CN113921766A - 一种电极涂布方法及电极极片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于二次锂离子电池领域，特别是涉及一种电极涂布方法及电极极片的制备方法。针对导电剂在极片内分布不均匀的情况，本发明采用多层涂布的方式，涂布一层浆料之后烘干，再在第一次电极上涂布第二层浆料烘干，循环此过程，直至最终极片制备完成。采用多层涂布的方式，增加导电剂在极片中分布的均匀性，可以有效的增加极片的大电流放电性能；多层涂布方式中不同浆料层可以采用不同的浆料配比或者不同电极材料，根据电性能需求设计不同层的配比；每层涂布烘干完成后，不进行碾压工序，直接进行下一次涂布，这样可以避免碾压后涂布带来的电极分层，电极不同层之间结合更为紧密。
Description
技术领域
本发明属于二次锂离子电池领域，特别是涉及一种电极涂布方法及电极极片的制备方法。
背景技术
随着混合电动汽车行业的发展，高能量密度、高功率密度兼具的储能器件受到越来越多的关注，这是因为锂离子电池的比功率较低，超级电容器的比能量较低，两者均不能满足当前电动设备的需要。提高锂离子电池的功率密度，是目前动力电池需要解决的问题。
目前高功率电池的极片配比是在常规锂电池的基础上增加SP,VGCF,炭黑等导电剂的比例，提升极片的电子电导率，从而提升电池倍率性能。锂离子电池大倍率放电时，电极表面的为电容容量，放电时依靠静电层离子传输，电极最外层可以采用低电子电导率的极片层；电极靠近集流体内部依靠锂离子传输，电子和离子传输通道对放电性能影响较大，电极内部需要更好的导电性。
但是，由于导电剂与粘结剂的结合能力更强，在浆料涂布以及烘干的过程中，导电剂和粘结剂会随着溶剂的挥发从而上浮到极片表面，从而导致极片内部导电剂分布不均匀，电极表面的导电剂较多，内部较少，进而影响极片的大倍率放电性能。因此，采用新的方式提升导电剂在极片内部分布的均匀性，在高功率电池中具有重要价值。
公开号为CN112687836 A的中国专利公布了一种锂电池极片涂布方法，该方法是通过多层坡流的涂布工艺，在箔材表面由内到外同步涂布导电炭层浆料、锂电池浆料和PVDF胶液浆料，达到一体化制备的目的。该方法是在涂布开始时将不同浆料分层，但是在烘干的过程中，由于烘干需要一定的时间(规模化生产一般会大于2min)，会导致不同层尤其是内层的浆料重新合并为一层，无法起到分层涂布的目的，尤其是针对粘结剂上浮的问题无法解决，因此需要新的方法来解决粘结剂上浮的问题。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种电极涂布方法及电极极片的制备方法。针对导电剂在极片内分布不均匀的情况，本发明采用多层涂布的方式，涂布一层浆料之后烘干，再在第一次电极上涂布第二层浆料烘干，循环此过程，直至最终极片制备完成。这种方式可以有效的增加导电剂在极片中分布的均匀性，增加大电流放电性能；同时，还可以调节不同涂布层的配比，达到更好的放电效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种电极极片的制备方法，该方法包括如下步骤：
正极极片的制备：
S1、将正极活性材料、导电剂、粘结剂按照一定的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，第x次制备正极浆料Ax；其中x≥1；
S2、使用涂布设备，采用一定的涂布速度，按照单侧单次涂布量a在正极集流体两侧面涂布浆料Ax；其中a≤40/x，a的单位：mg/cm2；烘干后得到正极极片层Bx，此后在正极极片层Bx上重复y次涂布正极浆料、烘干的过程，其中y≥1；在重复涂布正极浆料过程中，不同浆料层可以采用不同的浆料配比或者不同电极材料；
S3、将最后一次烘干的正极极片层Bx+y辊压、分切制备成正极极片；
负极极片的制备：
S4、将负极活性材料、导电剂、粘结剂按一定的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，第n次制备负极浆料Cn；其中，n≥1；
S5、使用涂布设备，采用一定的涂布速度，按照单侧单次涂布量b在负极集流体两侧面涂布浆料Cn；其中b≤30/n，b的单位：mg/cm2；烘干后得到负极极片层Dn，此后在负极极片层Dn上重复m次涂布负极浆料、烘干的过程，其中m≥0；在重复涂布负极浆料过程中，不同浆料层可以采用不同的浆料配比或者不同电极材料；
S6、将最后一次烘干的负极极片层Dn+m辊压、分切制备成负极极片。
进一步的，S2中，正极浆料单侧每次涂布量不超过20mg/cm2；单侧涂布总量不超过40mg/cm2。
进一步的，S5中，负极浆料单侧每次涂布量不超过15mg/cm2；单侧涂布总量不超过30mg/cm2。
进一步的，S2和S5中浆料涂布速度为3m/min～20m/min。
进一步的，S1和S4中的粘结剂为聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯的任意一种或者多种组合。
进一步的，S1和S4中的导电剂为导电炭黑Super P Li、导电石墨、气相生长碳纤维VGCF、碳纳米管CNTs、石墨烯Graphene中的任意一种或多种组合。
进一步的，S1中的正极活性材料为层状LiCoO2、LiNiO2和LiNixCo1-xO2，三元LiNi1/ 3Mn1/3Co1/3O2和LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，尖晶石LiMn2O4，5V尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4，磷酸盐LiMPO4(M＝Fe、Mn)以及富锂锰基正极活性材料Li[Lix(MnM)1-x]O2(M＝Ni、Co、Fe)中的任意一种或多种组合，添加比例为80-95wt％。
进一步的，S4中的负极活性材料为石墨、软碳、硬碳、钛酸锂、氧化亚硅中的一种或多种组合。
进一步的，正、负极浆料中，活性材料在各自浆料中的占比为85～93wt％，导电剂在各自浆料中的占比为5～10wt％，所述粘结剂在各自浆料中的占比为2～5wt％。
进一步的，本发明公开了一种电极涂布方法，该方法包括：使用涂布设备，采用一定的涂布速度，按照单侧单次涂布量a在正极集流体两侧面涂布浆料Ax；其中a≤40/x，a的单位：mg/cm2；烘干后得到正极极片层Bx，此后在正极极片层Bx上重复y次涂布正极浆料、烘干的过程，其中y≥1；在重复涂布正极浆料过程中，不同浆料层可以采用不同的浆料配比或者不同电极材料。
更进一步的，一种电极涂布方法，该方法包括：使用涂布设备，采用一定的涂布速度，按照单侧单次涂布量b在负极集流体两侧面涂布浆料Cn；其中b≤30/n，b的单位：mg/cm2；烘干后得到负极极片层Dn，此后在负极极片层Dn上重复m次涂布负极浆料、烘干的过程，其中m≥0；在重复涂布负极浆料过程中，不同浆料层可以采用不同的浆料配比或者不同电极材料。
本发明具有的优点和积极效果：
1.采用多层涂布的方式，增加导电剂在极片中分布的均匀性，可以有效的增加极片的大电流放电性能；
2.多层涂布方式中不同浆料层可以采用不同的浆料配比或者不同电极材料，根据电性能需求设计不同层的配比；
3.每层涂布烘干完成后，不进行碾压工序，直接进行下一次涂布，这样可以避免碾压后涂布带来的电极分层，电极不同层之间结合更为紧密；
4.该方法使用范围广，电极涂布量较小时可以通过设备进料口缝隙以及涂布速度进行调控，实现小涂布量极片的制备。
附图说明
图1是正极极片的结构示意图；
其中，M为正极铝箔；
B1为使用正极浆料A1涂布一次后的正极极片层；
Bx为使用正极浆料Ax涂布x层后的正极极片层；
Bx+y为使用正极浆料Ax在Bx上重复涂布-烘干y次后的正极极片层。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并结合附图详细说明如下：
本发明公开了一种电极极片的制备方法，该方法包括如下步骤：
正极极片的制备：
S1、将正极活性材料、导电剂、粘结剂按照一定的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，第x次制备正极浆料Ax；其中x≥1；
S2、使用涂布设备，采用一定的涂布速度，按照单侧单次涂布量a在正极集流体两侧面涂布浆料Ax；其中a≤40/x，a的单位：mg/cm2；烘干后得到正极极片层Bx，此后在正极极片层Bx上重复y次涂布正极浆料、烘干的过程，其中y≥1；在重复涂布正极浆料过程中，不同浆料层可以采用不同的浆料配比或者不同电极材料；
S3、将最后一次烘干的正极极片层Bx+y辊压、分切制备成正极极片；
负极极片的制备：
S4、将负极活性材料、导电剂、粘结剂按一定的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，第n次制备负极浆料Cn；其中，n≥1；
S5、使用涂布设备，采用一定的涂布速度，按照单侧单次涂布量b在负极集流体两侧面涂布浆料Cn；其中b≤30/n，b的单位：mg/cm2；烘干后得到负极极片层Dn，此后在负极极片层Dn上重复m次涂布负极浆料、烘干的过程，其中m≥0；在重复涂布负极浆料过程中，不同浆料层可以采用不同的浆料配比或者不同电极材料；
S6、将最后一次烘干的负极极片层Dn+m辊压、分切制备成负极极片。
优选的，S1中的粘结剂为聚环氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)的任意一种或者多种组合；
S1中的导电剂为导电炭黑Super P Li、导电石墨、气相生长碳纤维VGCF、碳纳米管CNTs、石墨烯Graphene中的任意一种或多种组合；
S1中的正极活性材料为层状LiCoO2、LiNiO2和LiNixCo1-xO2，三元LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2和LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，尖晶石LiMn2O4，5V尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4，磷酸盐LiMPO4(M＝Fe、Mn)以及富锂锰基正极活性材料Li[Lix(MnM)1-x]O2(M＝Ni、Co、Fe)中的任意一种或多种组合，添加比例可以为80-95wt％。
S4中的负极活性材料为石墨、软碳、硬碳、钛酸锂、氧化亚硅中的一种或多种组合。
优选的，正、负极浆料中，活性材料的占比为85～93wt％，导电剂占5～10wt％，所述粘结剂占2～5wt％。
优选的，S2中，正极浆料单侧每次涂布量不超过20mg/cm2；单侧涂布总量不超过40mg/cm2；S5中，负极浆料单侧每次涂布量不超过15mg/cm2；单侧涂布总量不超过30mg/cm2。
优选的，S2和S5中浆料涂布速度为3m/min～20m/min。
利用上述电极极片制备锂电池的过程如下：
S1、使用一定厚度及材质的隔膜将正极极片包覆；按照电池的容量、采用正负极交替放置的方法制备电芯；
S2、使用铝塑膜将电芯封装，注入相应的高功率电解液，通过真空封装制备高功率锂离子电池。
实施例1
一种电极涂布方法及电极极片的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)将正极活性材料、导电剂、粘结剂按照85:10:5的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，制备正极浆料A1；使用涂布设备，按照单侧10mg/cm2的涂布量，在正极集流体铝箔表面涂布正极浆料A1，涂布速度为3m/min，制备正极极片层B1并烘干；
(2)使用涂布设备，按照单侧10mg/cm2的涂布量，在B1上继续涂布正极浆料A1，涂布速度为20m/min，制备正极极片层B2并烘干；
(3)将负极活性材料、导电剂、粘结剂按照85:10:5的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，制备负极浆料C1；使用涂布设备，按照单侧7.5mg/cm2的涂布量、3m/min的涂布速度在负极集流体铜箔表面涂布负极浆料C1，制备负极极片层D1并烘干；
(4)使用涂布设备，按照单侧7.5mg/cm2的涂布量、以20m/min的速度在D1上继续涂布负极浆料C1，制备负极极片层D2并烘干；
(5)电池组装：将烘干的正极极片层B2和负极极片层D2辊压、分切；使用一定厚度及材质的隔膜将正极极片包覆；按照电池的容量、采用正负极交替放置的方法制备电芯；使用铝塑膜将电芯封装，注入相应的高功率电解液，通过真空封装制备3Ah高功率锂离子电池E2。
实施例2
一种电极涂布方法及电极极片的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)将正极活性材料、导电剂、粘结剂按照85:10:5比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，制备正极浆料A1；使用涂布设备，按照单侧10mg/cm2的涂布量、3m/min的涂布速度在在正极集流体铝箔表面涂布正极浆料A1，制备正极极片层B1并烘干；
(2)将正极活性材料、导电剂、粘结剂按照93:5:2的比例混合制备正极浆料A2；使用涂布设备，按照单侧10mg/cm2的涂布量，20m/min的涂布速度在B1极片上继续涂布正极浆料A2，制备正极极片层B2并烘干；
(3)将负极活性材料、导电剂、粘结剂按照85:10:5的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，制备负极浆料C1；使用涂布设备，按照单侧7.5mg/cm2的涂布量、3m/min的涂布速度在在负极集流体铜箔表面涂布负极浆料C1，制备负极极片层D1并烘干；
(4)将负极活性材料、导电剂、粘结剂按照93:5:2的比例混合制备负极浆料C2；使用涂布设备，按照单侧7.5mg/cm2的涂布量、20m/min的涂布速度在D1上继续涂布负极浆料C2，制备负极极片层D2并烘干；
(5)电池组装：将烘干的正极极片层B2和负极极片层D2辊压、分切；使用一定厚度及材质的隔膜将正极极片包覆；按照电池的容量、采用正负极交替放置的方法制备电芯；使用铝塑膜将电芯封装，注入相应的高功率电解液，通过真空封装制备3Ah高功率锂离子电池E2。
实施例3
(1)将正极活性材料、导电剂、粘结剂按照85:10:5的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，制备正极浆料A1；使用涂布设备，按照单侧2mg/cm2的涂布量、20m/min的涂布速度在正极集流体铝箔表面涂布正极浆料A1，制备正极极片层B1并烘干；将上述涂布-烘干过程连续进行5次，得到正极极片B5；
(2)将正极活性材料、导电剂、粘结剂按照93:5:2的比例混合制备正极浆料A2；使用涂布设备，按照单侧2mg/cm2的涂布量、20m/min的涂布速度在B5极片上连续进行涂布正极浆料A2并烘干过程5次，制备正极极片层B10；
(3)将负极活性材料、导电剂、粘结剂按照85:10:5的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，制备负极浆料C1；使用涂布设备，按照单侧3mg/cm2的涂布量、20m/min的涂布速度在在负极集流体铜箔表面涂布负极浆料C1，制备负极极片层D1；将上述涂布烘干过程连续进行3次，得到负极极片D3；
(4)将负极活性材料、导电剂、粘结剂按照93:5:2的比例混合制备负极浆料C2；使用涂布设备，按照单侧3mg/cm2的涂布量、20m/min的涂布速度在D3极片上连续进行涂布-烘干过程2次，制备负极极片层D5；
(5)电池组装：将烘干的正极极片层B10和负极极片层D5辊压、分切；使用一定厚度及材质的隔膜将正极极片包覆；按照电池的容量、采用正负极交替放置的方法制备电芯；使用铝塑膜将电芯封装，注入相应的高功率电解液，通过真空封装制备3Ah高功率锂离子电池E3。
对比例
一种电极涂布方法及电极极片的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)将正极活性材料、导电剂、粘结剂按照85:10:5的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，制备正极浆料A1；使用涂布设备，按照单侧20mg/cm2的涂布量，在正极集流体铝箔表面涂布正极浆料A1，涂布速度为3m/min，制备正极极片层B1并烘干；
(2)将负极活性材料、导电剂、粘结剂按照85:10:5的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，制备负极浆料C1；使用涂布设备，按照单侧15mg/cm2的涂布量、3m/min的涂布速度在负极集流体铜箔表面涂布负极浆料C1，制备负极极片层D1并烘干；
(3)电池组装：将烘干的正极极片层B1和负极极片层D1辊压、分切；使用一定厚度及材质的隔膜将正极极片包覆；按照电池的容量、采用正负极交替放置的方法制备电芯；使用铝塑膜将电芯封装，注入相应的高功率电解液，通过真空封装制备3Ah高功率锂离子电池E4。
试验实施例
电池电化学性能测试：
测试实施例1-3以及对比例中3Ah软包电池的交流内阻、1C放电容量、10C放电容量、20C放电容量、30C放电容量、40C放电容量，结果如下：
表1实施例1-3以及对比例中3Ah软包电池不同电化学性能对比数据
从表1中可以看出，实施例1是使用相同的正负极浆料涂布2次，对比例为1次涂布，可以看出2次涂布电池的交流内阻明显小于1次涂布，实施例2中第二次涂布的导电剂含量比第一次更低，其内阻及大倍率容量相对较低；实施例3中的正极涂布次数增加到10次，可以看出其电流内阻进一步减小，大倍率的容量增加更为明显。有以上结果可看出，多次涂布后，由于导电剂的分布更加均匀，其交流内阻逐渐减小，大倍率放电性能逐渐增加。
本文所述实施例只是本发明的部分实施例，并非全部。根据上述说明书的解释和指导，本领域的技术人员基于本发明及实施例，能够对实施方式进行变更、改进、替换等，但在没有做出创新性研究前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范畴。
Claims (10)
1.一种电极极片的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)正极极片的制备：
S1、将正极活性材料、导电剂、粘结剂按照一定的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，第x次制备正极浆料Ax；其中x≥1；
S2、使用涂布设备，采用一定的涂布速度，按照单侧单次涂布量a在正极集流体两侧面涂布浆料Ax；其中a≤40/x，a的单位：mg/cm2；烘干后得到正极极片层Bx，此后在正极极片层Bx上重复y次涂布正极浆料、烘干的过程，其中y≥1；
S3、将最后一次烘干的正极极片层Bx+y辊压、分切制备成正极极片；
(2)负极极片的制备：
S4、将负极活性材料、导电剂、粘结剂按一定的比例加热溶解于NMP溶剂中，加热温度大于40℃，第n次制备负极浆料Cn；其中，n≥1；
S5、使用涂布设备，采用一定的涂布速度，按照单侧单次涂布量b在负极集流体两侧面涂布浆料Cn；其中b≤30/n，b的单位：mg/cm2；烘干后得到负极极片层Dn，此后在负极极片层Dn上重复m次涂布负极浆料、烘干的过程，其中m≥0；
S6、将最后一次烘干的负极极片层Dn+m辊压、分切制备成负极极片。
2.如权利要求1所述的电极极片的制备方法，其特征在于，S2中，正极浆料单侧每次涂布量不超过20mg/cm2；单侧涂布总量不超过40mg/cm2；S5中，负极浆料单侧每次涂布量不超过15mg/cm2；单侧涂布总量不超过30mg/cm2。
3.如权利要求1所述的电极极片的制备方法，其特征在于，S2和S5中浆料涂布速度为3m/min～20m/min。
4.如权利要求1所述的电极极片的制备方法，其特征在于，S1和S4中的粘结剂为聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯的任意一种或者多种组合。
5.如权利要求1所述的电极极片的制备方法，其特征在于，S1和S4中的导电剂为导电炭黑Super P Li、导电石墨、气相生长碳纤维VGCF、碳纳米管CNTs、石墨烯Graphene中的任意一种或多种组合。
6.如权利要求1所述的电极极片的制备方法，其特征在于，S1中的正极活性材料为层状LiCoO2、LiNiO2和LiNixCo1-xO2，三元LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2和LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，尖晶石LiMn2O4，5V尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4，磷酸盐LiMPO4(M＝Fe、Mn)以及富锂锰基正极活性材料Li[Lix(MnM)1-x]O2(M＝Ni、Co、Fe)中的任意一种或多种组合，添加比例为80-95wt％。
7.如权利要求1所述的电极极片的制备方法，其特征在于，S4中的负极活性材料为石墨、软碳、硬碳、钛酸锂、氧化亚硅中的一种或多种组合。
8.如权利要求1所述的电极极片的制备方法，其特征在于，正、负极浆料中，活性材料在各自浆料中的占比为85～93wt％，导电剂在各自浆料中的占比为5～10wt％，所述粘结剂在各自浆料中的占比为2～5wt％。
9.一种电极涂布方法，其特征在于，该方法包括：使用涂布设备，采用一定的涂布速度，按照单侧单次涂布量a在正极集流体两侧面涂布浆料Ax；其中a≤40/x，a的单位：mg/cm2；烘干后得到正极极片层Bx，此后在正极极片层Bx上重复y次涂布正极浆料、烘干的过程，其中y≥1。
10.一种电极涂布方法，其特征在于，该方法包括：使用涂布设备，采用一定的涂布速度，按照单侧单次涂布量b在负极集流体两侧面涂布浆料Cn；其中b≤30/n，b的单位：mg/cm2；烘干后得到负极极片层Dn，此后在负极极片层Dn上重复m次涂布负极浆料、烘干的过程，其中m≥0。
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