CN114388733A - 锂离子电池电极结构、制备方法及包含其的锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池电极结构、制备方法及包含其的锂离子电池。锂离子电池电极结构包括正极片、负极片和设置在正极片与负极片之间的隔膜；所述正极片包括正极集流体和位于正极集流体两侧的正极活性涂层；所述负极片包括负极集流体和位于负极集流体两侧的负极活性涂层；所述正极活性涂层和/或负极活性涂层的两侧还包括多孔聚合物涂层。本发明在正极活性涂层和/或负极活性涂层的两侧涂覆多孔聚合物涂层，多孔聚合物涂层渗透到负极片和正极片电极材料中，以树根的形式与正极片和/或负极片紧密结合，形成连续的网络；多孔聚合物涂层防止了电池内部电极层与隔膜之间的相对滑动，从而提升了锂离子电池的弯曲性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池电极结构、制备方法及包含其的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有高的能量密度和工作电压，一直以来都是高效的储能元件以及电能释放系统。随着电子技术的快速发展，现代社会对电子器件的要求越来越高，不仅要求具有良好的电性能，同时还需具备优异的力学性能和机械稳定性，如剪切、压缩、弯曲等性能。传统的锂离子电池是将电极材料和粘结剂混合涂覆在金属集流体上形成电极材料，将正负电极片、隔膜经卷绕形成。但是这种层状堆叠设计很容易导致层间滑移，使其机械稳定性差。同时由于金属集流体自身的弯曲度和变形率很小，从而导致锂离子电池的抗弯强度较差，电极材料也易脱落。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种锂离子电池电极结构及其制备方法和应用，以提高锂离子电池的弯曲性能和安全性能。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
第一方面，本发明提供一种锂离子电池电极结构，包括正极片、负极片和设置在正极片与负极片之间的隔膜；所述正极片包括正极集流体和位于正极集流体两侧的正极活性涂层；所述负极片包括负极集流体和位于负极集流体两侧的负极活性涂层；所述正极活性涂层和/或负极活性涂层的两侧还包括多孔聚合物涂层。
进一步的，所述正极集流体为铝箔、涂碳铝箔中的一种；所述负极集流体为铜箔、镍箔或涂碳铜箔中的一种。
进一步的，所述正极活性涂层由正极活性物质、导电碳(SP)、聚四氟乙烯、碳纳米管(CNT)混合制得；所述正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料中的至少一种。
进一步的，所述负极活性涂层由负极活性物质、导电碳(SP)、粘结剂、羧甲基纤维素钠(CMC)混合制得；所述负极活性物质为天然石墨、人造石墨、硬碳、硅碳材料中的至少一种；粘结剂为丁苯橡胶(SBR)、海藻酸钠、聚丙烯酸(PAA)中的至少一种。
进一步的，所述多孔聚合物涂层由高分子聚合物与去离子水、丙酮混合制得；所述多孔聚合物涂层厚度为5～10μm。
优选的，所述高分子聚合物为聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VdF-HFP))。
优选的，所述高分子聚合物与去离子水、丙酮按质量份数比例为(0.5～1):1:(8～8.5)混合均匀。
进一步的，所述隔膜为复合隔膜，复合隔膜的基膜为聚丙烯/聚乙烯，基膜的一侧为陶瓷颗粒涂层，基膜的另一侧或/和陶瓷颗粒涂层的外侧为PVDF涂层。
第二方面，本发明提供一种锂离子电池电极结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别制备多孔聚合物涂层溶液、正极活性涂层浆料、负极活性涂层浆料；
(2)分别制备正极片和负极片；所述正极片的制备方法为在正极集流体两侧涂覆正极活性涂层浆料以形成正极活性涂层；所述负极片的制备方法为在负极集流体两侧涂覆负极活性涂层浆料以形成负极活性涂层；所述正极活性涂层和/或负极活性涂层的两侧涂覆多孔聚合物涂层溶液以形成多孔聚合物涂层；
(3)用隔膜将正极片与负极片隔开。
第三方面，本发明提供一种锂离子电池，包括上述锂离子电池电极结构。
本发明的有益效果为：
1、本发明在正极活性涂层和/或负极活性涂层的两侧涂覆多孔聚合物涂层，多孔聚合物涂层可以渗透到负极片和正极片电极材料中，以树根的形式与正极片和/或负极片紧密结合，形成连续的网络；本发明的多孔聚合物涂层与隔膜通过简单的热压牢固粘接，防止了电池内部电极层与隔膜之间的相对滑动，从而大大提升了锂离子电池的弯曲性能。
2、本发明的多孔聚合物涂层可在电极层表面形成一个连续的网络结构，且高度多孔，不会影响电解液的浸润能力，同时本发明的多孔聚合涂层厚度很薄且可控，对于锂离子电池的电化学性能影响极小；在不牺牲电化学性能的同时提高锂离子电池的机械稳定性。
3、本发明操作简单、成本低廉，可直接用于锂离子电池制造工艺，具有良好的应用价值。
附图说明
图1为实施例3、对比例1的电极结构制备的锂离子电池的弯曲力-挠度曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种锂离子电池电极结构，包括正极片、负极片和设置在正极片与负极片之间的隔膜；所述正极片包括正极集流体和位于正极集流体两侧的正极活性涂层；所述负极片包括负极集流体和位于负极集流体两侧的负极活性涂层；所述正极活性涂层和/或负极活性涂层的两侧还包括多孔聚合物涂层。
所述锂离子电池电极结构采用以下方法制备：
(1)制备多孔聚合物涂层溶液：将高分子聚合物聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VdF-HFP))与去离子水、丙酮以质量份数比为0.5:1:8.5混合均匀；
(2)制备正极片：以铝箔为正极集流体，将正极活性涂层浆料通过间隙涂布的方式以4m/min的速比涂覆于铝箔两侧外表面，并通过80℃的烘箱进行烘干处理；然后将多孔聚合物涂层溶液同样以间隙涂膜的方式涂覆在涂有正极活性涂层的两侧，多孔聚合物涂层厚度为5μm，并放置在80℃的真空烘箱中干燥2小时，将烘干后的正极片进行辊压处理。所述正极活性涂层浆料的制备方法为将钴酸锂、导电碳(SP)、聚四氟乙烯、碳纳米管(CNT)按质量份数比98.2:0.3:1:0.5添加至基吡咯烷酮(NMP)中混合均匀，NMP的质量为正极活性涂层浆料的总质量的20％；
(3)制备负极片：以铜箔为负极集流体，将负极活性涂层浆料通过间隙涂布的方式以4m/min的速比涂覆于铜箔两侧外表面，并通过80℃的烘箱进行烘干处理；然后将多孔聚合物涂层溶液同样以间隙涂膜的方式涂覆在涂有负极活性涂层的两侧，并放置在80℃的真空烘箱中干燥2小时，多孔聚合物涂层厚度为5μm，将烘干后的负极片进行辊压处理。所述负极活性涂层浆料的制备方法为将人造石墨、导电碳(SP)、丁苯橡胶(SBR)以及羧甲基纤维素钠(CMC)按照质量份数比为97.3:0.3:1.3:1.1添加至去离子水中混合均匀；去离子水的质量为负极活性涂层浆料的总质量的20％；
(4)制备隔膜：以聚丙烯/聚乙烯为基膜，在基膜的一侧涂覆陶瓷颗粒涂层，在基膜的另一侧和陶瓷颗粒涂层的外侧涂覆PVDF涂层。
实施例2
一种锂离子电池电极结构，与实施例1不同之处在于多孔聚合物涂层溶液的制备方法不同，实施例2中多孔聚合物涂层溶液的制备方法为将高分子聚合物聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VdF-HFP))与去离子水、丙酮以质量份数比为0.8:1:8.2混合均匀，多孔聚合物涂层的厚度为8μm，其余结构和制备方法同实施例1。
实施例3
一种锂离子电池电极结构，与实施例1不同之处在于多孔聚合物涂层溶液的制备方法不同，实施例2中多孔聚合物涂层溶液的制备方法为将高分子聚合物聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VdF-HFP))与去离子水、丙酮以质量份数比为1:1:8混合均匀，多孔聚合物涂层的厚度为10μm，其余结构和制备方法同实施例1。
实施例4
一种锂离子电池电极结构，与实施例1不同之处在于多孔聚合物涂层溶液的制备方法不同，实施例2中多孔聚合物涂层溶液的制备方法为将高分子聚合物聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VdF-HFP))与去离子水、丙酮以质量份数比为1.5:1:7.5混合均匀，多孔聚合物涂层的厚度为15μm，其余结构和制备方法同实施例1。
对比例1
一种锂离子电池电极结构，包括正极片、负极片和设置在正极片与负极片之间的隔膜；所述正极片包括正极集流体和位于正极集流体两侧的正极活性涂层；所述负极片包括负极集流体和位于负极集流体两侧的负极活性涂层。
所述锂离子电池电极结构采用以下方法制备：
(1)制备正极片：以铝箔为正极集流体，将正极活性涂层浆料通过间隙涂布的方式以4m/min的速比涂覆于铝箔两侧外表面，并通过80℃的烘箱进行烘干处理，将烘干后的正极片进行辊压处理。所述正极活性涂层浆料的制备方法为将钴酸锂、导电碳(SP)、聚四氟乙烯、碳纳米管(CNT)按质量份数比98.2:0.3:1:0.5添加至NMP中混合均匀；NMP的质量为正极活性涂层浆料的总质量的20％；
(2)制备负极片：以铜箔为负极集流体，将负极活性涂层浆料通过间隙涂布的方式以4m/min的速比涂覆于铜箔两侧外表面，并通过80℃的烘箱进行烘干处理，将烘干后的负极片进行辊压处理。所述负极活性涂层浆料的制备方法为将人造石墨、导电碳(SP)、丁苯橡胶(SBR)以及羧甲基纤维素钠(CMC)按照质量份数比为97.3:0.3:1.3:1.1添加至去离子水中混合均匀；去离子水的质量为负极活性涂层浆料的总质量的20％；
(3)制备隔膜：以聚丙烯/聚乙烯为基膜，在基膜的一侧涂覆陶瓷颗粒涂层，在基膜的另一侧和陶瓷颗粒涂层的外侧涂覆PVDF涂层。
数据测试
一、电化学性能测试
将实施例1～3和对比例1制备的锂离子电池电极结构制作成锂离子电池，制作方法为将分别制备的正极片、负极片经卷绕一体机与隔膜卷绕成卷芯，装入铝塑壳体中，按2.0g/Ah的注液系数向里注入电解液并封装，保证正极片、负极片充分的浸润，组装成卷绕式锂离子电池。测试锂离子电池的电化学性能，测试方法为恒电流充放电、电化学阻抗谱测试法。测试结果如表1所示。
表1
由表1可知，与对比例1相比，本发明实施例1～3的电极结构制备的锂离子电池的容量、阻抗并无明显差别，并且还一定程度的提升了锂离子电池的容量保持率，说明本发明设置的多孔聚合物涂层对锂离子电池的电化学性能影响极小。对比实施例1～3和实施例4可知，若多孔聚合物涂层厚度过厚，则影响锂离子传输路径，会导致阻抗增加、容量下降，影响电化学性能。
二、弯曲性能
测试实施例3、对比例1的电极结构制备的锂离子电池的弯曲性能。测试方法为三点弯曲试验法。测试结果如图1所示，图1为弯曲力-挠度曲线。
由图1可知，相对于对比例1，本发明实施例3电极结构制备的锂离子电池极大的提升了锂离子电池的弯曲性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种锂离子电池电极结构，其特征在于，包括正极片、负极片和设置在正极片与负极片之间的隔膜；所述正极片包括正极集流体和位于正极集流体两侧的正极活性涂层；所述负极片包括负极集流体和位于负极集流体两侧的负极活性涂层；所述正极活性涂层和/或负极活性涂层的两侧还包括多孔聚合物涂层。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池电极结构，其特征在于，所述正极集流体为铝箔、涂碳铝箔中的一种；所述负极集流体为铜箔、镍箔或涂碳铜箔中的一种。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池电极结构，其特征在于，所述正极活性涂层由正极活性物质、导电碳、聚四氟乙烯、碳纳米管混合制得；所述正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池电极结构，其特征在于，所述负极活性涂层由负极活性物质、导电碳、粘结剂、羧甲基纤维素钠混合制得；所述负极活性物质为天然石墨、人造石墨、硬碳、硅碳材料中的至少一种；粘结剂为丁苯橡胶、海藻酸钠、聚丙烯酸中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池电极结构，其特征在于，所述多孔聚合物涂层由高分子聚合物与去离子水、丙酮混合制得；所述多孔聚合物涂层厚度为5～10μm。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池电极结构，其特征在于，所述高分子聚合物为聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)。
7.根据权利要求5所述的锂离子电池电极结构，其特征在于，所述高分子聚合物与去离子水、丙酮混合的比例为(0.5～1):1:(8～8.5)。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池电极结构，其特征在于，所述隔膜为复合隔膜，复合隔膜的基膜为聚丙烯/聚乙烯，基膜的一侧为陶瓷颗粒涂层，基膜的另一侧或/和陶瓷颗粒涂层的外侧为PVDF涂层。
9.权利要求1～8任意一项所述锂离子电池电极结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别制备多孔聚合物涂层溶液、正极活性涂层浆料、负极活性涂层浆料；
(2)分别制备正极片和负极片；所述正极片的制备方法为在正极集流体两侧涂覆正极活性涂层浆料以形成正极活性涂层；所述负极片的制备方法为在负极集流体两侧涂覆负极活性涂层浆料以形成负极活性涂层；所述正极活性涂层和/或负极活性涂层的两侧涂覆多孔聚合物涂层溶液以形成多孔聚合物涂层；
(3)用隔膜将正极片与负极片隔开。
10.一种锂离子电池，包括权利要求1～8任意一项所述的锂离子电池电极结构。
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