CN115347190A - 一种厚电极的造孔方法及其产品和用途 - Google Patents

一种厚电极的造孔方法及其产品和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种厚电极的造孔方法及其产品和用途，所述造孔方法包括以下步骤：(1)将水溶胶和分散剂溶液混合得到胶液；(2)将步骤(1)制得的胶液、活性物质、导电剂和粘结剂混合制成浆料；(3)将步骤(2)制得浆料涂布在集流体表面，烘干得到所述厚电极，本发明利用特定水凝胶的溶胀度随温度、pH的变化，体积会发生收缩与溶胀特性，制备出具有不同孔结构的厚电极，且水溶胶与分散剂形成的互穿网状结构，为Li离子提供稳定的传输通道。

Description

一种厚电极的造孔方法及其产品和用途
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种厚电极的造孔方法及其产品和用途。
背景技术
随着锂离子电池的发展，长续航问题成为人们越来越关注的焦点，提高能量密度成为首选方法。，备超厚极片，可极大提高活性物质的比重，在较低倍率下，电池能量比得到较大提升。然而，厚电极在充放电过程中，体积膨胀率更大，严重影响了电池的安全性能。同时，SEI膜的破坏还会引起锂离子消耗量增大，降低电池的容量。
目前厚电极的制备方法主要有：(1)控制电极组分的分布；(2)制备孔隙梯度分布、导电剂或活性剂垂直分布的多孔结构的厚电极。
CN112151743A公开了一种厚电极的造孔方法及其产品和用途，所述造孔方法包括将粘度为6000mPa·s～9000mPa·s的浆料涂布在表面粗糙度Ra≥1μm的集流体的表面，烘干，得到所述厚电极。
CN113991064A公开一种厚电极结构及其制作方法，该制作方法包括以下步骤：步骤1)、涂布好预定厚度的电极片并对其进行辊压；步骤2)、辊压完成之后，对电极片表面进行微造孔；步骤3)、将电极片表面的颗粒进行去除；步骤4)、形成一个多孔结构的厚电极片。
上述方案所述厚电极存在有造孔效果差、制备方法复杂或气孔分布不均匀的问题，导致锂离子消耗量增大，进而降低电池容量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厚电极的造孔方法及其产品和用途，本发明利用特定水凝胶的溶胀度随温度、pH的变化，体积会发生收缩与溶胀特性，制备出具有不同孔结构的厚电极，且水溶胶与分散剂形成的互穿网状结构，为Li离子提供稳定的传输通道。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种厚电极的造孔方法，所述造孔方法包括以下步骤：
(1)将水溶胶和分散剂溶液混合得到胶液；
(2)将步骤(1)制得的胶液、活性物质、导电剂和粘结剂混合制成浆料；
(3)将步骤(2)制得浆料涂布在集流体表面，烘干得到所述厚电极；
其中，步骤(1)所述水溶胶包括聚丙交酯乙交酯共聚物-双硫键-聚乙二醇-聚乳酸、磷脂-聚乙二醇-双硫键-羧基或聚丙交酯乙交酯共聚物-双硫键-聚乙二醇-羧基中的任意一种或至少两种的组合。
本发明利用PLGA-SS-PEG-Biotin(聚丙交酯乙交酯共聚物-双硫键-聚乙二醇-聚乳酸)、DSPE-PEG-SS-COOH(磷脂-聚乙二醇-双硫键-羧基)或PLGA-SS-PEG-COOH(聚丙交酯乙交酯共聚物-双硫键-聚乙二醇-羧基)型水溶胶，在不引入磁性物质的前提下，开发出了一种新型造孔技术，一方面避免了分层涂布造成的加工工艺复杂的问题，且分层涂布在充放电过程中不同界面的膨胀系数有差异，会导致阻抗增大等问题，另一方面，避免了传统造孔剂挥发产生气孔会导致气孔分布不均，且磁性物质的引入会导致隔膜被刺穿，电池安全性降低的风险。
优选地，步骤(1)所述分散剂溶液包括羧甲基纤维素钠的水溶液。
优选地，所述水溶胶和分散剂溶液中溶质的质量比为1:(1.5～3)，例如：1:1.5、1:1.8、1:2、1:2.5或1:3等。
优选地，步骤(1)所述混合的过程中进行搅拌。
优选地，所述搅拌的公转速度为10～30rpm，例如：10rpm、15rpm、20rpm、25rpm或30rpm等。
优选地，所述搅拌的分散转速为500～3000rpm，例如：500rpm、800rpm、1000rpm、2000rpm或3000rpm等。
优选地，所述搅拌的真空度为-75～-100Kpa，例如：-75Kpa、-80Kpa、-85Kpa、-90Kpa或-100Kpa等。
优选地，步骤(2)所述活性物质包括石墨。
优选地，所述导电剂包括导电炭黑SP。
优选地，所述粘结剂包括丁苯橡胶。
优选地，所述活性物质、导电剂、胶液中分散剂和粘结剂的质量比为(96～98):(0.5～0.8):(1.05～1.7):(1.3～2.0)，例如：96:0.8:1.5:1.7、97:0.6:1.1:1.3、96.5:0.7:1.2:1.6或97:0.6:1.1:1.3等。
优选地，步骤(2)所述浆料的粘度为5000～10000mPa·s，例如：5000mPa·s、6000mPa·s、7000mPa·s、8000mPa·s、9000mPa·s或10000mPa·s等。
优选地，所述浆料的固含量为49～53％，例如：49％、50％、51％、52％或53％等。
优选地，所述混合的真空度<-150Kpa。
优选地，步骤(3)所述涂布的方法包括转移式涂布法。
优选地，所述集流体的粗糙度RZ为0.5～3μm，例如：0.5μm、1μm、2μm或3μm等。
优选地，步骤(3)所述烘干包括一次烘干、二次烘干和三次烘干。
优选地，所述一次烘干的温度为30～40℃，例如：30℃、32℃、35℃、38℃或40℃等。
优选地，所述二次烘干的温度为40～55℃，例如：40℃、42℃、45℃、50℃或55℃等。
优选地，所述二次烘干的过程中加入锂源。
优选地，所述锂源包括氢氧化锂。
优选地，所述锂源与活性物质的质量比为(2～5):100，例如：2:100、2.5:100、3:100、3.5:100、4:100或5:100等。
优选地，所述三次烘干的温度为55～75℃，例如：55℃、60℃、65℃、70℃或75℃等。
本发明通过三次控温调控，构筑排列分布均匀的孔结构，调控厚电极孔隙率，提高电解液在极片中的浸润性，制备出了一种具有优异导电性能和浸润性的石墨厚电极。
第二方面，本发明提供了一种厚电极，所述厚电极通过如第一方面所述方法制得。
优选地，所述厚电极的孔隙率为30～45％，例如：30％、32％、35％、40％或45％等。
第三方面，本发明提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包含如第二方面所述的厚电极。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用水凝胶的溶胀度随温度、pH的变化，体积会发生收缩与溶胀特性，制备出具有不同孔结构的厚电极，且水溶胶与分散剂形成的互穿网状结构，为Li离子提供稳定的传输通道
(2)本发明所述水溶胶中含有大量亲水基团，大大增加了石墨电极的浸润性能，降低电化学抗阻，提升电池容量，降低高倍率充电造成的析锂风险。
(3)本发明所述造孔方法既可以避免分层涂布造成的加工工艺复杂的问题，且分层涂布在充放电过程中不同界面的膨胀系数有差异，会导致阻抗增大等问题，又避免了传统造孔剂挥发产生气孔会导致气孔分布不均，且磁性物质的引入会导致隔膜被刺穿，电池安全性降低的风险。
附图说明
图1是本发明所述造孔方法中涂布、烘干过程的示意图。
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厚电极，所述厚电极的制备方法如下：
(1)将PLGA-SS-PEG-Biotin水溶胶与羧甲基纤维素钠(CMC)的水溶液混合在公转速度为20rpm，分散速度为1500rpm，真空度为-85KPa的条件下搅拌得到胶液，所述胶液中PLGA-SS-PEG-Biotin和CMC的质量比为1:2；
(2)将步骤(1)制得的胶液与石墨、SP和丁苯橡胶按照质量比为1.2:96.5:0.6:1.7在真空度小于-150Kpa的条件下混合制成固含量为51％的浆料；
(3)将步骤(2)制得浆料采用转移式涂布方法涂布在RZ＝2μm的铜箔表面，在35℃下进行一次烘干，添加石墨质量的3％的氢氧化锂在50℃下进行二次烘干，在65℃下进行三次烘干后得到孔隙率为44％的厚石墨电极。
所述涂布、烘干过程的示意图如图1所示。
实施例2
本实施例提供了一种厚电极，所述厚电极的制备方法如下：
(1)将DSPE-PEG-SS-COOH水溶胶与羧甲基纤维素钠(CMC)的水溶液混合在公转速度为25rpm，分散速度为1800rpm，真空度为-85KPa的条件下搅拌得到胶液，所述胶液中DSPE-PEG-SS-COOH和CMC的质量比为1:2.2；
(2)将步骤(1)制得的胶液与石墨、SP和丁苯橡胶按照质量比为1.2:96.5:0.6:1.7在真空度小于-150Kpa的条件下混合制成固含量为52％的浆料；
(3)将步骤(2)制得浆料采用转移式涂布方法涂布在RZ＝2.4μm的铜箔表面，在38℃下进行一次烘干，添加石墨质量的4％的氢氧化锂在50℃下进行二次烘干，在7℃下进行三次烘干后得到孔隙率为45％的厚石墨电极。
实施例3
本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(1)所述胶液中水溶胶与CMC的质量比为1:1，其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例4
本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(1)所述胶液中水溶胶与CMC的质量比为1:4，其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例5
本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(3)所述烘干过程仅在60℃下进行，其他条件与参数与实施例1完全相同。
对比例1
本对比例与实施例1区别仅在于，胶液中不加入水溶胶，其他条件与参数与实施例1完全相同。
对比例2
本对比例与实施例1区别仅在于，将PLGA-SS-PEG-Biotin水溶胶替换为PAE-PEG-NH2水溶胶，其他条件与参数与实施例1完全相同。
性能测试：
采用四探针膜阻抗测试法测试实施例1-5和对比例1-2所述厚电极导电性；将制得厚电极按磷酸铁锂正极、PE隔膜、石墨负极的顺序将极片与隔膜叠加制成6.9cm*5.8cm规格电芯，将电芯放入冲坑铝塑膜中注入1MLiPF6/EC+DMC+EMC电解液，真空热封后得到锂离子电容器，利用静态容量测试方法(SCT)在常温下温度下测得电池容量保持率(0.5C)，测试结果如表1所示：
表1
极片电阻/mΩ 电池容量保持率/％
实施例1 2.28 95.26
实施例2 2.42 95.12
实施例3 2.56 94.85
实施例4 2.64 94.78
实施例5 2.43 95.06
对比例1 3.56 93.56
对比例2 3.62 92.95
由表1可以看出，由实施例1-2可得，本发明所述厚电极的电阻可达2.42mΩ以下，制得电池的容量保持率可达95.12％以上。
由实施例1和实施例3-4对比可得，本发明所述造孔方法中，胶液中水溶胶和分散剂的质量比会影响制得厚电极的性能，将胶液中水溶胶和分散剂的质量比控制在1:(1.5～3)，制得厚电极的性能较好，若胶液中水溶胶占比过低，电极孔隙率偏小，无法形成稳定的Li离子通道；若胶液中水溶胶的占比过高，非导电型水溶胶增加了Li离子传导势垒，导电性能会下降。
由实施例1和实施例5对比可得，本发明利用水凝胶，通过三次控温调控，构筑排列分布均匀的孔结构，调控厚电极孔隙率，提高电解液在极片中的浸润性，制备出了一种具有优异导电性能和浸润性的石墨厚电极。
由实施例1和对比例1对比可得，本发明利用水凝胶的溶胀度随温度、pH的变化，体积会发生收缩与溶胀特性，制备出具有不同孔结构的石墨厚电极，且水溶胶与CMC形成的互穿网状结构，为Li离子提供稳定的传输通道，水溶胶中含有大量亲水基团，大大增加了石墨电极的浸润性能，降低电化学抗阻，提升电池容量，降低高倍率充电造成的析锂风险。
由实施例1和对比例2对比可得，本发明利用PLGA-SS-PEG-Biotin、DSPE-PEG-SS-COOH或PLGA-SS-PEG-COOH型水溶胶内含有双硫键，在碱性条件下能实现充分降解，利用这一特性可控制极片孔隙大小。在不引入磁性物质的前提下，开发出了一种新型造孔技术，该造孔方法是一方面避免了分层涂布造成的加工工艺复杂的问题，且分层涂布在充放电过程中不同界面的膨胀系数有差异，会导致阻抗增大等问题；另一方面，避免了传统造孔剂挥发产生气孔会导致气孔分布不均，且磁性物质的引入会导致隔膜被刺穿，电池安全性降低的风险。
申请人声明，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)

1.一种厚电极的造孔方法，其特征在于，所述造孔方法包括以下步骤：
(1)将水溶胶和分散剂溶液混合得到胶液；
(2)将步骤(1)制得的胶液、活性物质、导电剂和粘结剂混合制成浆料；
(3)将步骤(2)制得浆料涂布在集流体表面，烘干得到所述厚电极；
其中，步骤(1)所述水溶胶包括聚丙交酯乙交酯共聚物-双硫键-聚乙二醇-聚乳酸、磷脂-聚乙二醇-双硫键-羧基或聚丙交酯乙交酯共聚物-双硫键-聚乙二醇-羧基中的任意一种或至少两种的组合。
2.如权利要求1所述的造孔方法，其特征在于，步骤(1)所述分散剂溶液包括羧甲基纤维素钠的水溶液；
优选地，所述水溶胶和分散剂溶液中溶质的质量比为1:(1.5～3)。
3.如权利要求1或2所述的造孔方法，其特征在于，步骤(1)所述混合的过程中进行搅拌；
优选地，所述搅拌的公转速度为10～30rpm；
优选地，所述搅拌的分散转速为500～3000rpm；
优选地，所述搅拌的真空度为-75～-100Kpa。
4.如权利要求1-3任一项所述的造孔方法，其特征在于，步骤(2)所述活性物质包括石墨；
优选地，所述导电剂包括导电炭黑SP；
优选地，所述粘结剂包括丁苯橡胶；
优选地，所述活性物质、导电剂、胶液中分散剂和粘结剂的质量比为(96～98):(0.5～0.8):(1.05～1.7):(1.3～2.0)。
5.如权利要求1-4任一项所述的造孔方法，其特征在于，步骤(2)所述浆料的粘度为5000～10000mPa·s；
优选地，所述浆料的固含量为49～53％；
优选地，所述混合的真空度<-150Kpa。
6.如权利要求1-5任一项所述的造孔方法，其特征在于，步骤(3)所述涂布的方法包括转移式涂布法；
优选地，所述集流体的粗糙度RZ为0.5～3μm。
7.如权利要求1-6任一项所述的造孔方法，其特征在于，步骤(3)所述烘干包括一次烘干、二次烘干和三次烘干；
优选地，所述一次烘干的温度为30～40℃；
优选地，所述二次烘干的温度为40～55℃；
优选地，所述二次烘干的过程中加入锂源；
优选地，所述锂源包括氢氧化锂；
优选地，所述锂源与活性物质的质量比为(2～5):100；
优选地，所述三次烘干的温度为55～75℃。
8.一种厚电极，其特征在于，所述厚电极通过如权利要求1-7任一项所述方法制得。
9.如权利要求8所述的厚电极，其特征在于，所述厚电极的孔隙率为30～45％。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包含如权利要求8或9所述的厚电极。
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刘丹丹;陈永;何菡;何颖源;刘昊;张彬;: "锂浆料电池基础科学问题研究", 化学进展, no. 06, 24 June 2018 (2018-06-24) *

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