CN114273510A - 一种造孔辊及其提升极片孔隙率的方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种造孔辊及其提升极片孔隙率的方法与应用，所述造孔辊包括辊体，以及分布于辊体表面的造孔钉；所述造孔钉包括至少一列第一造孔钉与至少一列第二造孔钉；每列第一造孔钉与每列第二造孔钉相邻设置；所述第一造孔钉的长度大于第二造孔钉的长度。本发明提供的造孔辊不需要改变现有电池生产流程，也无需添加造孔剂等非活性物质，降低了锂离子电池制造的成本，实现了对极片孔隙率的调控；同时，能够通过调节造孔辊上造孔钉的阵列排布，实现对极片孔隙率的调控，并且在极片上得到的孔为直孔，可以大大提高极片对电解液的浸润性能，从而提升锂离子电池的电化学性能。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，涉及一种造孔辊，尤其涉及一种造孔辊及其提升极片孔隙率的方法与应用。
背景技术
锂离子电池由于具有高能量密度，高电压和循环寿命长等优点，已大规模应用在储能领域。为了提升锂离子电池的能量密度，降低锂离子电池中集流体的使用量是常用方法之一。为了实现上述方法，通常采用厚电极设计，以提升电池中活性成分的综合占比，但是随着电极涂覆量的增加，电池的倍率性能以及循环性能会出现不同幅度的下降。由于在厚电极中，锂离子扩散的阻力会大幅度的增加。因此，如何实现提升极片厚度的同时不减弱锂离子的扩散，是厚极片设计的重点研究工作。
CN 103178241A中公开了一种锂离子电池阳极片的制作方法，所述方法包括以下步骤：将阳极活性物质、粘接剂和导电剂加入去离子水中，混合均匀后，得到阳极浆料，然后将阳极浆料涂布在阳极集流体上，干燥后在所述阳极集流体上形成阳极膜片，冷压；将冷压后的阳极片置于温度小于或等于0℃的冷冻箱中进行冷冻处理，使得阳极膜片内的水凝固成固体；再将阳极片置于温度大于或等于100℃的烘箱中进行烘烤处理，使阳极膜片内凝固成固体的水升华，最终完成阳极片的制作。公开的方法虽然对阳极极片的孔隙率有一定提升，但在极片冷压前已完成了烘干工序，因此极片中含水量较少，对极片孔隙率的提升较小，同时由于在正常锂离子电池生产工艺的基础上加入了冷冻工序，需要对产线做较大的改造，且不利于产线提升产能，且该方法只适合于水系的负极不适用于油系的正极体系。
CN 111312985A中公开了一种孔隙率梯次分布的极片及其制备方法和用途，所述的方法包括以下步骤：准备两种不同的正极或负极浆料，并在浆料中添加入一定量的石蜡微球、精萘、聚氧化乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯作为造孔剂；先将第一种浆料涂覆在集流体上，并烘干形成第一层膜，随后在第一层膜表面涂覆第二层膜浆料并烘干，然后进行冷压，通过调造孔剂用量既可以得到孔隙率梯次分布的极片。其公开的方法虽然可以实现孔隙率的阶梯分布，但是需要加入额外的造孔剂，同时需要涂布两次，会大大降低产线的生产效率，并且会提高成本。
CN 110212157A公开一种锂离子电池极片及其制备方法及锂离子电池，所述极片包括集流体以及分别交替依次设置于集流体两侧的活性物层和功能层，所述集流体每侧的活性物质层的层数为n+1层，功能层的层数为n层，其中，1≤n≤10；其公开的多层活性物质层与功能层的设计，使得孔隙率分布难以控制，并且需要对现有电池产线的基础上进行较大程度的改造升级。
基于以上研究，如何提供一种造孔辊及其提升极片孔隙率的方法，不需要改变现有电池生产工艺及流程，也无需添加造孔剂，便可实现对极片孔隙率的调控，同时，所述方法对于锂电池的正极极片与负极极片均适用，成为了目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种造孔辊及其提升极片孔隙率的方法与应用，所述造孔辊能实现对极片孔隙率的调控，提升极片的孔隙率，且不需要改变现有电池生产工艺及流程，也无需添加造孔剂等非活性物质，同时，所述方法对于锂电池的正极极片与负极极片均适用。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种用于电池极片造孔的造孔辊，所述造孔辊包括辊体，以及分布于辊体表面的造孔钉；
所述造孔钉包括至少一列第一造孔钉与至少一列第二造孔钉；
每列第一造孔钉与每列第二造孔钉相邻设置；所述第一造孔钉的长度大于第二造孔钉的长度。
本发明所述造孔辊不需要改变现有电池生产工艺及流程，也无需添加造孔剂等非活性物质，通过在造孔辊上设置长度不同的造孔钉，来实现对极片孔隙率的调控，提升极片的孔隙率，降低锂离子电池制造的成本；所述造孔辊有良好的普适性，对于锂离子电池的正极极片和负极极片均适用，并且得到的造孔为直孔，可以大大提高极片对电解液的浸润性能，从而提升锂离子电池的能量密度和循环性能。
本发明每列第一造孔钉和每列第二造孔钉的分布方向，分别独立地为造孔辊的轴向，或分别独立地为垂直于造孔辊的轴向。
优选地，所述第一造孔钉的长度为极片厚度的80～90％，例如可以是80％、82％、84％、86％、88％或90％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二造孔钉的长度为极片厚度的40～60％，例如可以是40％、45％、50％、55％或60％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明对极片不做具体的限定，示例性的为锂离子电池的正极极片或锂离子电池的负极极片。
优选地，所述造孔钉均匀分布于辊体表面。
优选地，每列第一造孔钉与每列第二造孔钉的分布方向，分别独立地为造孔辊的轴向。
优选地，所述第二造孔钉的排布密度≥第一造孔钉的排布密度。
优选地，所述第二造孔钉的排布密度是第一造孔钉排布密度的100～200％，例如可以是100％、125％、150％、175％或200％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述造孔钉的直径为100～800μm，例如可以是100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm或800μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，相邻两列第一造孔钉的间距为第一造孔钉长度的1～2倍，例如可以是1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍或2倍，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，相邻两列第二造孔钉的间距为第一造孔钉长度的1～2倍，例如可以是1倍、1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍或2倍，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供了一种提升极片孔隙率的方法，极片二次分条后，在卷绕入片前通过如第一方面所述的造孔辊进行辊压。
第三方面，本发明提供了一种极片，所述极片采用如第二方面所述的方法得到。
第四方面，本发明提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括如第三方面所述的极片。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在造孔辊上设置长度不同的造孔钉，不需要改变现有电池生产工艺及流程，也无需添加造孔剂等非活性物质，来实现对极片孔隙率的调控，提升极片的孔隙率，降低锂离子电池制造的成本；所述造孔辊有良好的普适性，对于锂离子电池的正极极片和负极极片均适用，并且得到的造孔为直孔，可以大大提高极片对电解液的浸润性能，从而提升锂离子电池的能量密度和循环性能。
附图说明
图1是本发明所述造孔辊的示意图。
图2是本发明所述造孔辊的表面局部放大图。
1-第一造孔钉，2-第二造孔钉。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种如图1所示的造孔辊，所述造孔辊的局部放大图如图2所示，所述造孔辊包括辊体，以及均匀分布于辊体表面的第一造孔钉1与第二造孔钉2；
相邻两列第一造孔钉1之间设置有一列第二造孔钉2，相邻两列第二造孔钉2之间设置有一列第一造孔钉1；
相邻两列第一造孔钉1的间距为第一造孔钉1长度的1.5倍；相邻两列第二造孔钉2的间距为第一造孔钉1长度的1.5倍；
所述第一造孔钉1的长度为极片厚度的85％，直径为550μm；所述第二造孔钉2的长度为极片厚度的50％，直径为550μm；所述第二造孔钉2的排布密度是第一造孔钉1排布密度的150％。
实施例2
本实施例提供了一种如图1所示的造孔辊，所述造孔辊的局部放大图如图2所示，所述造孔辊包括辊体，以及均匀分布于辊体表面的第一造孔钉1与第二造孔钉2；
相邻两列第一造孔钉1之间设置有一列第二造孔钉2，相邻两列第二造孔钉2之间设置有一列第一造孔钉1；
相邻两列第一造孔钉1的间距为第一造孔钉1长度的1倍；相邻两列第二造孔钉2的间距为第一造孔钉1长度的1倍；
所述第一造孔钉1的长度为极片厚度的80％，直径为800μm；所述第二造孔钉2的长度为极片厚度的40％，直径为800μm；所述第二造孔钉2的排布密度是第一造孔钉1排布密度的100％。
实施例3
本实施例提供了一种如图1所示的造孔辊，所述造孔辊的局部放大图如图2所示，所述造孔辊包括辊体，以及均匀分布于辊体表面的第一造孔钉1与第二造孔钉2；
相邻两列第一造孔钉1之间设置有一列第二造孔钉2，相邻两列第二造孔钉2之间设置有一列第一造孔钉1；
相邻两列第一造孔钉1的间距为第一造孔钉1长度的2倍；相邻两列第二造孔钉2的间距为第一造孔钉1长度的2倍；
所述第一造孔钉1的长度为极片厚度的90％，直径为300μm；所述第二造孔钉2的长度为极片厚度的60％，直径为300μm；所述第二造孔钉2的排布密度是第一造孔钉1排布密度的200％。
实施例4
本实施例提供了一种造孔辊，除所述第一造孔钉1的长度为极片厚度的70％外，其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种造孔辊，除所述第一造孔钉1的长度为极片厚度的95％外，其余均与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种造孔辊，除所述第二造孔钉2的长度为极片厚度的30％外，其余均与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种造孔辊，除所述第二造孔钉2的长度为极片厚度的70％外，其余均与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供了一种造孔辊，除所述第二造孔钉2的排布密度是第一造孔钉1排布密度的80％外，其余均与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供了一种造孔辊，除所述第二造孔钉2的排布密度是第一造孔钉1排布密度的220％外，其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种辊，所述辊的表面为连续的光滑面。
对比例2
本对比例提供了一种辊，所述辊包括辊体，以及均匀分布于辊体表面的造孔钉；
所述造孔钉的长度为极片厚度的85％，直径为550μm。
对比例3
本对比例提供了一种辊，所述辊包括辊体，以及均匀分布于辊体表面的造孔钉；
所述造孔钉的长度为极片厚度的50％，直径为550μm。
应用例1
本应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如实施例1所述的造孔辊进行辊压得到。
应用例2
本应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如实施例2所述的造孔辊进行辊压得到。
应用例3
本应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如实施例3所述的造孔辊进行辊压得到。
应用例4
本应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如实施例4所述的造孔辊进行辊压得到。
应用例5
本应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如实施例5所述的造孔辊进行辊压得到。
应用例6
本应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如实施例6所述的造孔辊进行辊压得到。
应用例7
本应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如实施例7所述的造孔辊进行辊压得到。
应用例8
本应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如实施例8所述的造孔辊进行辊压得到。
应用例9
本应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如实施例9所述的造孔辊进行辊压得到。
应用例10
本应用例提供了一种极片，所述极片为硅碳负极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如实施例1所述的造孔辊进行辊压得到。
对比应用例1
本对比应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如对比例1所述的辊进行辊压得到。
对比应用例2
本对比应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如对比例2所述的辊进行辊压得到。
对比应用例3
本对比应用例提供了一种极片，所述极片为磷酸铁锂正极极片，厚度为100μm；
所述极片二次分条后，在卷绕入片前通过如对比例3所述的辊进行辊压得到。
以上应用例和对比应用例提供的极片制作完成后转移至真空干燥箱，在80℃下真空烘干24h；以金属锂片为对电极，1.0M的LiPF6溶解于EC:DMC:EMC为电解液(EC为碳酸乙烯酯，EMC为碳酸甲乙酯，DMC为碳酸二甲酯，EC、DMC和EMC的体积比为1:1:1)，以聚丙烯膜作为隔膜，使用2032电池壳型在手套箱中组装扣式电池；电池组装完成静置24小时之后在电池测试仪(深圳新威电池测试柜CT-4008-5V5mA)上进行采用0.1C以及1C的放电电流进行恒流放电测试，工作电压2.0～3.75V，以上应用例和对比应用例提供的极片的孔隙率及组装成扣式电池，在不同电流下的克容量以及容量保持率如表1所示：
表1
从表1可以看出以下几点：
(1)由应用例1与对比应用例1可知，对比应用例1采用表面为连续光滑面的辊，应用例1采用表面具有造孔钉的造孔辊，与应用例1相比，对比应用例1提供的极片制成的扣式电池的电化学性能降低；由此可知，本发明提供的造孔辊不需要改变现有电池生产工艺及流程，便在极片上的得到直孔，大大提高了极片对电解液的浸润性能，从而提升了锂离子电池的电化学性能。
(2)有应用例1与对比应用例2～3可知，对比应用例2～3所述辊压采用的辊，其表面具有相同长度大小的造孔钉，与应用例1相比，对比应用例2～3得到的极片的电化学性能下降；由此可知，本发明所述造孔辊不需要改变现有电池生产工艺及流程，也无需添加造孔剂等非活性物质，通过在造孔辊上设置长度不同的造孔钉，来实现对极片孔隙率的调控，降低锂离子电池制造的成本，提升锂离子电池的电化学性能。
综上所述，本发明提供一种造孔辊及其提升极片孔隙率的方法与应用，所述造孔辊包括辊体，以及均匀分布于辊体表面的造孔钉；所述造孔钉包括至少一列第一造孔钉与至少一列第二造孔钉；相邻两列第一造孔钉之间设置有一列第二造孔钉；相邻两列第二造孔钉之间设置有一列第一造孔钉；所述第一造孔钉的长度大于第二造孔钉的长度。本发明提供的造孔辊不需要改变现有电池生产工艺及流程，便可实现对厚极片空利率的调控，也无需添加造孔剂等非活性物质，降低了锂离子电池制造的成本，并且所述方法同时适用于电池的正极极片与负极极片；同时，能够通过调节造孔辊上造孔钉的阵列排布，实现对极片孔隙率的调控，并且在极片上的孔为直孔，可以大大提高极片对电解液的浸润性能，从而提升锂离子电池的能量密度和循环性能。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种用于电池极片造孔的造孔辊，其特征在于，所述造孔辊包括辊体，以及分布于辊体表面的造孔钉；
所述造孔钉包括至少一列第一造孔钉与至少一列第二造孔钉；
每列第一造孔钉与每列第二造孔钉相邻设置；
所述第一造孔钉的长度大于第二造孔钉的长度。
2.根据权利要求1所述用于电池极片造孔的造孔辊，其特征在于，所述第一造孔钉的长度为极片厚度的80～90％。
3.根据权利要求1或2所述用于电池极片造孔的造孔辊，其特征在于，所述第二造孔钉的长度为极片厚度的40～60％。
4.根据权利要求1～3任一项所述用于电池极片造孔的造孔辊，其特征在于，所述造孔钉均匀分布于辊体表面；
优选地，每列第一造孔钉与每列第二造孔钉的分布方向，分别独立地为造孔辊的轴向；
优选地，所述第二造孔钉的排布密度≥第一造孔钉的排布密度。
5.根据权利要求4所述用于电池极片造孔的造孔辊，其特征在于，所述第二造孔钉的排布密度是第一造孔钉排布密度的100～200％。
6.根据权利要求5所述用于电池极片造孔的造孔辊，其特征在于，所述造孔钉的直径为100～800μm。
7.根据权利要求6所述用于电池极片造孔的造孔辊，其特征在于，相邻两列第一造孔钉的间距为第一造孔钉长度的1～2倍；
优选地，相邻两列第二造孔钉的间距为第一造孔钉长度的1～2倍。
8.一种提升极片孔隙率的方法，其特征在于，极片二次分条后，在卷绕入片前通过如权利要求1～7任一项所述的造孔辊进行辊压。
9.一种极片，其特征在于，所述极片采用如权利要求8所述的方法得到。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括如权利要求9所述的极片。
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