CN114400301B - 一种高性能锂离子电池厚极片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能锂离子电池厚极片及其制备方法,包括如下步骤:(1)将锂离子电池正/负极材料与导电剂、粘结剂、添加剂以及溶剂混合均匀制备浆料;(2)将所述浆料涂敷在集流体上,然后进行烘干与辊压;(3)对(2)中辊压后的极片构造孔道阵列,得到高性能锂离子电池厚极片;(4)将所述高性能锂离子电池厚极片组装电池。本发明制备的具有树状电解液通道的高性能锂离子电池厚极片,可以保证电解液对厚极片的充分浸润、实现锂离子在厚极片孔隙中较快的液相传输,且同步提高电解液浓度,从而提升厚极片的电化学性能。

Description

一种高性能锂离子电池厚极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及储能器件领域,特别涉及一种高性能锂离子电池厚极片及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展,现有的锂离子电池的能量密度已经不能满足日常需求。目前现有的商业化锂离子电池已经接近其能量密度的极限,而新型的高比容量电池材料距离商业化应用还有许多不足,这时就需要从电池结构入手来提高锂离子电池的能量密度。通过增加极片厚度提高活性物质负载量是简单易行的提高锂离子电池能量密度的途径。
厚极片通过提高活性物质负载量以降低电池中非活性物质的占比,从而提高能量密度,降低电池成本。但是在增加极片厚度的同时,电解液对极片的浸润也变得更加困难,极片中离子的传输路径也会相应的增加。充放电时,锂离子在极片孔隙中的液相传质将成为制约锂离子电池发挥容量的关键步骤。当极片厚度过大时,极片孔隙中锂离子较大的浓度梯度将会导致极片中距隔膜较远的活性物质难以利用,从而影响锂离子电池的容量发挥。
专利CN102324493A采用双涂层结构,在靠近集流体一侧的涂层电导率高、孔隙率小,而靠近隔膜一侧的涂层电导率低、孔隙率高,以此来提升厚极片的电化学性能,该方法在一定程度上改善了电解液对厚极片的浸润程度,电化学性能有一定的提升,但是其靠近隔膜一侧的涂层由于较低的电子电导率将会导致其在电化学动力学上与靠近集流体一侧的涂层不匹配,影响容量发挥;且该双涂层制备工艺较为复杂,成本较高。
专利CN111129425A采用表面带有凸起的集流体来改善厚极片的电子导电性能,通过向电极浆料中加入一定比例的固体电解质和聚环氧乙烷来增加极片的离子传输性能,所制备的厚极片电化学性能得到一定提升。但是相较于电子传导,厚极片孔隙中锂离子的液相传质对于容量发挥的影响更为明显,所以采用带有凸起的集流体对厚极片的容量发挥虽然有利,但提升效果并不明显;而向浆料中加入固体电解质与聚环氧乙烷虽然可以提升厚极片的锂离子传输速率,但是固体电解质与聚环氧乙烷的加入改变了现有稳定的锂离子电极组分体系,需要对浆料制备工艺进行调整,且对厚极片的循环性能有无负面影响还需要进一步验证。
专利CN111244392A采用激光打孔的方式在正负极构造出通孔来加快锂离子传输,虽然提高了厚极片的倍率性能,但是这只加快了离子在通孔中的液相传质,而离子从通孔液相向极片本体内的慢速扩散依旧制约着厚极片的容量发挥。
因此,有必要设计一种可以保证电解液对厚极片的充分浸润、实现锂离子在厚极片孔隙中较快的液相传输,且同步提高电解液浓度的具有树状电解液通道的厚极片及其制备方法。
发明内容
本发明提供了一种高性能锂离子电池厚极片及其制备方法,其目的是为了解决厚极片的电解液浸润困难、锂离子在极片孔隙中的液相传输较慢以及厚极片的循环性能较差的问题。
为了达到上述目的,本发明的实施例提供了一种高性能锂离子电池厚极片的制备方法,包括如下步骤:
(1)将锂离子电池正/负极材料与导电剂、粘结剂、添加剂以及溶剂混合均匀制备浆料;
(2)将所述浆料涂敷在集流体上,然后进行烘干与辊压;
(3)对(2)中辊压后的极片构造孔道阵列,得到高性能锂离子电池厚极片;
(4)将所述高性能锂离子电池厚极片组装电池。
优选的,步骤(1)中,所用锂离子电池正极材料为钴酸锂、磷酸铁锂、尖晶石锰酸锂、三元正极材料、富锂锰正极材料中的至少一种;所用锂离子电池负极材料为碳基负极、钛酸锂、硅基负极、锡基负极、过渡金属氧化物负极中的至少一种。
优选的,步骤(1)中,所用导电剂为super P、科琴黑、乙炔黑、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、单层石墨烯、多层石墨烯、导电碳纤维、MXene中的至少一种。
优选的,步骤(1)中,所用粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、海藻酸钠(SA)、瓜尔胶(GG)、壳聚糖类粘结剂(CCTS)、聚丙烯酸(盐)类粘结剂(PAA)、聚丙烯腈类粘结剂(PAN)、聚乙烯醇类粘结剂(PVA)、聚酰亚胺类粘结剂(PI)、聚氧化乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的至少一种。
优选的,步骤(1)中,所用溶剂为去离子水、酒精、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的至少一种。
优选的,步骤(1)中,所用添加剂为LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiC4BO8(LiBOB)、LiC2O4F2B(LiDFOB)、LiC2F6NO4S2(LiTFSI)、Li F2NO4S2(LiFSI)、LiPO2F2、LiC6F3N4(LiDTI)、LICF3SO3、LIN(SO2CF3)2及其衍生物中的至少一种。
优选的,步骤(1)中,正/负极材料、导电剂、粘结剂、添加剂的质量比为0.6~0.98:0.35~0.01:0.35~0.01:0.38~0.04,控制溶剂加入量,使得浆料的固含为30%~70%,搅拌混合1~48h。
优选的,步骤(2)中,所用集流体为铝箔、多孔铝箔、涂碳铝箔、铜箔、多孔铜箔中的一种;集流体双面均进行涂覆,烘干温度为40~150℃,烘干时间为1~48h。
优选的,步骤(3)中,所述构造孔道阵列的方法为离子束刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀、感应耦合等离子刻蚀、聚焦电子束刻蚀、聚焦离子束(FIB)中的至少一种,利用高速高能量离子束、具有反应活性的离子束、电子束等对极片进行刻蚀,在极片上构造出具有一定深度的主孔道阵列。
优选的,步骤(3)中,组装电池所用电解液溶质为LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiC4BO8(LiBOB)、LiC2O4F2B(LiDFOB)、LiC2F6NO4S2(LiTFSI)、Li F2NO4S2(LiFSI)、LiPO2F2、LiC6F3N4(LiDTI)、LICF3SO3、LIN(SO2CF3)2及其衍生物等中的至少一种,溶剂为EC、DMC、DEC按照一定体积比混合而成,EC、DMC、DEC体积比为0.1~0.9:0.1~0.9:0.1~0.9,溶质的浓度为0.1~10mol L-1
优选的,步骤(3)中,组装后的电池在20~80℃下静置12~96h,静置过程中电解液对厚极片进行浸润,同时厚极片中的添加剂溶于电解液中;同步地,添加剂所存在的位置变成副孔道,与主孔道协同形成树状电解液通道,促进了电解液对厚极片的浸润,实现锂离子在通道中的快速液相传输。
优选的,整个浆料制备,厚极片制备,电池组装过程保证环境湿度在1%以下。
基于一个发明总的构思,本发明还提供了一种上述的制备方法获得的高性能锂离子电池厚极片,所述正/负极材料单面面密度为10~200mg cm-2,辊压后极片厚度为30~1000μm,极片压实密度为1.5~5g cm-3,辊压后极片孔隙率为25~60%,孔道为盲孔或通孔,孔道阵列的孔中心间距为10~300μm,上孔直径为1~50μm,下孔直径与上孔直径比例为0.5~1:1,孔深度为5~1000μm,孔底部与集流体的距离为0~995μm。
优选的,所述极片厚度为30~164μm。
本发明的上述方案有如下的有益效果:
(1)本发明的所述极片上的树状孔道阵列解决了厚极片电解液难以浸润的问题,且孔道中可以储存更多电解液,为电池中副反应所消耗的锂离子提供备用锂源。
(2)极片上的树状孔道阵列还是厚极片中锂离子的液相传输通道,相比于传统极片孔隙中的液相传输,在孔道中的锂离子传输速度更快,路径更短。
(3)通过厚极片中添加剂溶于电解液的方法,为厚极片提供了额外的可供电解液浸润以及锂离子液相传输的副孔道;与此同时,添加剂溶于电解液中可以提高电解液中的锂盐浓度,电解液锂盐浓度的提高可以在一定程度上提升厚极片的电化学性能。
(4)厚极片中的添加剂溶于电解液中,就相当于向电解液中加入了不同的添加剂,根据自身性质的不同,可以起到对厚极片电池不同的有利作用,如LiFSI作为电解液添加剂可以提高厚极片的低温性能;如LiTFSI由于其耐化学性与热稳定性高,可以提高厚极片电池的安全性,LiTFSI作为电解液添加剂还可以提高厚极片电池的循环寿命;且直接在浆料中添加锂盐的方式简单易行,普适性高,成本低。
附图说明
图1是本发明实施例制备的具有树状电解液通道的极片截面图;
图2是本发明实施例制备的具有树状电解液通道的极片俯视图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围;除有特别说明,本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
本发明针对现有的问题,提供了一种高性能锂离子电池厚极片及其制备方法。
实施例1
一种高性能锂离子电池厚极片及其制备方法,包括以下步骤:
(1)活性物质为钴酸锂,导电剂为super P,粘结剂为PVDF,添加剂为LiFSI,钴酸锂:super P:PVDF:LiFSI质量比为0.8:0.07:0.08:0.05,干磨混合均匀,再向混合料中加入一定量的溶剂NMP,控制浆料固含量为46%,搅拌8h混合均匀;
(2)将(1)中所得浆料涂敷在铝箔上,通过控制刮刀高度调节极片的面密度,涂覆后的极片在100℃下烘干12h,钴酸锂厚极片的单面面密度为40mg cm-2,将极片进行辊压,辊压后极片单面厚度为103μm(不包括铝箔厚度),极片压实密度为3.88g cm-3,辊压后极片孔隙率为35%。
(3)采用离子束刻蚀的方法在辊压后的钴酸锂厚极片上构造出孔道阵列,孔中心间距为200μm,上孔直接为20μm,下孔直径为20μm,孔的深度为50μm,半通孔的底部与集流体的距离为53μm。
(4)将辊压后的钴酸锂厚极片进行半电池组装,电解液溶质为LiPF6,溶剂为EC、DMC、DEC,体积比为0.3:0.3:0.4,溶质的浓度为1mol L-1。组装后的半电池在60℃下静置24h,静置后测试厚极片的孔隙率提升为41%。
将所制备的钴酸锂厚极片进行半电池测试,在2.8-4.3V之间进行充放电测试(1C电流密度为150mA g-1),电化学性能如表1所示。
实施例2
一种高性能锂离子电池厚极片及其制备方法,包括以下步骤:
(1)活性物质为磷酸铁锂,导电剂为乙炔黑,粘结剂为PVDF,添加剂为LiTFSI,磷酸铁锂:乙炔黑:PVDF:LiTFSI质量比为0.7:0.07:0.08:0.15,干磨混合均匀,再向混合料中加入一定量的溶剂NMP,控制浆料固含量为51%,搅拌30h混合均匀;
(2)将(1)中所得浆料涂敷在涂炭铝箔上,通过控制刮刀高度调节极片的面密度,涂覆后的极片在120℃下烘干10h,磷酸铁锂厚极片的单面面密度为50mg cm-2,将极片进行辊压,辊压后极片单面厚度为211μm(不包括涂炭铝箔厚度),极片压实密度为2.37g cm-3,极片孔隙率为39%。
(3)采用离子束刻蚀的方法在辊压后的磷酸铁锂厚极片上构造出孔道阵列,孔中心间距为150μm,上孔直接为15μm,下孔直径为10μm,孔的深度为150μm,半通孔的底部与集流体的距离为61μm。
(4)将辊压后的磷酸铁锂厚极片进行半电池组装,电解液溶质为LiPF6+LiTFSI,LiPF6与LiTFSI摩尔比为0.8:0.2,溶剂为EC、DMC、DEC,体积比为0.4:0.4:0.2,溶质的浓度为2mol L-1。组装后的半电池在80℃下静置20h,静置后测试厚极片的孔隙率提升为49%。
将造孔后的磷酸铁锂厚极片进行半电池测试,在2-3.75V之间进行充放电测试(1C电流密度为150mA g-1),电化学性能如表2所示。
实施例3
一种高性能锂离子电池厚极片及其制备方法,包括以下步骤:
(1)活性物质为石墨,导电剂为super P,粘结剂为CMC+SBR,添加剂为LiTFSI,石墨:super P:CMC:SBR:LiTFSI质量比为0.75:0.04:0.05:0.03:0.13,干磨混合均匀,再向混合料中加入一定量的去离子水作为溶剂,控制浆料固含量为46%,搅拌4h混合均匀;
(2)将(1)中所得浆料涂敷在铝箔上,通过控制刮刀高度调节极片的面密度,涂覆后的极片在120℃下烘干36h,石墨厚极片的单面面密度为25mg cm-2,将极片进行辊压,辊压后极片单面厚度为164μm(不包括铝箔厚度),极片压实密度为1.52g cm-3,辊压后极片孔隙率为38%。
(3)采用电子束刻蚀的方法在辊压后的石墨厚极片上构造出孔道阵列,孔中心间距为100μm,上孔直接为10μm,下孔直径为8μm,孔的深度为80μm,半通孔的底部与集流体的距离为57μm。
(4)将辊压后的石墨厚极片进行半电池组装,电解液溶质为LiPF6+LiFSI,LiPF6与LiFSI摩尔比为0.9:0.1,溶剂为EC、DMC、DEC,体积比为0.3:0.4:0.3,溶质的浓度为3mol L-1。组装后的半电池在65℃下静置30h,静置后测试厚极片的孔隙率提升为46%。
将造孔后的石墨厚极片进行半电池测试,在0.01-2.5V之间进行充放电测试(1C电流密度为350mA g-1),电化学性能如表3所示。
为突出本发明的有益效果,现针对实施例设置以下对比例:
对比例1
改变实施例1中的步骤(1),在浆料制备阶段不加入添加剂,导电剂与粘结剂加入量不变,钴酸锂含量相应的增加;控制对比例1中极片孔隙率与实施例1步骤(3)中电池静置后的厚极片孔隙率相同,控制其他实验条件相同,组装半电池进行测试,测试机制与实施例1相同,厚极片的电化学性能如表1所示。
表1钴酸锂厚极片造孔前后性能对比
从表1可以看出采用本发明加入添加剂后的钴酸锂厚极片相比于未加入添加剂的钴酸锂厚极片,小电流下容量几乎相同,但是循环性能与倍率性能都得到显著提升。
对比例2
将实施例2中的步骤(3)离子束刻蚀构造孔道阵列舍弃,磷酸铁锂厚极片不进行造孔直接将辊压后的极片进行半电池测试,控制对比例2极片的孔隙率与实施例2极片的整体孔隙率相同,测试机制与实施例2相同,厚极片的电化学性能如表2所示。
表2磷酸铁锂厚极片造孔前后性能对比
从表2可以看出采用本发明造孔后的磷酸铁锂厚极片相比于未造孔的磷酸铁锂厚极片,小电流下容量几乎相同,但是循环性能与倍率性能都更加优异。
对比例3
改变实施例3中的步骤(1),在浆料制备阶段不加入添加剂,导电剂与粘结剂加入量不变,石墨含量相应的增加;且将实施例3中的步骤(3)电子束刻蚀构造孔道阵列舍弃,控制对比例3中辊压后的极片孔隙率与实施例3步骤(3)中电池静置后的厚极片整体孔隙率相同,控制其他实验条件相同,组装半电池进行测试,测试机制与实施例3相同,厚极片的电化学性能如表3所示。
表3石墨厚极片造孔前后性能对比
从表3可以看出采用本发明造孔+添加剂后的石墨厚极片相比于未造孔+未加添加剂的石墨厚极片,小电流下容量几乎相同,但是循环性能与倍率性能都更加优异。
上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高性能锂离子电池厚极片的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将锂离子电池正/负极材料与导电剂、粘结剂、添加剂以及溶剂混合均匀制备浆料;
(2)将所述浆料涂敷在集流体上,然后进行烘干与辊压;
(3)对(2)中辊压后的极片构造孔道阵列,得到高性能锂离子电池厚极片;
(4)将所述高性能锂离子电池厚极片组装电池;所述组装后的电池在60~80 ℃下静置12~96 h,形成副孔道与主孔道协同的树状电解液通道;
所述添加剂为LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiC4BO8(LiBOB)、LiC2O4F2B(LiDFOB)、LiC2F6NO4S2(LiTFSI)、Li F2NO4S2(LiFSI)、LiPO2F2、LiC6F3N4(LiDTI)、LICF3SO3、LIN(SO2CF3)2中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述锂离子电池正极材料为钴酸锂、磷酸铁锂、尖晶石锰酸锂、三元正极材料、富锂锰正极材料中的至少一种;所述锂离子电池负极材料为碳基负极、钛酸锂、硅基负极、锡基负极、过渡金属氧化物负极中的至少一种;所述导电剂为super P、科琴黑、乙炔黑、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、单层石墨烯、多层石墨烯、导电碳纤维、MXene中的至少一种;所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、海藻酸钠(SA)、瓜尔胶(GG)、壳聚糖类粘结剂(CCTS)、聚丙烯酸(盐)类粘结剂(PAA)、聚丙烯腈类粘结剂(PAN)、聚乙烯醇类粘结剂(PVA)、聚酰亚胺类粘结剂(PI)、聚氧化乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的至少一种;所述溶剂为去离子水、酒精、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述正/负极材料、导电剂、粘结剂、添加剂的质量比为0.6~0.98:0.35~0.01:0.35~0.01:0.38~0.04,控制溶剂加入量,使得浆料的固含为30%~70%,搅拌混合1~48 h。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述集流体为铝箔、多孔铝箔、涂碳铝箔、铜箔或多孔铜箔;所述集流体双面均进行涂覆,烘干温度为40~150 ℃,烘干时间为1~48h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述构造孔道阵列的方法为离子束刻蚀(IBE)、反应离子刻蚀、感应耦合等离子刻蚀、聚焦电子束刻蚀、聚焦离子束(FIB)中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述组装电池所用电解液溶质为LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiC4BO8(LiBOB)、LiC2O4F2B(LiDFOB)、LiC2F6NO4S2(LiTFSI)、Li F2NO4S2(LiFSI)、LiPO2F2、LiC6F3N4(LiDTI)、LICF3SO3、LIN(SO2CF3)2及其衍生物中的至少一种,溶剂为EC、DMC、DEC按照一定体积比混合而成,所述EC、DMC、DEC体积比为0.1~0.9:0.1~0.9:0.1~0.9,所述溶质的浓度为0.1~10 mol L-1
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述电池组装过程保证环境湿度在1%以下。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的制备方法获得的高性能锂离子电池厚极片,其特征在于,所述正/负极材料单面面密度为10~200 mg cm-2,孔道为盲孔或通孔,辊压后极片厚度为30~1000 μm,极片压实密度为1.5~5g cm-3,辊压后极片孔隙率为25~60%,孔道阵列的孔中心间距为10~300 μm,上孔直径为1~50 μm,下孔直径与上孔直径比例为0.5~1:1,孔深度为5~1000 μm,孔底部与集流体的距离为0~995 μm。
9.根据权利要求8所述的高性能锂离子电池厚极片,其特征在于,所述极片厚度为30~164 μm。
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