响锂离子动力电池性能最核心的部件为电极，制备高涂布量的超厚极片是提升电池能量密度的一个最直接的办法，增加电极厚度可以显著的降低电芯中非活性材料的质量占比，从而增加电芯的能量密度。但是随着电极厚度的增加会延长电子和锂离子传输路径，从而增加了电池阻抗；充电和放电阶段电池会出现较大温升现象，高倍率充电时产生严重析锂，而且电极涂层结合强度低，易出现剥离掉粉等问题。
发明内容
本发明实施例的一个目的在于：提供一种极片的制备方法，其操作简单，能够提高极片的剥离强度、首效和快充性能。
本发明实施例的另一个目的在于：提供一种锂电池，其结构简单，能量密度和功率高。
为达此目的，本发明实施例采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种极片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S10、提供至少两种浆料；
步骤S20、采用多层同时涂布方式将所有所述电极浆料涂覆到集流体上，烘干后得到多层结构；
步骤S30、将所述多层结构进行造孔处理，以在所述多层结构上形成孔隙结构；
步骤S40、将锂粉喷涂到所述孔隙结构中进行预锂化；
步骤S50、将所述多层结构进行辊压，得到极片。
本发明的方法中，采用多层涂布方式同时涂覆多种浆料，多种浆料形成厚度均匀地涂层结构，减少电池循环过程中出现析锂现象，提高极片的剥离强度，降低极片电阻；对极片进行造孔处理，孔隙能够缩短电子和锂离子传输路径，加快电解液的吸液速度，降低电阻；通过喷涂锂粉对极片进行预锂化，能够提高极片的首效，同时锂粉溶解后能够维持孔隙结构，在热辊压时避免孔隙结构被压缩破坏；对极片进行热辊压，使极片涂层结构的厚度分布更均匀，提高极片的剥离强度和电池循环寿命。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为所述的极片的制备方法的一种优选的技术方案，在步骤S30中，对所述多层结构进行造孔处理时调节所述孔隙结构，使所述孔隙结构的孔径为10～100um，例如10um、20um、30um、50um或100um等,所述孔隙结构的孔间距为所述极片厚度的5～10倍，例如5倍、6倍、7倍、8倍或10倍等，所述孔隙结构的孔深度为所述极片厚度的50～100％，例如50％、60％、80％、90％或100％。
作为所述的负极片的制备方法的一种优选的技术方案，在所述步骤S10中，每层所述浆料包括活性材料、导电剂、粘结剂和溶剂；
优选地，所述活性材料为石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、硅基负极中的一种或多种；所述导电剂为导电炭黑、碳纳米管、碳纤维和石墨烯中的一种或多种；所述粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠；所述溶剂为去离子水。
作为所述的负极片的制备方法的一种优选的技术方案，所述极片浆料包括底层浆料和顶层浆料，所述底层浆料的所述粘结剂含量为所述顶层浆料的所述粘结剂含量的2～4倍，例如2倍、2.25倍、2.5倍、3倍或4倍等。采用双层粘结剂梯度涂布方式(即层浆料和顶层浆料的粘结剂含量不同)能够显著提高极片粘附力和柔韧性，从而提高极片的剥离强度。
作为所述的负极片的制备方法的一种优选的技术方案，所述底层浆料和顶层浆料的粘度为4000～6000mPa·s，例如4000Pa·s、4500Pa·s、5000Pa·s、5500Pa·s或6000Pa·s等，固含量为45～60％，例如45％、50％、52％、55％或60％；所述顶层浆料粘度为3500～5500mPa·s，例如3500Pa·s、4000Pa·s、4500Pa·s、5000Pa·s或5500Pa·s等，固含量为45～60％，例如45％、50％、52％、55％或60％。
作为所述的负极片的制备方法的一种优选的技术方案，在所述步骤S30中，所述极片的造孔方法为激光造孔、机械穿孔、溶剂造孔中的任意一种。
作为所述的负极片的制备方法的一种优选的技术方案，在所述步骤S30造孔处理后，还包括步骤S31、对所述极片进行负压吹扫，以除去粉尘颗粒。
作为所述的负电极的制备方法的一种优选的技术方案，在所述步骤S40中，所述锂粉为稳定态锂金属粉，所述稳定态锂金属粉表面包覆有Li2CO3；
优选地，所述稳定态锂金属粉粒径为10～60um，例如10um、20um、30um、40um或50um等，所述稳定态锂金属粉粒径小于所述孔隙结构的孔径，以使锂粉能够进入所述孔隙结构内进行预理化。
作为所述的负电极的制备方法的一种优选的技术方案，所述热辊压的温度为60～100℃，例如60℃、70℃、80℃、90℃或100℃等
另一方面，提供一种锂电池，包括采用上述的极片制备方法制备而成的极片。
本发明实施例的有益效果为：此锂电池采用极片剥离强度高、首效高、倍率性能和快充性能好的极片，使得其能量密度和功率高，使用寿命长。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明实施例的极片制备方法的流程示意图。
图2为本发明实施例的极片制备制备工艺示意图。
图3为本发明实施例的极片的局部示意图。
图4为不同实施例和对比例的负极片剥离强度测试结果柱形图。
图5为不同实施例和对比例的锂电池首效测试结果柱形图。
图6为不同实施例和对比例的锂电池常温倍率充电性能测试结果柱形图。
图中：
1、集流体；2、底部涂层；3、顶部涂层；4、孔隙结构；5、锂粉；6、放卷单元；7、双层同时涂布机；8、烘箱；9、针辊组件；10、喷涂组件；11、辊压组件。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1
(1)极片浆料制备：底层浆料和顶层浆料的活性材料为粒径12um的石墨，导电剂为导电炭黑，粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠、溶剂为去离子水，按照比例混合，制得底层浆料和顶层浆料；
其中，底层浆料的石墨：导电炭黑：液态的丁苯橡胶：液态的羧甲基纤维素钠的质量百分比为93％：1％：3％：3％，浆料固含量为50％，浆料粘度为4200mPa·s；顶层浆料的石墨：导电炭黑：液态的丁苯橡胶：液态的羧甲基纤维素钠的质量百分比为95％：2％：1.5％：1.5％，浆料固含量为50％，浆料粘度为4000mPa·s；
(2)双层同时涂布：采用双面双层同时涂布方式将步骤(1)的底层浆料和顶层浆料涂覆到集流体1上，烘干后制得涂布极片；
其中，集流体1的材质为铜箔，铜箔的厚度为10um；涂布极片的单面涂层总厚度为100um，底部涂层2和顶部涂层3厚度均为50um；
(3)极片造孔处理：采用机械穿孔方式，通过表面针辊对步骤(2)的极片进行在线连续穿孔；
其中，孔径大小为30um，孔径深度为80um，孔径间隙为200um；
(4)极片预理化：将粒径为15um的锂粉5喷涂到步骤(3)中极片的孔隙结构4中进行预理化。
(5)极片热辊压：将步骤(4)的极片在80℃下进行辊压得到单面涂层厚度为70um的极片。
本实施例的极片作为锂电池的负极片，负极片的制备工艺如图1至3所示，先按照比例将浆料材料进行混合，通过双行星搅拌机搅拌制备底层浆料和顶层浆料，将集流体1通过放卷单元6放卷后，采用双层同时涂布机7一侧设有第一输送装置和第二输送装置，第一输送装置位于第一输送装置存放并输送底层浆料，第二输送装置存放并输送顶层浆料，第一输送装置输送底层浆料涂覆到集流体1上后，第二输送装置立刻输送顶层浆料进行涂覆，另一侧也具有上述结构，能够将集流体1的上下两侧同时涂布有底层浆料和顶层浆料，通过烘箱8烘烤干燥后形成双面双层涂布极片，然后采用机械穿孔方式，通过针辊组件9对极片进行在线连续穿孔，再通过喷涂组件10将锂粉5喷涂到极片的孔隙结构4内，最后在80℃下辊压组件11对极片进行辊压，得到本实施的负电极。
实施例2
(1)极片浆料制备：底层浆料和顶层浆料的活性材料为粒径12um的石墨，导电剂为导电炭黑，粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠、溶剂为去离子水，按照比例混合，制得底层浆料和顶层浆料；
其中，底层浆料的石墨：导电炭黑：液态的丁苯橡胶：液态的羧甲基纤维素钠的质量百分比为93％：1％：3％：3％，浆料固含量为50％，浆料粘度为4200mPa·s；顶层浆料的石墨：导电炭黑：液态的丁苯橡胶：液态的羧甲基纤维素钠的质量百分比为95％：2％：1.5％：1.5％，浆料固含量为50％，浆料粘度为4000mPa·s；
(2)双层同时涂布：采用双面双层同时涂布方式将步骤(1)的底层浆料和顶层浆料涂覆到集流体1上，烘干后制得涂布极片；
其中，集流体1的材质为铜箔，铜箔的厚度为10um；涂布极片的单面涂层总厚度为120um，底部涂层2和顶部涂层3厚度均为60um；
(3)极片造孔处理：采用机械穿孔方式，通过表面针辊对步骤(2)的极片进行在线连续穿孔；
其中，孔径大小为50um，孔径深度为110um，孔径间隙为300um；
(4)极片预理化：将粒径为30um的锂粉5喷涂到步骤(3)中极片的孔隙结构4中进行预理化。
(5)极片热辊压：将步骤(4)的极片在80℃下进行辊压得到单面涂层厚度为90um的极片。
本实施例的工艺制备方式和装置均与实施例1相同。
实施例3
(1)极片浆料制备：底层浆料和顶层浆料的活性材料为粒径12um的石墨，导电剂为导电炭黑，粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠、溶剂为去离子水，按照比例混合，制得底层浆料和顶层浆料；
其中，底层浆料的石墨：导电炭黑：液态的丁苯橡胶：液态的羧甲基纤维素钠的质量百分比为93％：1％：3％：3％，浆料固含量为50％，浆料粘度为4200mPa·s；顶层浆料的石墨：导电炭黑：液态的丁苯橡胶：液态的羧甲基纤维素钠的质量百分比为95％：2％：1.5％：1.5％，浆料固含量为50％，浆料粘度为4000mPa·s；
(2)双层同时涂布：采用双面双层同时涂布方式将步骤(1)的底层浆料和顶层浆料涂覆到集流体1上，烘干后制得涂布极片；
其中，集流体1的材质为铜箔，铜箔的厚度为10um；涂布极片的单面涂层总厚度为120um，底部涂层2厚度为80um，顶部涂层3厚度为40um；
(3)极片造孔处理：采用机械穿孔方式，通过表面针辊对步骤(2)的极片进行在线连续穿孔；
其中，孔径大小为50um，孔径深度为110um，孔径间隙为300um；
(4)极片预理化：将粒径为30um的锂粉5喷涂到步骤(3)中极片的孔隙结构4中进行预理化。
(5)极片热辊压：将步骤(4)的极片在80℃下进行辊压得到单面涂层厚度为90um的极片。
本实施例的工艺制备方式和装置均与实施例1相同。
实施例4
(1)极片浆料制备：底层浆料活性材料为粒径15um的硅碳，顶层浆料活性材料为粒径15um的石墨，导电剂为导电炭黑，粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠、溶剂为去离子水，按照比例混合，制得底层浆料和顶层浆料；
其中，底层浆料的硅碳：导电炭黑：液态的丁苯橡胶：液态的羧甲基纤维素钠的质量百分比为93％：1％：3％：3％，浆料固含量为50％，浆料粘度为4000mPa·s；顶层浆料的石墨：导电炭黑：液态的丁苯橡胶：液态的羧甲基纤维素钠的质量百分比为95％：2％：1.5％：1.5％，浆料固含量为50％，浆料粘度为3800mPa·s；
(2)双层同时涂布：采用双面双层同时涂布方式将步骤(1)的底层浆料和顶层浆料涂覆到集流体1上，烘干后制得涂布极片；
其中，集流体1的材质为铜箔，铜箔的厚度为10um；涂布极片的单面涂层总厚度为100um，底部涂层2和顶部涂层3厚度均为50um；
(3)极片造孔处理：采用机械穿孔方式，通过表面针辊对步骤(2)的极片进行在线连续穿孔；
其中，孔径大小为50um，孔径深度为100um，孔径间隙为300um；
(4)极片预理化：将粒径为30um的锂粉5喷涂到步骤(3)中极片的孔隙结构4中进行预理化。
(5)极片热辊压：将步骤(4)的极片在80℃下进行辊压得到单面涂层厚度为60um的极片。
本实施例的工艺制备方式和装置均与实施例1相同。
对比例1
(1)极片浆料制备：与实施例1底层浆料的制备完全相同；
(2)单层涂布：采用单层涂布方式将单层浆料涂覆到集流体1上，干燥后制得涂布极片；
其中，集流体1的材质为铜箔，铜箔的厚度为10um；涂布极片的单面涂层总厚度为100um；
(3)极片热辊压：将极片在80℃下进行辊压得到单面厚度为70um的极片。
对比例2
(1)极片浆料制备：与实施例1底层浆料的制备完全相同；
(2)单层涂布：采用单层涂布方式将单层浆料涂覆到集流体1上，干燥后制得涂布极片；
其中，集流体1的材质为铜箔，铜箔的厚度为10um；涂布极片的单面涂层总厚度为120um；
(3)极片热辊压：将极片在80℃下进行辊压得到单面厚度为90um的极片。
对比例3
(1)极片浆料制备：与实施例1底层浆料的制备完全相同；
(2)单层涂布：采用单层涂布方式将单层浆料涂覆到集流体1上，干燥后制得涂布极片；
其中，集流体1的材质为铜箔，铜箔的厚度为10um；涂布极片的单面涂层总厚度为120um；
(3)极片热辊压：对极片进行冷压得到单面厚度为90um的极片。
对比例4
(1)极片浆料制备：与实施例1底层浆料的制备完全相同；
(2)单层涂布：采用单层涂布方式将单层浆料涂覆到集流体1上，干燥后制得涂布极片；
其中，集流体1的材质为铜箔，铜箔的厚度为10um；涂布极片的单面涂层总厚度为100um；
(3)极片热辊压：将极片在80℃下进行辊压得到单面厚度为60um的极片。
测试方法
将各实施例及对比例提供的极片作为锂电池的负极片，并组装成锂电池，并对锂电池做极片剥离强度测试、电池首效测试、常温不同倍率充电容量保持率测试。
测试结果
如图3所示，实施例1-4制备的锂电池的剥离强度均高于对比例1-4制备的锂电池的剥离强度，本发明的锂电池能够显著提高锂电池的极片剥离强度；
如图4所示，实施例1-4的锂电池的首次充放电效率均高于对比例1-4的锂电池的首次充放电效率，对孔隙喷涂锂粉5进行预锂化能够提升锂电池的首效；实施例1比实施例4的锂电池首效更好，孔隙4和锂粉5的尺寸也对锂电池首效有影响，本发明提供的锂电池首效显著提高。
如图5所示，在常温倍率不同的容量下，实施例1-4的锂电池充电横流比均高于对比例1-4的锂电池充电横流比，实施例1-4的锂电池的快充性能显著提升。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、提供至少两种浆料；
步骤S20、采用多层同时涂布方式将所有所述浆料涂覆到集流体上，烘干后得到多层结构；
步骤S30、将所述多层结构进行造孔处理，以在所述多层结构上形成孔隙结构；
步骤S40、将锂粉喷涂到所述孔隙结构中进行预锂化；
步骤S50、将所述多层结构进行热辊压，得到极片。
2.根据权利要求1所述的极片的制备方法，其特征在于，在步骤S30中，对所述多层结构进行造孔处理时调节所述孔隙结构，使所述孔隙结构的孔径为10～100um，所述孔隙结构的孔间距为所述极片厚度的5～10倍，所述孔隙结构的孔深度为所述极片厚度的50～100％。
3.根据权利要求1所述的极片的制备方法，其特征在于，在所述步骤S10中，每层所述浆料均包括活性材料、导电剂、粘结剂和溶剂；
优选地，所述活性材料为石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、硅基负极中的一种或多种；所述导电剂为导电炭黑、碳纳米管、碳纤维和石墨烯中的一种或多种；所述粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠；所述溶剂为去离子水。
4.根据权利要求1所述的极片的制备方法，其特征在于，所述浆料包括底层浆料和顶层浆料，所述底层浆料的所述粘结剂含量为所述顶层浆料的所述粘结剂含量的2～4倍。
5.根据权利要求4所述的极片的制备方法，其特征在于，所述底层浆料粘度为4000～6000mPa·s，固含量为45～60％；所述顶层浆料粘度为3500～5500mPa·s，固含量为45～60％。
6.根据权利要求1至5任一项所述的极片的制备方法，其特征在于，在所述步骤S30中，所述极片的造孔方法为激光造孔、机械穿孔、溶剂造孔中的任意一种。
7.根据权利要求1至5任一项所述的极片的制备方法，其特征在于，在所述步骤S30造孔处理后，还包括步骤S31、对所述电极进行负压吹扫，以除去粉尘颗粒。
8.根据权利要求1至5任一项所述的极片的制备方法，其特征在于，在所述步骤S40中，所述锂粉为稳定态锂金属粉，所述稳定态锂金属粉表面包覆有Li2CO3；
优选地，所述稳定态锂金属粉粒径为10～60um，所述稳定态锂金属粉粒径小于所述孔隙结构的孔径，以使锂粉能够进入所述孔隙结构内进行预理化。
9.根据权利要求8所述的极片的制备方法，其特征在于，所述热辊压的温度为60～100℃。
10.一种锂电池，其特征在于，包括采用权利要求1至9任一项所述极片的制备方法制成的极片。
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