CN114944467A - 一种极片及包括该极片的电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种极片及包括该极片的电池。所述极片中包括热失粘涂层，所述热失粘涂层在高温下因发泡剂发泡而导致极片和隔膜之间的粘结强度下降，使高温热量更容易从电芯中散出，提升电池的热安全性，而在常温下，极片和隔膜之间能够保持较高的粘结强度，而使得电池的循环性能不受影响。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种包括功能涂层的极片及包括该极片的电池，尤其涉及一种高能量密度、安全性能优异的电池。
背景技术
锂离子电池因具有平台电压高、能量密度大、无记忆效应、寿命长等优点，被广泛应用于智能手机、笔记本电脑、蓝牙、穿戴设备等领域，在人们的生活中起到重要的作用。然而锂离子电池在滥用的情况下，有发生热失控的风险。
热箱测试是评估锂离子电池热稳定性的一个测试项目，其用于评估锂离子电池在高温环境下(如130℃)的安全性。在消费电子领域，随着锂离子电池的充电电压和充电倍率提升，锂离子电池的热稳定性降低，需要采用更安全的设计来提升其安全性。
发明内容
研究发现，电池隔膜和极片的粘结强度对电池的热箱测试有较大的影响。隔膜与极片粘结性差，在热箱测试过程中，高温热量容易从电芯中快速散发到电芯与铝塑膜的空腔中，从而降低电芯的热量积累，热箱测试易通过。然而隔膜与极片粘结性差会导致锂离子传输通路中断，易造成局部析锂，在循环过程中电池的一致性差，部分电池容量衰竭快。
为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种极片及包括该极片的电池。所述电池在正常使用环境下隔膜与极片之间的粘结性良好，所述锂离子传输通路正常，电池具有较好的循环性能；所述电池在热箱测试条件下隔膜与极片之间的粘结性变差，高温热量容易从电芯中快速散发到电芯与铝塑膜的空腔中，从而降低电芯的热量积累，提高电池的热箱测试通过率。因此，所述电池可以同时兼顾热箱测试和电池的循环性能。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种极片，所述极片包括集流体、活性物质层和热失粘涂层，所述活性物质层设置在集流体的至少一侧表面，所述热失粘涂层设置在活性物质层表面；
所述热失粘涂层的热失粘温度为80℃～150℃。
根据本发明的实施方式，所述极片为正极片或负极片。
根据本发明的实施方式，所述极片满足：M1/M2<1/2，其中，M1为热失粘涂层经过热失粘后的粘结强度，M2为热失粘涂层的初始粘结强度。其中，所述热失粘涂层经过热失粘后的粘结强度是指在热失粘温度下热失粘涂层与隔膜之间的粘结强度。所述热失粘涂层的初始粘结强度是指在常温下热失粘涂层与隔膜之间的粘结强度。
根据本发明的实施方式，所述热失粘涂层经过热失粘后的粘结强度M1为2～8N/m，例如为2N/m、3N/m、4N/m、5N/m、6N/m、7N/m、8N/m；所述热失粘涂层的初始粘结强度M2为10～20N/m，例如为10N/m、11N/m、12N/m、13N/m、14N/m、15N/m、16N/m、17N/m、18N/m、19N/m、20N/m。
根据本发明的实施方式，所述热失粘是指在热失粘温度下失去粘结强度，示例性地，所述热失粘涂层的热失粘温度为80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃。
根据本发明的实施方式，所述极片满足：D1/D2<1/5。其中，D1为热失粘涂层的厚度，D2为活性物质层的厚度。当所述极片满足：D1/D2<1/5时，可以确保电池具有较高的能量密度。
根据本发明的实施方式，所述热失粘涂层的厚度D1为1μm～4μm，例如为1μm、2μm、3μm或4μm；所述活性物质层的厚度D2为20μm～50μm，例如为20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm。
根据本发明的实施方式，所述热失粘涂层包括发泡剂和粘结剂。高温下热失粘涂层中的发泡剂发泡，使热失粘涂层失去粘结性，高温热量从电芯中快速散发到电芯与铝塑膜的空腔中，从而降低电芯的热量积累，提高电池的热箱测试通过率；此外，所述热失粘涂层不会导致隔绝短路或者产气冲破封装袋等现象的出现，能够保持较好的电学性能和安全性能。
根据本发明的实施方式，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯(PVDF)、丙烯酸改性PVDF、聚丙烯酸酯类聚合物、聚酰亚胺、丁苯橡胶、苯丙橡胶中的一种或多种。
根据本发明的实施方式，所述发泡剂选自物理发泡剂、化学发泡剂中的一种或多种。其中，所述物理发泡剂选自长链烷烃类，如异戊烷发泡剂、异丁烷发泡剂中的一种或多种。所述化学发泡剂选自偶氮化合物、磺酰肼类化合物，如偶氮二异丁腈(AIBN)、对甲苯磺酰肼(TSH)、2,4-甲苯二磺酰肼、偶氮二甲酰胺中的一种或多种。
根据本发明的实施方式，所述发泡剂的质量m1与热失粘涂层总质量m0满足：m1/m0为0.05～0.5，优选为0.2～0.5，例如为0.05、0.1、0.2、0.3、0.4或0.5。当m1/m0低于0.05时，热失粘涂层的发泡效果一般，导致热失粘涂层的热失粘效果较差，当m1/m0高于0.5时，热失粘涂层在室温下的粘接强度较低，不利于电池电学性能的提升。
根据本发明的实施方式，所述热失粘涂层还包括硼砂，所述硼砂的加入可以改变发泡剂的发泡温度，使得热失粘涂层的热失粘温度为80℃～150℃。
本发明还提供上述极片的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)配制形成活性物质层的浆料和形成热失粘涂层的浆料；
2)采用涂布工艺，将形成活性物质层的浆料涂布到集流体表面，干燥，形成活性物质层；将形成热失粘涂层的浆料涂布到活性物质层表面，干燥，得到所述极片。
根据本发明的实施方式，形成活性物质层的浆料包括活性物质、导电剂、粘结剂和有机溶剂；形成热失粘涂层的浆料包括发泡剂、粘结剂和有机溶剂。
本发明还提供一种电池，所述电池包括上述的极片。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种极片及包括该极片的电池。所述极片中包括热失粘涂层，所述热失粘涂层在高温下因发泡剂发泡而导致极片和隔膜之间的粘结强度下降，使高温热量更容易从电芯中散出，提升电池的热安全性，而在常温下，极片和隔膜之间能够保持较高的粘结强度，而使得电池的循环性能不受影响。
附图说明
图1为本发明的一个优选方案所述的电池的结构示意图。
附图标记：01为隔膜；02为热失粘涂层；03为活性物质层。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
第一步：制备正极浆料，将96％质量的钴酸锂、1％质量炭黑、1％质量碳纳米管、2％质量的PVDF混合，加入一定量的NMP，将浆料的固含调整至70％，经过搅拌配制成正极浆料。制备热失粘浆料，将10质量份的PVDF、5质量份的偶氮二异丁腈混合，加入一定量的NMP，经过搅拌配制成热失粘浆料。
第二步：制备负极浆料，将96％质量的人造石墨、1％质量的炭黑、1.5％质量的丁苯橡胶、1.5％质量的羧甲基纤维素钠混合，加入去离子水，经搅拌制备成负极浆料。
第三步：正极极片制备，将步骤一的正极浆料涂覆在Al箔表面，烘干得到正极极片，在正极极片上涂覆热失粘浆料，干燥形成热失粘涂层。
第四步：负极极片制备，将步骤二的负极浆料通过挤压涂布的工艺涂覆在负极集流体上得到负极极片。
第五步：使用辊压机将正负极片分别辊压到设计厚度，并使用分条机将正负极片分切至设计宽度，然后在极片上焊接极耳并贴上保护胶纸。
第六步：将隔膜放在正负极片中间进行卷绕或者叠片，得到卷芯或叠芯。
第七步：使用冲型模具将铝塑膜进行冲型，然后使用冲型的铝塑膜将卷芯或叠芯封装起来，得到电芯，烘烤至水分合格，注入电解液。
第八步：使用锂离子电池化成设备，对电芯进行充放电，使电芯硬化，并分选出电芯的容量。
第九步：电芯进行二次封口，并进行折边，使电芯基本成型。
第十步：对电池进行OCV测试，测试出电池的K值，挑选出K值合格的产品。
热箱测试：锂离子电池充满电后，置于热箱测试设备上，热箱以5℃/min的速度进行升温，升温至130℃后，保持60min，然后降低热箱温度。电池不起火，不爆炸视为测试通过。
隔膜与极片粘结力测试：将锂离子电池放电完全(0.5C放电至3.0V)后解剖，取出带隔膜的极片，并裁切成一定宽度。将正极片放置在温度25±3℃，露点<-30℃的环境中静置30min，使隔膜表面电解液收缩至极片中。然后使用拉力机(拉力机型号东莞科建KJ-1065系列)测试(180度剥离)，测试设备自动记录随着剥离位移变化的拉力值，作出拉力值随剥离位移变化的曲线，横坐标为剥离位移，纵坐标为拉力值，取曲线走平且剥离位移大于5mm时的拉力值即为粘结力，粘结力比上试样宽度即为粘结强度。
实施例2～5
同实施例1，不同点在于热失粘涂层的种类、厚度等不同。
实施例6
同实施例1，不同点在于：
第三步：正极极片制备，将步骤一的正极浆料涂覆在Al箔表面，烘干得到正极极片。
第四步：负极极片制备，将步骤二的负极浆料通过挤压涂布的工艺涂覆在负极集流体上得到负极极片，在负极极片上涂覆热失粘浆料，干燥形成热失粘涂层。
即热失粘涂层涂覆在负极片表面，正极片表面不涂覆热失粘涂层。
对比例1
同实施例1，不同点在于极片表面不涂覆热失粘涂层。
对比例2～3
同实施例1，不同点在于热失粘涂层的种类不同。
表1.各实施例和对比例的安全测试结果
实施例1～4的热失粘涂层的热失粘温度在130℃以内，130℃时热失粘涂层对极片和隔膜的粘结强度降低明显，电池的130℃和135℃热箱测试均能通过。实施例5的热失粘涂层的热失粘温度为132℃，在130℃时，涂层部分失粘，电池的130℃和135℃热箱测试也能通过。实施例6是在负极片与隔膜中间设置热失粘涂层，热箱改善也很明显。对比例1是无热失粘涂层的电池，其热箱测试结果较差。对比例2虽然有热失粘涂层，但是因发泡剂比例过低，热失粘效果不明显，对热箱测试无明显改善。对比例3的热失粘涂层的作用温度过高，在130℃和135℃热箱测试中均不能发挥热失粘效果，安全性差。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种极片，其特征在于，所述极片包括集流体、活性物质层和热失粘涂层，所述活性物质层设置在集流体的至少一侧表面，所述热失粘涂层设置在活性物质层表面；
所述热失粘涂层的热失粘温度为80℃～150℃。
2.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述极片满足：M1/M2<1/2，其中，M1为热失粘涂层经过热失粘后的粘结强度，M2为热失粘涂层的初始粘结强度。
3.根据权利要求2所述的极片，其特征在于，所述热失粘涂层经过热失粘后的粘结强度M1为2～8N/m；所述热失粘涂层的初始粘结强度M2为10～20N/m。
4.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述极片满足：D1/D2<1/5。其中，D1为热失粘涂层的厚度，D2为活性物质层的厚度。
5.根据权利要求4所述的极片，其特征在于，所述热失粘涂层的厚度D1为1μm～4μm；所述活性物质层的厚度D2为20μm～50μm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的极片，其特征在于，所述热失粘涂层包括发泡剂和粘结剂。
7.根据权利要求6所述的极片，其特征在于，所述发泡剂选自物理发泡剂、化学发泡剂中的一种或多种；其中，所述物理发泡剂选自异戊烷发泡剂、异丁烷发泡剂中的一种或多种；所述化学发泡剂选自偶氮二异丁腈(AIBN)、对甲苯磺酰肼(TSH)、2,4-甲苯二磺酰肼、偶氮二甲酰胺中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述发泡剂的质量m1与热失粘涂层总质量m0满足：m1/m0为0.05～0.5。
9.根据权利要求6所述的极片，其特征在于，所述热失粘涂层还包括硼砂。
10.一种电池，所述电池包括权利要求1-9任一项所述的极片。
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