CN114171714A - 一种高倍率电池正极片及锂离子电池 - Google Patents

一种高倍率电池正极片及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高倍率电池正极片及锂离子电池，高倍率电池正极片的正极基材的表面区分为涂覆区和空白区，所述涂覆区上涂布有经过烘烤的正极浆料，所述空白区为正极基材裸露表面的区域。本发明提供了通过在电池正极片上留有一条或多条空白区不涂覆活性材料，能够有效的增加电池正极片的基体面积，从而达到降低电化学极化的效果，最终达到提升高倍率放电效率及高倍率循环寿命性能的目的。

Description

一种高倍率电池正极片及锂离子电池
技术领域
本发明属于锂聚合物电池技术领域，具体涉及一种高倍率锂离子电池的正极片及电池。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
锂离子电池由于具备能量密度大、输出功率高、循环寿命长和环境污染小等优点而被广泛应用于电动汽车以及消费类电子产品中。目前对锂离子电池的需求是：高电压、高功率、长循环寿命、长存储寿命且安全性能优异。
CN111799451A公开了一种高倍率锂电池负极片及锂电池；此方案通过改进负极浆料层的组成和结构，提高了导电性，降低了内阻，因而能够改善锂电池的倍率性能。
CN106601973公开了一种高效率高倍率锂电池结构，此方案取电极耳采用一体化设计，无需采用极柱对封盖下部的取电极耳和封盖外部端子进行焊接相连，解决了现有锂电池在这两处焊接的工艺瓶颈的问题，增加了锂电池的放电倍率，减少大电流放电时由于焊接点造成的电阻和发热的情况。
在大多数电池中，扩散是典型的传质过程，为维持电流流动需要物质往返于反应区的传递过程。扩散过程的加强和改进是研究改进电池特性参数所应遵循的一个正确方向，如下式所表达：
Figure BDA0003349866870000011
在上式中，CB为电活性例子的主体浓度；CE为电极表面浓度；A为电极面积；δ为边界层厚度，即浓度梯度的变化主要集中在这个电极表面层内。
当CB＝0时，上式定义了在限定条件下所能维持的最大扩散电流：
Figure BDA0003349866870000012
在上式中，δL为极限条件下边界层厚度，此式表示，若想增加iL，必须增加本体浓度、电极面积或增大扩散系数。
但是目前锂离子电池并没有针对于电池正极片的相关改进，现有的锂离子电池正极片表面连续涂覆活性物质、基体面积有限，导致浓差极化大，对高倍率放电效率及高倍率循环寿命有负面影响。
发明内容
针对现有锂离子电池正极片基体面基有限导致导致浓差极化大的不足，本发明提出了一种高倍率锂离子电池的正极片及电池。
一方面，本发明提供了一种高倍率电池正极片，
包括正极浆料和正极基材，所述正极基材的表面区分为涂覆区和空白区，所述涂覆区上涂布有经过烘烤的正极浆料，所述空白区为正极基材裸露表面的区域，所述空白区占正极基材总表面积的15％-45％。
优选地，在所述正极基材上覆盖有胶带，正极基材涂覆所述正极浆料后去除胶带并烘烤。
具体地，烘烤后高倍率电池正极片的含水量≤200ppm。
具体地，所述胶带上涂有胶水，胶水位于胶带和正极基材之间。
具体地，所述胶带为聚对苯二甲酸乙二醇酯胶带或特氟龙胶带。
优选地，所述正极浆料中包括正极活性材料、导电剂、粘结剂、增韧剂、分散剂和溶剂。
优选地，所述正极基材为铝或碳纳米板。
另一方面，本发明提供了一种锂离子电池。
包括电池正极片、电池负极片和电解液，所述电池正极片的部分正极基材表面涂覆有正极浆料为涂覆区，部分正极基材表面裸露为空白区，所述空白区占正极基材总表面积的15％-45％。
具体地，所述电池正极片的正极基材为铝或碳纳米板。
具体地，为层叠锂离子电池或绕卷锂离子电池。
本发明的有益效果：
在现有技术的锂离子电池中，通常在电池正/负极片上留有极耳，而极耳上也不涂覆活性材料，但是极耳是锂离子电池进行充放电时的接触点，且在表面会贴上绝缘胶纸来防止短路，且极耳只设置在电池正/负极片上的边缘处，无法起到降低浓差极化的作用。
本发明提供了一种通过在电池正极片上留有一条或多条空白区不涂覆活性材料，能够有效的增加电池正极片的基体面积，从而达到降低电化学极化(浓差极化)的效果，最终达到提升高倍率放电效率及高倍率循环寿命性能的目的。
附图说明
图1为实施例3的空白区与涂覆区的示意图。
图2为实施例1-3的10C高倍率放电测试结果。
图3为实施例1-3的10C高倍率放电循环寿命测试结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细的阐述，下述实施例不用于限制本发明，仅用于说明本发明。以下实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1电池正极片的制备
(1)正极浆料的预备：称取磷酸铁锂、石墨烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、酒石酸钠、去离子水以90:4:5:2:3:80的质量份称量。
在此步骤中，磷酸铁锂为正极活性材料、石墨烯为导电剂、聚丙烯酸为粘结剂、聚甲基丙烯酸甲酯为增韧剂、酒石酸钠为分散剂、去离子水为溶剂。
(2)混合：将聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、酒石酸钠和去离子水按比例加入搅拌罐内以200rpm搅拌30min；
将磷酸铁锂、石墨烯加入搅拌罐内继续以600rpm搅拌60min；反转脱泡，得正极浆料。
(3)正极基材预处理：选择铝箔作为正极基材，将空白区用PET(Polyethyleneterephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)胶带覆盖，胶带上涂布有丙烯酸类胶水并贴于正极基材一侧。
本实施例的空白区占正极基材总面积的15％，空白区位于电池正极片的中部且为长方形，两侧为准备涂布正极浆料的涂覆区。
(4)正极片处理：在贴有胶带的正极基材上涂布正极浆料，涂布厚度为10μm，然后掀开胶带；在100℃真空烘箱中烘烤36h，直到正极片水分含量≤200ppm；涂布时候的温度、压力、时间如表1所示。
Figure BDA0003349866870000041
在本实施例中，采用单面面密度＜20/mg/cm2的涂布温度。
实施例2电池正极片的制备
与实施例1不同的是：步骤(3)中本实施例的具有两条空白区，空白区占正极基材总面积的30％，每条空白区面积为正极基材总面积的15％且为长方形，且两条空白区对应的分布在正极基材的两侧。
实施例3电池正极片的制备
与实施例1不同的是：步骤(3)中本实施例的具有3条空白区，空白区占正极基材总面积的45％，每条空白区面积为正极基材总面积的15％且为长方形，如图1所示。
对比例
(1)正极浆料的预备：称取磷酸铁锂、石墨烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、酒石酸钠、去离子水以90:4:5:2:3:80的质量份称量。
在此步骤中，磷酸铁锂为正极活性材料、石墨烯为导电剂、聚丙烯酸为粘结剂、聚甲基丙烯酸甲酯为增韧剂、酒石酸钠为分散剂、去离子水为溶剂。
(2)混合：将聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、酒石酸钠和去离子水按比例加入搅拌罐内以200rpm搅拌30min；
将磷酸铁锂、石墨烯加入搅拌罐内继续以600rpm搅拌60min；反转脱泡，得正极浆料。
(3)正极片处理：选择铝箔作为正极基材，在基材上涂布正极浆料，涂布厚度为10μm，然后掀开胶带；在100℃真空烘箱中烘烤36h，直到正极片水分含量≤200ppm。
将实施例1-3和对比例制得的电池正极片、石墨材料制得的电池负极片，以及体积比为1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯的LiPF6溶液组成的电解液，组装成标称容量为700mAh，3.7V的802441型号的绕卷锂离子电池。
对上述锂离子电池进行10C高倍率放电测试，结果如图2、表3和表2所示。
表2 10C高倍率放电测试
Figure BDA0003349866870000042
Figure BDA0003349866870000051
表3 10C高倍率放电测试
Figure BDA0003349866870000052
结果显示，实施例2的10C放电至3.0V中值电压比对比例高60mV、放电至3.4V放电效率比对比组高6.46％，实施例2的高倍率放电性能最好；且任何一个实施例，其放电性能也优于对比例。
对上述锂离子电池进行10C高倍率放电循环寿命测试，结果如图3和表4所示。
表4 10C高倍率放电循环寿命测试
Figure BDA0003349866870000053
结果显示，实施例2的10C放电循环至初始容量的80％的周数为450周，实施例1为350周、实施例3为400周，而对比例仅为290周，实施例2高倍率循环寿命性能最好。
为了进一步研究空白区的形状、分布、正极基材、胶带等不同因素是否对降低浓差极化的效果有影响，进行了更多的实施例。
实施例4电池正极片的制备
与实施例1不同的是：步骤(3)中本实施例的空白区为圆环形。
实施例5电池正极片的制备
与实施例1不同的是：步骤(3)中本实施例的空白区为菱形网格。
实施例6电池正极片的制备
与实施例1不同的是：步骤(3)中本实施例的空白区为三条各自占正极基材总面积的5％的长方形，总空白区面积为15％。
实施例7电池正极片的制备
与实施例1不同的是：步骤(3)中本实施例的正极基材为碳纳米板。
实施例8电池正极片的制备
与实施例1不同的是：步骤(3)中本实施例的胶带为特氟龙胶带；步骤(4)中在120℃真空烘箱中烘烤32h；且采用单面面密度≥20/mg/cm2的涂布温度。
将实施例4-7和对比例制得的电池正极片、石墨材料制得的电池负极片，以及体积比为1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯的LiPF6溶液组成的电解液，组装成标称容量为700mAh，3.7V的802441型号的层叠锂离子电池。
对上述锂离子电池进行10C高倍率放电测试和10C高倍率放电循环寿命测试，结果与实施例1相差≤0.1％，为测试误差。证明，空白区的形状、分布与降低浓差极化的效果无关，降低浓差极化的效果只跟空白区的面积有关；同时，降低浓差极化的效果也跟层叠/卷绕、正极基材、胶带材质、烘烤温度等无关。

Claims (10)

1.一种高倍率电池正极片，包括正极浆料和正极基材，其特征在于，所述正极基材的表面区分为涂覆区和空白区，所述涂覆区上涂布有经过烘烤的正极浆料，所述空白区为正极基材裸露表面的区域，所述空白区占正极基材总表面积的15％-45％。
2.根据权利要求1所述的高倍率电池正极片，其特征在于，在所述正极基材上覆盖有胶带，正极基材涂覆所述正极浆料后去除胶带并烘烤。
3.根据权利要求2所述的高倍率电池正极片，其特征在于，烘烤后高倍率电池正极片的含水量≤200ppm。
4.根据权利要求2所述的高倍率电池正极片，其特征在于，所述胶带上涂有胶水，胶水位于胶带和正极基材之间。
5.根据权利要求2所述的高倍率电池正极片，其特征在于，所述胶带为聚对苯二甲酸乙二醇酯胶带或特氟龙胶带。
6.根据权利要求1所述的高倍率电池正极片，其特征在于，所述正极浆料中包括正极活性材料、导电剂、粘结剂、增韧剂、分散剂和溶剂。
7.根据权利要求1所述的高倍率电池正极片，其特征在于，所述正极基材为铝或碳纳米板。
8.一种锂离子电池，包括电池正极片、电池负极片和电解液，其特征在于，所述电池正极片的部分正极基材表面涂覆有正极浆料为涂覆区，部分正极基材表面裸露为空白区，所述空白区占正极基材总表面积的15％-45％。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述电池正极片的正极基材为铝或碳纳米板。
10.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，为层叠锂离子电池或绕卷锂离子电池。
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