CN114203970A - 一种改善锂电池电解液浸润性的电极极片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种改善锂电池电解液浸润性的电极极片及其制备方法。本发明制备方法包括以下步骤：将电极极片水平移动的同时，通过水平式针头和波纹式针头在可塑状态的电极极片第一面的表面雕刻沟道，所述水平式针头固定雕刻获得直线条纹沟槽，所述波纹式针头来回扫描雕刻获得波纹条纹沟槽，加热固化成型即可获得第一面沟槽结构电极极片；将第二面加工获得第二面沟槽结构电极极片，电极极片进行辊压，即可得到沟槽结构电极极片。本发明构造准三维沟槽图案，增加了电解液流动通道和增大了电解液传输界面面积，同时缩短了电解液在极片中的流动距离，有助于快速完全浸润电极片内部，具有非常大的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种改善锂电池电解液浸润性的电极极片及其制备方法。
背景技术
在锂离子电池中，电解液起着导通正负极之间的离子和担当充放电介质的作用，因此，电解液在电池中的浸润程度直接影响电池的能量密度和寿命等性能指标。对于电解液的浸润过程，相交于正负极极片，隔膜空隙率大，通常认为电解液优先渗透隔膜，再向电极极片内部渗透。但是，隔膜厚度薄且实际空隙率有限，储存电解液的能力有限，单一依靠隔膜通过二维平板结构渗透和浸润电极片，非常耗时。
目前，为了进一步扩大锂离子电池的应用，必须降低成本、延长寿命和提高能量密度。增加电池能密度的方法包括提高正负极容量和优化电极工程等。其中，增加正负极极片载量是一种提高能量密度的简单方法。但是，厚电极的使用使得电解液在极片中的浸润更加困难，或者需要更长的时间去浸润，大大增加了时间成本，同时导致电池放电容量大打折扣，电池内阻增大。因此，快速浸润高能量密度电池成为一个十分重要的研究课题。
近年来，研究工作者提出一系列改善电解液浸润性问题的策略，比如，优化电极结构和改性隔膜等。CN109768223A公开了一种卷绕式锂离子电池负极极片的制备方法。该技术方案采用激光刻蚀的方法在所述活性材料层的表面开设有负极极片宽度方向的凹槽。该技术方案通过在卷绕式锂离子电池负极极片上设置凹槽，具有易于成型、为电解液浸润提供了更多的空间与通道，但是所述电池负极极片上的凹槽独立，不相互连通，并且在宽度方向上不贯穿，仍然是一种在宏观上仅仅依靠隔膜引流的浸润模式，很难达到快速并完全浸润锂电池的目的，还存在改进空间。同时该技术方案采用的设备昂贵，操作精度要求高，不易商业化应用。
综述所述，现有技术仍缺乏一种快速完全浸润动力锂离子电池正负极极片结构。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种改善锂电池电解液浸润性的电极极片及其制备方法，其目的在于通过在正极和负极极片上构造波纹条纹和直线条纹相互连通的准三维沟槽结构，增加电解液流动通道和增大电解液传输界面面积，同时缩短电解液在极片中的流动距离，有助于快速完全浸润电极片内部。该电极极片结构有望在解决超厚电极电解液难浸润的问题同时大幅提升电池能量密度以及倍率性能和使用寿命。本发明的详细技术方案如下所述。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种改善锂电池电解液浸润性的电极极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将电极极片水平移动的同时，通过水平式针头和波纹式针头在可塑状态的电极极片第一面的表面雕刻沟道，所述水平式针头固定雕刻获得直线条纹沟槽，所述波纹式针头来回扫描雕刻获得波纹条纹沟槽，加热固化成型即可获得第一面沟槽结构电极极片；
(2)将步骤(1)获得的电极极片水平移动的同时，通过水平式针头和波纹式针头在可塑状态的电极极片第二面的表面雕刻沟道，所述水平式针头固定雕刻获得直线条纹沟槽，所述波纹式针头来回扫描雕刻获得波纹条纹沟槽，加热固化成型即可获得第二面沟槽结构电极极片；
(3)将步骤(2)获得的电极极片进行辊压，即可得到沟槽结构电极极片。
作为优选，所述水平式针头的数量为2个以上，所述波纹式针头的数量为1个以上。
作为优选，所述水平式针头和所述波纹式针头的针头形状均为圆柱形，优选的，针头直径均为20-200μm。
作为优选，所述水平式针头和所述波纹式针头的雕刻深度一致。
作为优选，所述电极极片包括正极极片和负极极片。
作为优选，所述正极极片通过以下方法制备而成：将正极活性材料、导电炭黑、聚偏氟乙烯树脂和溶剂混合均匀配制成正极浆料，将正极浆料涂覆于铝箔的表面，然后将正极浆料加热至可塑状态；
优选的，所述正极活性材料、所述导电炭黑和所述聚偏氟乙烯树脂的重量比为(92-96)：(2-4)：(2-4)；优选的，所述正极浆料中正极活性材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯树脂的总质量占正极浆料质量的45-65％；
优选的，所述正极活性材料包括磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂和三元材料中的至少一种。
作为优选，所述负极极片的活性材料为石墨。
作为优选，加热固化成型的固化温度为100-130℃。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，所述的改善锂电池电解液浸润性的电极极片的制备方法制备而成的电极极片。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，所述的电极极片在卷绕式或圆柱型动力锂电池领域中的应用。
本发明的有益效果有：
(1)本发明通过利用针头在可塑状态正极和负极极片上构造准三维沟槽图案，该沟槽图案中的沟槽相互交联和连通，一方面增加了电解液流动通道和增大了电解液传输界面面积，同时缩短了电解液在极片中的流动距离，有助于快速完全浸润电极片内部。
(2)本发明电极极片提供了大量的电解液储存空间，增大了比表面积，能用于制备长寿命和高倍率的高能量密度锂离子电池，具有非常大的应用价值。
附图说明
图1是本发明制备装置结果示意图。
图2是实施例1制备的正极片结构示意图。
图3是实施例2制备的正极片结构示意图。
图4是实施例3制备的正极片结构示意图。
图5是实施例4制备的正极片结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例
图1是本发明制备装置结构示意图。由图1可知，将待加工的可塑电极极片通过传送带水平移动，装置1和装置2分别固定有波纹式针头和水平式针头，在电极极片进行雕刻，雕刻完成后加热固化成型，最后辊压。
本发明磷酸铁锂(LFP)正极极片通过以下方法制备而成：
按照正极活性材料LFP 96％、导电炭黑2％和聚偏氟乙烯树脂2％的重量比，N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，按照固含量45％配制正极浆料，将其涂覆于铝箔的第一面作为正面，然后在80℃条件下加热至可塑状态，关掉加热装置，获得具有塑性特征的正面LFP正极极片。具有塑性特征的背面LFP正极极片的制备方法与之相同。
实施例1
一种沟槽结构磷酸铁锂(LFP)正极极片，通过以下方法制备而成：
(1)将电极极片水平移动的同时，通过水平式针头和波纹式针头在可塑状态的电极极片第一面的表面雕刻沟道，所述水平式针头固定雕刻获得直线条纹沟槽，所述波纹式针头来回扫描雕刻获得波纹条纹沟槽，然后在100℃条件下加热烘干，固化成型即可获得第一面沟槽结构电极极片；
其中，水平式针头和波纹式针头形状为圆柱形，针头的直径为20μm，水平式针头数量为1，波纹式针头数量为1，波纹式针头扫描周期为0.08毫秒。
(2)将步骤(1)获得的电极极片水平移动的同时，通过水平式针头和波纹式针头在可塑状态的电极极片第二面的表面雕刻沟道，所述水平式针头固定雕刻获得直线条纹沟槽，所述波纹式针头来回扫描雕刻获得波纹条纹沟槽，然后在100℃条件下加热烘干，固化成型即可获得第二面沟槽结构电极极片；
(3)将步骤(2)获得的电极极片进行辊压，即可得到沟槽结构电极极片。
本实施例沟槽结构电极极片如图2所示，该正极极片正面和背面结构均由一条波纹沟槽和一条直线沟槽相互交联组成，其中直线条纹将波纹条纹分为二等份。
实施例2
本实施例与实施例1的主要不同之处在于，水平式针头数量为2，波纹式针头数量为1，针头的直径为80μm，针头扫描周期为0.06毫秒，在110℃条件下加热烘干。
本实施例沟槽结构电极极片如图3所示，该正极极片正面和背面结构均由一条波纹沟槽和两条直线沟槽相互交联组成，其中直线条纹将波纹条纹分为三等份。
实施例3
本实施例与实施例1的主要不同之处在于，水平式针头数量为3，波纹式针头数量为1，针头的直径为140μm，针头扫描周期为0.04毫秒，在120℃条件下加热烘干。
本实施例沟槽结构电极极片如图3所示，该正极极片正面和背面结构均由一条波纹沟槽和三条直线沟槽相互交联组成，其中直线条纹将波纹条纹分为四等份。
实施例4
本实施例与实施例1的主要不同之处在于，水平式针头数量为4，波纹式针头数量为1，针头的直径为200μm，针头扫描周期为0.02毫秒，在130℃条件下加热烘干。
本实施例沟槽结构电极极片如图4所示，该正极极片正面和背面结构均由一条波纹沟槽和四条直线沟槽相互交联组成，其中直线条纹将波纹条纹分为五等份。
实施例5
一种沟槽结构石墨负极极片，通过以下方法制备而成：
(1)将石墨负极水平移动的同时，通过水平式针头和波纹式针头在可塑状态的电极极片第一面的表面雕刻沟道，所述水平式针头固定雕刻获得直线条纹沟槽，所述波纹式针头来回扫描雕刻获得波纹条纹沟槽，然后在100℃条件下加热烘干，固化成型即可获得第一面沟槽结构电极极片；
其中，水平式针头和波纹式针头形状为圆柱形，针头的直径为20μm，水平式针头数量为1，波纹式针头数量为1，波纹式针头扫描周期为0.02毫秒。
(2)将步骤(1)获得的电极极片水平移动的同时，通过水平式针头和波纹式针头在可塑状态的电极极片第二面的表面雕刻沟道，所述水平式针头固定雕刻获得直线条纹沟槽，所述波纹式针头来回扫描雕刻获得波纹条纹沟槽，然后在100℃条件下加热烘干，固化成型即可获得第二面沟槽结构电极极片；
(3)将步骤(2)获得的电极极片进行辊压，即可得到沟槽结构石墨负极极片。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改善锂电池电解液浸润性的电极极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将电极极片水平移动的同时，通过水平式针头和波纹式针头在可塑状态的电极极片第一面的表面雕刻沟道，所述水平式针头固定雕刻获得直线条纹沟槽，所述波纹式针头来回扫描雕刻获得波纹条纹沟槽，加热固化成型即可获得第一面沟槽结构电极极片；
(2)将步骤(1)获得的电极极片水平移动的同时，通过水平式针头和波纹式针头在可塑状态的电极极片第二面的表面雕刻沟道，所述水平式针头固定雕刻获得直线条纹沟槽，所述波纹式针头来回扫描雕刻获得波纹条纹沟槽，加热固化成型即可获得第二面沟槽结构电极极片；
(3)将步骤(2)获得的电极极片进行辊压，即可得到沟槽结构电极极片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水平式针头的数量为2个以上，所述波纹式针头的数量为1个以上。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述水平式针头和所述波纹式针头的针头形状均为圆柱形，优选的，针头直径均为20-200μm。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述水平式针头和所述波纹式针头的雕刻深度一致。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电极极片包括正极极片和负极极片。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述正极极片通过以下方法制备而成：将正极活性材料、导电炭黑、聚偏氟乙烯树脂和溶剂混合均匀配制成正极浆料，将正极浆料涂覆于铝箔的表面，然后将正极浆料加热至可塑状态；
优选的，所述正极活性材料、所述导电炭黑和所述聚偏氟乙烯树脂的重量比为(92-96)：(2-4)：(2-4)；优选的，所述正极浆料中正极活性材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯树脂的总质量占正极浆料质量的45-65％；
优选的，所述正极活性材料包括磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂和三元材料中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述负极极片的活性材料为石墨。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，加热固化成型的固化温度为100-130℃。
9.根据权利要求1-8任一项所述的改善锂电池电解液浸润性的电极极片的制备方法制备而成的电极极片。
10.根据权利要求9所述的电极极片在卷绕式或圆柱型动力锂电池领域中的应用。
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