CN114551787A - 一种锂电池正极片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池正极片及其制备方法，包括集流体，所述集流体包括两个平行相对的基面，所述基面上设有若干开孔，所述开孔贯穿所述集流体的基面，所述开孔在所述集流体上呈不均匀分布，所述开孔在所述集流体的中部密度最大，且所述开孔的密度由所述集流体的中部向所述集流体在第二方向上的两侧边缘减小，所述集流体至少一个所述基面上设有涂层，所述涂层包括活性物质涂层，电解液能够通过开孔在集流体的基面两侧流通，提升浸润效率，确保极片衰减过程中的一致性，改善了锂电池的整体性能，采用制备方法，能够高效制备出本发明的正极片，易于操作。

Description

一种锂电池正极片及其制备方法

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种锂电池正极片及其制备方法。

背景技术

圆柱锂电池通常包括正极片、负极片以及设置在正极片与负极片之间的至少一层隔膜，将正极片、隔膜及负极片卷绕形成卷芯，再将卷芯封装在铝壳内，注入电解液，形成锂电池。在锂电池的使用过程中，通常在锂电池的轴向中部位置极化现象较严重，且发热量较高，极化及发热不均会影响锂电池的使用寿命，使得电池的循环寿命缩短，影响使用体验。

发明内容

为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种锂电池正极片及其制备方法，能够改善锂电池的性能，延长锂电池的使用寿命，提升使用者使用体验。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种锂电池正极片，包括集流体，所述集流体包括两个平行相对的基面，所述基面上设有若干开孔，所述开孔贯穿所述集流体的基面，所述开孔在所述集流体上呈不均匀分布，所述开孔在所述集流体的中部密度最大，且所述开孔的密度由所述集流体的中部向所述集流体在第二方向上的两侧边缘减小，所述集流体至少一个所述基面上设有涂层，所述涂层包括活性物质涂层。

与现有技术相比，本发明的正极片的有益效果是，在集流体上设置开孔，在注入电解液时，电解液能够通过开孔在集流体的基面两侧流通，提升浸润效率，开孔设置为不均匀分布，在集流体中部的开孔密度最大，使得集流体中部的电解液浸润效率提升，由于卷芯中部位置容易出现极化现象，因此保证锂电池卷芯的中部有充足的电解液，能够确保极片衰减过程中的一致性，减少浓差极化现象；卷芯轴向中部位置由于位于卷芯的最内层，散热较差，发热较为严重，通过密度大的开孔的设置，在提升浸润效率的同时，能够降低集流体中部在充放电过程中的温度，使得卷芯中部位置处与边缘处的温差减小，改善了锂电池的整体性能。

一种锂电池正极片制备方法，包括上述正极片，包括以下步骤：

制备集流体：在集流体上打孔，形成不均匀分布的开孔，开孔的密度由集流体的中部向集流体沿第二方向的两侧边缘减小；

制备涂碳材料：按一定配比称取碳材料、粘结剂、分散剂和溶剂，均匀混合制成涂碳材料，碳材料采用导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、石墨烯或其混合物种的任一或任意组合；

制备活性材料：按一定配比称取正极材料、粘结剂、分散剂、导电剂和溶剂，混合均匀制成活性材料；

涂布涂碳层：将上述涂碳材料不均匀涂布在设有不均匀分布的开孔的集流体的至少一个基面上，涂碳材料的厚度由集流体的中部向集流体沿第二方向的两侧边缘减小。

与现有技术相比，本发明的正极片制备方法的有益效果是，根据开孔的设置方式对集流体进行打孔操作，根据实际需求调配各材料组分之间的比例，制备出涂层所需的材料，根据所需的涂层的涂布方式，进行涂布，操作步骤简单，灵活性强。

示例性的，所述活性物质涂层平整涂布在所述集流体的至少一个所述基面上，所述活性物质涂层远离所述集流体的一侧到所述集流体的距离相同。平整涂布加工方便，便于后续对极片进行干燥辊压。

示例性的，所述活性物质涂层周期性涂布在所述集流体的至少一个所述基面上，所述活性物质涂层在一个涂布周期内的厚度沿所述集流体的放卷方向逐渐增加。通过周期性涂布方式设置活性物质涂层，经过干燥辊压后，活性物质涂层在不同的厚度位置具有不同的压实密度，不同密度的储存电解液的能力不同，靠近卷芯中心轴位置能够存储更多的电解液，减少发热及极化现象。

示例性的，所述涂层包括涂碳层，所述涂碳层通过不均匀涂布方式设置在所述集流体的至少一个基面上，所述涂碳层在所述集流体的中部厚度值最大，且所述涂碳层的厚度值由所述集流体的中部向所述集流体沿第二方向的两侧边缘减小，所述活性物质涂层涂布在所述涂碳层远离所述集流体的一侧。涂碳层具有良好的吸液保液能力，能够提升存储电解液的能力，涂碳层与开孔配合，使得正极片及其卷芯在中心轴向中部位置的温度与其边缘位置温度更为接近，卷芯发热均匀，减少极化现象，涂碳层的不均匀涂布，使得中部具有更好的浸润能力，中部处于富电解液状态，能够提升中部的散热能力，减少浓差极化现象带来的影响，提升极片的一致性。

示例性的，所述集流体的厚度为8～20μm。

示例性的，所述开孔的孔径为0～50μm。

示例性的，所述涂碳层在所述集流体的中部的厚度的最大值为2μm。

示例性的，锂电池正极片制备方法还包括以下步骤：涂布活性涂层：将活性材料平整涂布在涂碳层远离集流体的一侧，活性材料远离集流体的一侧到集流体的距离相同。

示例性的，锂电池正极片制备方法还包括以下步骤：涂布活性涂层：将上述活性材料周期性涂布在涂碳层远离集流体的一侧，在一个涂布周期内，活性材料的厚度在集流体的放卷方向上逐渐增加。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的正极片基面的俯视图；

图2为本发明一较佳实施例的卷芯的示意图；

图3为本发明另一较佳实施例的正极片的侧视图；

图4为本发明另一较佳实施例的正极片的侧视图；

图5为本发明另一较佳实施例的正极片的正视图。

图中：

1-铝箔；11-开孔；2-活性物质涂层；3-涂碳层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

【实施例一】

如附图1所示，本实施例中的锂电池正极片包括集流体1，集流体1上设有若干开孔11，开孔11贯穿集流体1且在集流体1上呈不均匀分布，电解液能够通过开孔11扩散流通，为便于描述和理解本实施例的技术方案，定义沿X轴方向为第一方向，沿Y轴方向为第二方向，第一方向与第二方向垂直设置，轴L为集流体1在第二方向上的中线，定义开孔11的不均匀分布为，开孔11在集流体1的中部的密度最大，且密度由集流体1的中部向集流体1在第二方向上的两侧边缘逐渐减小，更具体地说，相邻的开孔11在集流体1的中部的孔心间距最小，且孔心间距由集流体1的中部向集流体1在第二方向上的两侧边缘逐渐增大，集流体1的中部指的是，沿集流体1的中线L或中线L周侧的位置。

示例性的，集流体1设置为铝箔。

在加工正极片时，会在集流体1面积较大的两侧端面上涂布涂层，为便于描述，在本发明中，将集流体1需要涂布涂层的两侧端面称为基面，两个基面平行相对设置，附图1为集流体1的基面的俯视图，集流体1的至少一个基面上设有涂层，涂层包括活性物质涂层2，活性物质涂层2采用正极材料涂布制成。

作为本实施例的一个示例，集流体1的两侧基面均涂布有活性物质涂层2。

示例性的，集流体1的厚度为8～20μm，开孔11的孔径为0～50μm，可以理解的，集流体1的厚度指的是两个基面之间的垂直距离，孔径即开孔11的直径。

示例性的，开孔11可通过机械打孔、激光打孔或化学刻蚀等方式加工而成，可根据实际需求进行加工方式的选取，本实施例不应理解为对此的限制。

为测试本实施例中的正极片的性能(电解液的浸润效率，以及锂电池的充放电过程中的发热情况)，以及尽可能模拟正极片的工作环境及状态，在测试前，将不同的正极片与相同的隔膜以及负极片沿着第一方向卷绕成卷芯，随后向卷芯注入电解液，并进行化成后测试其温升，化成指的是锂电池制造后，通过一定的充放电方式将其内部的活性物质激活，以改善锂电池的充放电等性能，上述操作能够尽可能还原正极片的实际工况，以保证实验数据的准确性及精度。

本次测试的对象分别为：含有未设置开孔11的正极片(正极片A1)的卷芯、含有均匀分布的开孔11的正极片(正极片A2)的卷芯、含有本实施例中不均匀分布的开孔11的正极片(正极片A3)的卷芯。

在本次测试实验中，正极片A1、正极片A2以及正极片A3均采用相同的活性物质涂布工艺，涂布方式为连续涂布。

在测试正极片的温升时，将热电偶分别贴附在卷芯的轴向中部、卷芯外层中间处以及卷芯的外层边缘处，1C倍率放电(在1小时内将电池容量放电完毕)起始读取最低温度以及放电结束后的最高温度，计算温度差值作为温升数据，轴向中部指的是，卷芯的中心轴处，正极片中线L处的位置，卷芯外层中间处指的是，卷芯的最外层(即负极片)与中线L平行方向的中线处的位置，卷芯的外层边缘处指的是，卷芯的最外层沿中心轴方向的任意一侧端部的位置；

在测试正极片的浸润时间时，注入电解液后，将卷芯搁置不同的时间，拆解后观察负极片表面是否完全有电解液，以判断是否完全浸润，多组测试后，得出三组正极片的完全浸润时间，具体测试数据如下表表1所示：

表1

结合表1，在其他条件均相同的情况下，含有本实施例中的设有不均匀分布开孔11的正极片(正极片A3)的卷芯的完全浸润时间最短，浸润效果好，在各个区域温升降低的同时，卷芯内外的温差也减小，在充放电过程中的发热温差最小，温升较小，性能更好。

采用本实施例的正极片，电解液可通过开孔11在正极片基面的两侧自由流动，提升注液后的卷芯的浸润效率，有效缩短了完全浸润所需的时间，提升锂电池的整体质量；由于锂电池是通过锂离子在正负极之间的移动来实现充放电，开孔11的设置便于锂离子在正负极之间穿梭，能够减少放电过程中电解液内的浓差极化现象，提升锂电池的充放电效率；更进一步的，本实施例的正极片外层中间温升为15℃，外层两端温升为12℃，卷芯最外层的中部与两端位置温差为3℃，各区域的温升降低，提升使用体验。

【实施例二】

在本发明的另一实施例中，涂层还包括涂碳层3，在涂布涂层时，涂碳层3直接涂布在集流体1上，活性物质涂层2涂布在涂碳层3远离集流体1的一侧，涂碳层3通过不均匀涂布的方式设置在集流体1上，如附图3所示，附图3为正极片的侧视图，为便于描述，不均匀涂布定义为，涂碳层3在涂布过程中，位于集流体1中部的涂碳层3的厚度d的值最大，且厚度d的值由集流体1的中部向集流体1沿第二方向的两侧边缘位置减小，涂碳层3的厚度d为涂碳层3远离集流体1的一侧边缘与集流体1的距离值，中部指的是集流体1与第二方向垂直的中线位置或中线周侧位置。

由于涂碳层3若是过厚，会导致正极片整体偏厚而增加了占用空间，进而影响电池容量，因此，作为本实施例的一个示例，涂碳层3在所述集流体的中部的厚度的最大值为2μm，即d≤2μm。

作为本实施例的一个示例，集流体1的一侧基面设有不均匀涂布的涂碳层3及活性物质涂层2，另一侧基面可设置为：

1)仅设有活性物质涂层2；

2)仅设有均匀涂布的涂碳层3；

3)设有均匀涂布的涂碳层3以及活性物质涂层2；

4)仅设有不均匀涂布的涂碳层3；

5)设有不均匀涂布的涂碳层3及活性物质涂层2。

为测试本实施例中正极片的性能，基于实施例一中的测试结果，将本实施例中设有涂碳层3以及设有不均匀分布的开孔11的正极片与相同的隔膜及负极片卷绕成卷芯进行浸润测试及温升测试，测试方法与实施例一相同，测试的对象分别为：含有不均匀分布的开孔11及均匀涂布的活性物质涂层的正极片(正极片B1)的卷芯、含有不均匀分布的开孔11、均匀涂布的活性物质涂层以及均匀涂布的涂碳层的正极片(正极片B2)的卷芯、含有不均匀分布的开孔11、均匀涂布的活性物质涂层以及不均匀涂布的涂碳层3的正极片(正极片B3)的卷芯，均匀涂布指的是涂层远离集流体1的边缘位置距离集流体1的距离在不同位置均相同，正极片B1、正极片B2以及正极片B3经过烘干、辊压工艺保持片体厚度相同，以确保测试结果精准可信。

测试结果如下表表2所示：

表2

结合表2，在其他条件均相同的条件下，设有均匀涂布的涂碳层的正极片B2的完全浸润时间相较于未涂布有涂碳层的正极片B1有明显缩短，设有不均匀涂布的涂碳层3的正极片B3的完全浸润时间相较于正极片B2缩短了1h，可见正极片B3的电解液浸润能力更强，涂碳层3具有吸液保液能力，能够提升电解液的吸收速度，更利于注液后卷芯的浸润，进而缩短完全浸润的时间，采用本实施例的正极片能够改善锂电池的整体性能，具有更好的使用体验；

在其他条件均相同的条件下，本实施例的正极片B3降低了整体的温升，由于涂碳层3有利于锂离子的穿梭，能够减少放电过程中电解液内的浓差极化现象，正极片B3的各区域的温升降低，轴向中间温升相较于正极片B2降低了1℃，外层中间温升降低了1℃，能够提升锂电池的整体性能，减少发热。

【实施例三】

在本发明的另一实施例中，正极片采用设有不均匀分布的开孔11的集流体1，集流体1上依次设有涂碳层3以及活性物质涂层2，活性物质涂层2设置为正极物质涂层，涂碳层3为不均匀涂布，涂碳层3的厚度d的值在集流体1的中部处最大，并由集流体1的中部向其沿第二方向的两侧边缘位置衰减，活性物质涂层2平整涂布在涂碳层3远离集流体1的一侧，为便于描述，定义平整涂布为，活性物质涂层2远离涂碳层3的一侧边缘到集流体1的距离D相同，即，当活性物质涂层2涂布完成后，集流体1的表面为平整状态。

可以理解的，活性物质涂层2完全覆盖涂碳层3。

作为本实施例的一个示例，集流体1的一侧基面设有不均匀涂布的涂碳层3及平整涂布的活性物质涂层，另一侧基面可设置为：

1)仅设有平整涂布的活性物质涂层2；

2)仅设有均匀涂布的涂碳层3；

3)设有均匀涂布的涂碳层3以及平整涂布的活性物质涂层2；

4)仅设有不均匀涂布的涂碳层3；

5)设有不均匀涂布的涂碳层3及平整涂布的活性物质涂层2。

为测试本实施例中的正极片的性能，基于上述实施例二，将正极片与隔膜及负极片卷绕成卷芯进行浸润测试和温升测试，测试方法与上述实施例一和/或实施例二相同，测试的对象分别为：

含有不均匀分布的开孔11、不均匀涂布的涂碳层3及均匀涂布的活性物质涂层2的正极片(正极片C1)的卷芯，此处均匀涂布的活性物质涂层2指的是活性物质涂层2远离集流体1的一侧边缘到涂碳层3的距离相同，如附图4(a)所示；

含有不均匀分布的开孔11、不均匀涂布的涂碳层3以及平整涂布的活性物质涂层2的正极片(正极片C2)的卷芯，如附图4(b)所示，正极片C1和正极片C2经过烘干、辊压工艺保持片体厚度相同，以确保测试结果精准可信。

测试结果如下表表3所示：

表3

结合表3，采用本实施例中的正极片C2的卷芯的完全浸润时间节省了1h，电解液浸润的速度更快，效率更高，正极片C2的各个区域的温升降低，正极片的中心位置处由于开孔11数量多，存储的电解液多，进而中部处的放电倍率优于正极片的边缘位置，减少在放电过程中电解液的浓差极化现象，提升锂电池的整体性能和质量。

【实施例四】

在本发明的另一实施例中，正极片采用设有不均匀分布的开孔11的集流体1，集流体1上依次设有涂碳层3和活性物质涂层2，活性物质涂层2设置为正极物质涂层，如附图5所示，涂碳层3不均匀涂布在集流体1上，涂碳层3的厚度d的值在集流体1的中部处最大，并由集流体1的中部向其沿第二方向的两侧边缘位置衰减，活性物质涂层2呈周期性涂布在涂碳层3远离集流体1的一侧，活性物质涂层2的涂布方式为：

在一个涂布周期内，活性物质涂层2沿放卷方向厚度逐渐增加，即，当制成卷芯后，活性物质涂层2厚度较小的一侧距离卷芯的中心轴较近，活性物质涂层2涂布后的正极片，经过烘干、辊压工艺使活性物质涂层2远离集流体1的一侧表面平整，此时一个涂布周期内的活性物质涂层2具有不同的压实密度，靠近卷芯的中心轴一侧密度较小，远离卷芯中心轴一侧的活性物质涂层2的密度较大，密度较小的活性物质涂层2能够存储更多的电解液，性能更好。

作为本实施例的一个示例，集流体1的一侧基面设有不均匀涂布的涂碳层3及周期性涂布的活性物质涂层，另一侧基面可设置为：

1)仅设有平整涂布的活性物质涂层2；

2)仅设有周期性涂布的活性物质涂层2；

3)仅设有均匀涂布的涂碳层3；

4)设有均匀涂布的涂碳层3以及平整涂布的活性物质涂层2；

5)设有均匀涂布的涂碳层3以及周期性涂布的活性物质涂层2；

6)仅设有不均匀涂布的涂碳层3；

7)设有不均匀涂布的涂碳层3及平整涂布的活性物质涂层2；

8)设有不均匀涂布的涂碳层3及周期性涂布的活性物质涂层2。

对本实施例中的正极片进行性能测试，测试的对象分别为：

含有不均匀分布的开孔11、不均匀涂布的涂碳层3以及平整涂布的活性物质涂层2的正极片(正极片C2)的卷芯，如附图4(b)所示；

含有不均匀分布的开孔11、不均匀涂布的涂碳层3以及周期性涂布的活性物质涂层2的正极片(正极片D1)的卷芯，如附图5所示。

表4

结合表4，采用本实施例中的正极片D1,完全浸润时间更短，浸润效率高，正极片各区域的温升降低，密度较小的活性物质涂层2能够储存较多的电解液，进而减少放电的浓差极化现象，降低发热，提升卷芯及锂电池的品质。

本发明还提出一种锂电池的正极片制备方法，具体包括如下步骤：

制备集流体：在集流体1上打孔，形成不均匀分布的开孔11，开孔11的密度由集流体1的中部向集流体1沿第二方向的两侧边缘减小；

制备涂碳材料：按一定配比称取碳材料、粘结剂、分散剂和溶剂，均匀混合制成涂碳材料，碳材料采用导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、石墨烯或其混合物种的任一或任意组合；

制备活性材料：按一定配比称取正极材料、粘结剂、分散剂、导电剂和溶剂，混合均匀制成活性材料；

涂布涂碳层：将上述涂碳材料不均匀涂布在设有不均匀分布的开孔11的集流体1的至少一个基面上，涂碳材料的厚度由集流体1的中部向集流体1沿第二方向的两侧边缘减小；

干燥辊压：将设有涂层的集流体进行干燥辊压，使得集流体表面平整。

本发明还提出一种锂电池的正极片的制备方法，具体还包括如下制备平整涂布的活性物质涂层的步骤：

涂布活性物质涂层：将上述活性材料平整涂布在涂碳层3远离集流体1的一侧，使得活性材料远离集流体的一侧表面平整，活性材料远离集流体的一侧到集流体的距离相同。

本发明还提出一种锂电池的正极片的制备方法，具体还包括如下制备周期性涂布的活性物质涂层的步骤：

涂布活性物质涂层：将上述活性材料周期性涂布在涂碳层3远离集流体1的一侧，在一个涂布周期内，活性材料的厚度在集流体的放卷方向上逐渐增加。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种锂电池正极片，其特征在于：包括集流体，所述集流体包括两个平行相对的基面，所述基面上设有若干开孔，所述开孔贯穿所述集流体的基面，所述开孔在所述集流体上呈不均匀分布，所述开孔在所述集流体的中部密度最大，且所述开孔的密度由所述集流体的中部向所述集流体在第二方向上的两侧边缘减小，所述集流体至少一个所述基面上设有涂层，所述涂层包括活性物质涂层。

2.根据权利要求1所述的锂电池正极片，其特征在于：所述活性物质涂层平整涂布在所述集流体的至少一个所述基面上，所述活性物质涂层远离所述集流体的一侧到所述集流体的距离相同。

3.根据权利要求1所述的锂电池正极片，其特征在于：所述活性物质涂层周期性涂布在所述集流体的至少一个所述基面上，所述活性物质涂层在一个涂布周期内的厚度沿所述集流体的放卷方向逐渐增加。

4.根据权利要求1至3任一项所述的锂电池正极片，其特征在于：所述涂层包括涂碳层，所述涂碳层通过不均匀涂布方式设置在所述集流体的至少一个基面上，所述涂碳层在所述集流体的中部厚度值最大，且所述涂碳层的厚度值由所述集流体的中部向所述集流体沿第二方向的两侧边缘减小，所述活性物质涂层涂布在所述涂碳层远离所述集流体的一侧。

5.根据权利要求1所述的锂电池正极片，其特征在于：所述集流体的厚度为8～20μm。

6.根据权利要求1所述的锂电池正极片，其特征在于：所述开孔的孔径为0～50μm。

7.根据权利要求4所述的锂电池正极片，其特征在于：所述涂碳层在所述集流体的中部的厚度的最大值为2μm。

8.一种锂电池正极片的制备方法，包括上述权利要求1至6任一项所述的正极片，其特征在于：包括以下步骤：

制备集流体：在集流体上打孔，形成不均匀分布的开孔，开孔的密度由集流体的中部向集流体沿第二方向的两侧边缘减小；

制备涂碳材料：按一定配比称取碳材料、粘结剂、分散剂和溶剂，均匀混合制成涂碳材料，碳材料采用导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、石墨烯或其混合物种的任一或任意组合；

制备活性材料：按一定配比称取正极材料、粘结剂、分散剂、导电剂和溶剂，混合均匀制成活性材料；

涂布涂碳层：将上述涂碳材料不均匀涂布在设有不均匀分布的开孔的集流体的至少一个基面上，涂碳材料的厚度由集流体的中部向集流体沿第二方向的两侧边缘减小。

9.根据权利要求8所述的锂电池正极片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

涂布活性涂层：将活性材料平整涂布在涂碳层远离集流体的一侧，活性材料远离集流体的一侧到集流体的距离相同。

10.根据权利要求8所述的锂电池正极片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

涂布活性物质涂层：将上述活性材料周期性涂布在涂碳层3远离集流体1的一侧，在一个涂布周期内，活性材料的厚度在集流体的放卷方向上逐渐增加。

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