CN116344979B - 一种正极极片及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种正极极片及其制备方法与应用。本发明所述正极极片包括正极集流体,所述正极集流体的至少一面包括补锂层,所述补锂层分为补锂区以及活性材料区,所述补锂区与所述活性材料区相邻设置;所述补锂层包括导电层包覆正极补锂剂、第一导电剂和第一粘结剂;所述活性材料区包括第一正极活性材料、第二导电剂和第二粘结剂;补锂区的长度L与宽度D满足:1≤LNN/DNN≤65,其中,LNN代表第N个补锂区的长度,DNN代表第N个补锂区的宽度;所述补锂区中补锂层的补锂浆料粘度/所述活性材料区的浆料粘度接近。通过本发明的间隔涂敷和保护层的共同作用,使补锂后的正极极片的结构稳定、电化学性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域,尤其是指一种正极极片及其制备方法与应用。
背景技术
近年来,随着锂电池行业对续航里程的日益增大的需求,高镍三元材料、硅氧材料等材料的应用比例越来越多。目前锂电池行业中对于硅基负极的研究逐渐加深,但是由于硅氧材料的引入会大幅度降低锂电池的首效,从而使锂电池的循环寿命受到一定程度影响。因此需要在硅基电池设计中通过预锂技术来弥补由于硅材料副反应导致的活性锂的损失。预锂技术包括正极预锂、负极预锂,负极预锂对技术要求及工艺要求较高,因此对预锂技术的发展有一定的限制,正极预锂技术可选择性广、条件较为温和、工艺简单,因此正极预锂技术较负极预锂技术具备更好的发展前景。但是由于正极补锂剂在电化学反应后材料失活或者正极补锂剂团聚在正极材料颗粒之间,影响与集流体或活性材料的导电性,另外还要解决由于补锂剂失活可能带来的脱粉等不良现象,因此正极补锂急需提高补锂后的正极极片结构性能和电化学性能。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种正极极片及其制备方法与应用。本发明通过在补锂层中添加纳米碳包覆的正极补锂剂,改善与集流体之间的接触和导电能力,另外通过在补锂层上将正极活性材料与补锂剂材料间隔涂敷,避免纳米补锂剂材料在正极活性材料上的团聚而影响克容量的发挥和活性锂的传输;通过远离集流体的第二层保护层的涂敷,避免由于补锂剂的失活后脱落的风险,通过本发明的间隔涂敷和保护层的共同作用,使补锂后的正极极片的结构稳定、电化学性能优异。本发明为正极补锂提供一种优异的补锂方式,在补锂工艺中具备良好的应用前景。
本发明通过以下方案实现:
本发明的第一个目的在于提供一种正极极片,所述正极极片包括正极集流体,所述正极集流体的至少一面包括补锂层,所述补锂层分为补锂区以及活性材料区,所述补锂区与所述活性材料区相邻设置;
所述补锂区包括正极补锂剂、第一导电剂和第一粘结剂;
所述活性材料区包括第一正极活性材料、第二导电剂和第二粘结剂;
所述补锂区的长度L与宽度D满足:1≤LNN/DNN≤65,其中,LNN代表第N个补锂区的长度,DNN代表第N个补锂区的宽度。
所述补锂区与活性材料区中材料的质量比例关系满足:
W正极补锂剂/W第一正极活性材料=W第一导电剂/W第二导电剂=W第一粘结剂/W第二粘结剂;
所述补锂区中的补锂浆料粘度/所述活性材料区的浆料粘度值为0.8-1.2。
在本发明的一个实施例中,所述正极补锂剂为纳米级小颗粒,表面包覆导电层,表面包裹导电层的正极补锂剂的粒径为100nm-1000nm。
在本发明的一个实施例中,所述补锂层还包括保护层,所述保护层设于所述补锂层远离所述正极集流体一侧。进一步的,所述保护层包括第二正极活性材料、第三导电剂和第三粘结剂。
在本发明的一个实施例中,所述补锂层的厚度与总涂层的厚度需满足:H补锂层/H总涂层的比值为0.5-0.8,所述总涂层是指补锂层厚度与保护层厚度之和。
在本发明的一个实施例中,所述保护层中的第二正极活性材料的D50与所述活性材料区中所述第一正极活性材料的D50的比值为1-10。其中,所述D50是指活性累计体积百分数达到50%时所对应的粒径。
在本发明的一个实施例中,所述补锂区中补锂层的浆料和活性材料区的浆料采用交替间隔式涂布。
在本发明的一个实施例中,所述补锂区的宽度D和长度L与总涂层的面积S满足:5%≤(L11×D11+L12×D12+L11×D11+…LNN×DNN)/S总≤70%,其中,L11、L12、L13、LNN分别代表第一个、第二个、第三个、第N个补锂区的长度,D11、D12、D13、DNN分别代表第一个、第二个、第三个、第N个补锂区的宽度,S总代表补锂区的总面积。当该数值过小(小于5%),成本较高和能量密度提升不高,相当于仅提升0.5%左右;该数值过大(大于70%),不利于实际生产操作,比如当达到100%时,则需要将活性区单独做出去,形成活性层、补锂层、保护层三层,导致剥离效果变差。
在本发明的一个实施例中,补锂区长度L与宽度D满足:1≤LNN/DNN≤65,其中,LNN代表第N个补锂区的长度,DNN代表第N个补锂区的宽度。补锂区的长度与宽度的这个比值如果过大(大于65),说明补锂区的面积过大,将导致其与保护层的粘结性变差,极片的整体剥离效果会变差。
在本发明的一个实施例中,相邻补锂区之间的间隔满足1≤LLN1-LN2/LLN1≤95,LLN1-LN2代表的是长度方向上相邻的两个补锂区的间隔大小,LLN1-LN2/LLN1代表长度方向上相邻的两个补锂区的间隔大小与补锂长度的比值关系。间隔过小表示补锂区长度过长,则会影响与保护层之间的粘结性,使剥离性能变差。
本发明的第二个目的在于提供一种正极极片的制备方法,包括以下步骤:
(1)、将正极补锂剂与第一导电剂、第一粘结剂混合于有机溶剂中,搅拌混合均匀后得到补锂层中补锂区的浆料,备用;
(2)、将第一正极活性材料与第二导电剂、第二粘结剂混合于有机溶剂中,搅拌混合均匀后得到活性材料区的浆料,备用;
其中,步骤(1)中所得补锂层浆料与步骤(2)中所得活性材料区的浆料粘度保持一致;正极补锂剂的质量占总比例的5%-30%,例如5%-10%,10%-20%,20%-30%,具体为5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、20%、25%、30%等,或任意两个数值之间的任意值。
(3)、将步骤(1)中补锂区的浆料喷涂在正极集流体的至少一面中得到补锂区,将步骤(2)所得活性材料区的浆料喷涂于活性材料区;其中补锂区与活性材料区间隔分布,得到补锂层,烘干、冷压、分切得到正极极片;其中,所述补锂区的浆料和活性材料区的浆料采用交替间隔式涂布方法。
进一步的,还包括步骤(4):将第二正极活性材料与第三导电剂、第三粘结剂混合于有机溶剂中,充分搅拌混合,得到保护层浆料,并喷涂到补锂层上,并且H保护层/H补锂层=0.1-0.5,烘干、冷压、分切,即得到正极极片,H保护层为保护层的涂层厚度,H补锂层为补锂层的涂层厚度。
本发明的第三个目的在于提供一种二次电池,包括负极极片、隔离膜和电解液,还包括以上所述的正极极片。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
本发明方案通过使用导电层(碳等)包覆的补锂剂,增加了补锂剂材料与集流体之间的接触性和导电性,提高锂电池的功率性能;通过补锂材料与活性材料间隔式分层涂布方式,一定程度上优化了正极极片的导电性,且采用间隔式涂布方式,避免了纳米补锂剂材料与活性材料颗粒之间的团聚而导致活性材料容量发挥,通过补锂区浆料粘度和活性材料区浆料粘度的优化,降低两者之间的差异性,提高补锂区和活性材料区的一致性。另外保护层的涂敷,一定程度上提高正极极片垂直梯度上的孔道分布状态,提高正极材料的克容量发挥,且避免补锂材料与隔膜的直接接触,避免由于充放电后补锂剂的失活在辊压时的结构失效而导致的颗粒脱落等不良现象的发生,极大程度上提高了该补锂正极极片的结构稳定性。
本发明高稳定性、高电化学性能的补锂正极极片,不仅提高了极片的结构稳定性,且通过间隔式涂布和保护层的构建,能进一步提高锂电池的功率性能和补锂效果,使其具备优异的电化学性能,因此具备良好的应用前景。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中,
图1是本发明补锂层平面示意图。
图2是本发明正极电极结构示意图。
说明书附图标记说明:1、正极集流体;2、正极活性区;3、补锂区;4、保护层;5、补锂层。
具体实施方式
为了解决背景技术中指出的由于正极补锂剂在电化学反应后材料失活或者正极补锂剂团聚在正极材料颗粒之间,影响与集流体或活性材料的导电性,以及由于补锂剂失活可能带来的脱粉等不良现象。
本发明的第一个目的在于提供一种正极极片,所述正极极片包括正极集流体,所述正极集流体的至少一面包括补锂层,所述补锂层分为补锂区以及活性材料区,所述补锂区与所述活性材料区相邻设置;
所述补锂区包括正极补锂剂、第一导电剂和第一粘结剂;
所述活性材料区包括第一正极活性材料、第二导电剂和第二粘结剂;
所述补锂区的长度L与宽度D满足:1≤LNN/DNN≤65,其中,LNN代表第N个补锂区的长度,DNN代表第N个补锂区的宽度
所述补锂区与活性材料区中材料的质量比例关系满足:
W正极补锂剂/W第一正极活性材料=W第一导电剂/W第二导电剂=W第一粘结剂/W第二粘结剂;
所述补锂区中的补锂浆料粘度/所述活性材料区的浆料粘度比为0.8-1.2。本发明通过补锂浆料粘度和活性区浆料粘度的优化,降低两者之间的差异性,提高补锂区和活性材料区的一致性。
在本发明的一个实施例中,所述正极补锂剂为纳米级小颗粒,表面包覆导电层,表面包裹导电层的正极补锂剂粒径为100nm-1000nm。
在本发明的一个实施例中,所述补锂层还包括保护层,所述保护层设于所述补锂层远离所述正极集流体一侧。通过涂覆保护层,锂离子由靠近正极集流体处空隙小,逐渐向外层孔隙率变大,可以一定程度上提高正极极片垂直梯度上的孔道分布状态,因此可以提高锂离子传输效率,增加了首效,提高正极材料的克容量发挥,且避免补锂材料与隔膜的直接接触,避免由于充放电后补锂剂的失活在辊压时的结构失效而导致的颗粒脱落等不良现象的发生,极大程度上提高了该补锂正极极片的结构稳定性。
进一步的,所述保护层包括第二正极活性材料、第三导电剂与第三粘结剂。
进一步的,所述保护层中导电剂选自本领域常规的导电剂,优选且不限于导电炭黑、乙炔黑、石墨、石墨烯、天然石墨、人造石墨、碳纤维、导电高分子聚合物、Denka黑、活性炭、纳米导电纤维、碳纳米管、高分子导电聚合物、碳微纳米线状导电材料和碳微纳米管状导电材料中的至少一种。
进一步的,所述保护层中粘结剂选自本领域常规的粘结剂,优选且不限于聚偏二氟乙烯、苯橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酰胺(PAA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、PAN(聚丙烯腈)、聚酰亚胺(PI)、丁二烯橡胶、改性丁二烯橡胶、羧基改性丁苯橡胶和改性聚有机硅氧烷类聚合物中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中,所述补锂层的厚度与总涂层的厚度需满足:H补锂层与H总涂层的比值为0.5-0.8,所述总涂层是指补锂层厚度与保护层厚度之和;所述保护层中的第二正极活性材料的D50与所述活性材料区中所述第一正极活性材料的D50的比值为1-10。保护层活性材料的粒径大,意味着颗粒与颗粒之间的空隙大,因此在辊压后,保护层活性材料的孔径会大,小粒径层(活性材料区的活性材料)空隙会小,因此会在正极集流体厚度垂直方向上保护层和活性材料区会形成梯度的孔径结构。
在本发明的一个实施例中,所述补锂层中补锂区的补锂浆料和活性材料区的浆料采用交替间隔式涂布。通过交替间隔涂布的方式一定层度上优化正极极片的导电性;且采用间隔式涂布方式,避免了纳米补锂剂材料与正极活性材料颗粒之间的团聚而导致活性材料容量发挥。
在本发明的一个实施例中,所述补锂区的宽度D和长度L与总涂层的面积S满足:5%≤(L11×D11+L22×D22+L33×D33+…LNN×DNN)/S总≤70%。L11、L12、L13...LNN是指补锂区有N个,每个补锂区对应的长度;D11、D22、D33...DNN是指补锂区有N个,每个补锂区对应的宽度,S总代表补锂区的总面积。
在本发明的一个实施例中,补锂区长度L与宽度D满足:1≤LNN/DNN≤65;进一步的,优选为1≤LNN/DNN≤20,10≤LNN/DNN≤20,20≤LNN/DNN≤65,20≤LNN/DNN≤50等,例如为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、35、40、45、50、55、60、65;或者任意两个数值之间的任意值。
在本发明的一个实施例中,相邻补锂区之间的间隔满足1≤LLN1-LN2/LLN1≤95。进一步的,优选为1≤LLN1-LN2/LLN1≤10、10≤LLN1-LN2/LLN1≤50、50≤LLN1-LN2/LLN1≤60、60≤LLN1-LN2/LLN1≤70、70≤LLN1-LN2/LLN1≤80、80≤LLN1-LN2/LLN1≤950;例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95,或者任意两个数值之间的任意值。LLN1-LN2指多个补锂区,相邻两条补锂区的长度间隔;LLN1指某个补锂区的长度。
进一步的,正极补锂剂表面包覆的导电层为本领域常规的导电材料,优选且不限于包括活性炭、石墨烯、导电炭黑、乙炔黑、石墨、石墨烯、天然石墨、人造石墨、碳纤维、导电高分子聚合物、Denka黑、活性炭、纳米导电纤维、碳纳米管、高分子导电聚合物、碳微纳米线状导电材料、碳微纳米管状导电材料中的一种或多种,也可以是各种掺杂多种导电剂的材料。应理解,在不违背本申请的精神下,可以根据具体需要选择其他能够实现本申请功能的导电剂,而不受其限制。
进一步的,所述正极补锂剂种类也不受限制,为本领域常规的补锂剂,优选且不限于包括Li2Si3O7、Li2SnO3、Li2NiO2等含锂材料。应理解,在不违背本申请的精神下,可以根据具体需要选择其他能够实现本申请功能的补锂剂,而不受其限制。
进一步的,所述活性材料区中第一正极活性材料或所述第二正极活性材料为本领域常规的正极活性材料,优选且不限于包括磷酸铁锂材料、高镍三元材料、钴酸锂材料等的一种或多种的组合。优选的,正极活性材料为磷酸铁锂(LFP)、磷酸锰铁锂(LFMP)、锂锰氧化物(LMO)、镍锰酸锂(LNMO)、钴酸锂(LCO)、镍酸锂(LNO)、镍钴铝酸锂(NCA)、镍钴锰酸锂(NCM)、富锂锰基层状氧化物(LLOs)中的一种或几种组合。应理解,在不违背本申请的精神下,可以根据具体需要选择其他能够实现本申请功能的正极活性材料,而不受其限制。
进一步的,所述第一导电剂、第二导电剂和第三导电剂独立的选自本领域常规的导电剂,优选且不限于包括导电炭黑、乙炔黑、石墨、石墨烯、天然石墨、人造石墨、碳纤维、导电高分子聚合物、Denka黑、活性炭、纳米导电纤维、碳纳米管、高分子导电聚合物、碳微纳米线状导电材料和碳微纳米管状导电材料中的至少一种。
进一步的,所述第一粘结剂、第二粘结剂和第三粘结剂独立的选自本领域常规的粘结剂,优选且不限于聚偏二氟乙烯、苯橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酰胺(PAA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、PAN(聚丙烯腈)、聚酰亚胺(PI)、丁二烯橡胶、改性丁二烯橡胶、羧基改性丁苯橡胶和改性聚有机硅氧烷类聚合物中的一种或多种。
本发明的第二个目的在于提供一种正极极片的制备方法,包括以下步骤:
(1)、将正极补锂剂与第一导电剂、第一粘结剂混合于有机溶剂中,搅拌混合均匀后得到补锂层中补锂区的浆料,备用;
(2)、将第一正极活性材料与导电剂、粘结剂混合于有机溶剂中,搅拌混合均匀后得到活性材料区的浆料,备用;
其中,步骤(1)中所得补锂区的浆料与步骤(2)中所得活性材料区的浆料粘度保持一致;正极补锂剂的质量占总原料质量的5%-30%;例如:5%-30%,例如5%-10%,10%-20%,20%-30%,具体为5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、20%、25%、30%等,或任意两个数值之间的任意值。其中总原料质量指的是正极补锂剂与第一导电剂、第一粘结剂与有机溶剂的总质量。
(3)、将步骤(1)中所述补锂区的浆料喷涂在正极集流体的补锂区中,将步骤(2)所得活性材料区的浆料喷涂于活性材料区,得到补锂层;其中补锂区与活性材料区间隔分布,烘干、冷压、分切得到正极极片。
还可以包括步骤(4):将第二正极活性材料与第三导电剂、第三粘结剂混合于比例有机溶剂中,充分搅拌混合,得到保护层浆料,并喷涂到补锂层上,并且H保护层/H补锂层=0.1-0.5,烘干、冷压、分切,即得到正极极片。
进一步的,步骤(1)中浆料与步骤(2)中浆料的粘度保持一致,均为4000cp-8000cp,优选6000cp左右。
进一步的,步骤(4)中浆料的粘度为2000cp-4500cp。
进一步的,所述有机溶剂为本领域常规的有机溶剂,优选且不限于NMP溶剂体系。
进一步的,所述正极补锂剂与第一导电剂、第一粘结剂的质量比为本领域常规的用量比,优选但不限于(93-97):(2-4):(1-3)。
进一步的,所述第一正极活性材料与第二导电剂、第二粘结剂的质量比为本领域常规的用量比,优选但不限于96:2:2。
进一步的,保护层中,所述第二正极活性材料与导电剂、粘结剂的质量比为本领域常规的用量比,优选但不限于(93-97):(2-4):(1-3)。
本发明的第三个目的在于提供一种二次电池,包括负极极片、隔离膜和电解液,还包括以上所述的正极极片。
进一步的,所述隔离膜的材料亦不受限制,为本领域常规的隔离膜,也可以使用现有电池所应用的任一材料或者它们的多层复合膜。
进一步的,所述电解液包括电解质盐以及有机溶剂,其种类和组成不受限制,电解液可以添加不受限制的种类的添加剂。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
本发明实施例提供了一种正极极片及其制备方法,具体如下:
1、正极极片:
(1)、选用小粒径(100nm-1000nm)碳包覆的纳米补锂剂(Li2NiO2)与导电剂SP、CNT、粘结剂PVDF按重量比96:1.5:0.5:2的比例在NMP溶剂体系中充分搅拌混合均匀后得到补锂层中补锂区的浆料,备用;
(2)、正极活性材料镍钴锰酸锂NCM与导电剂SP、CNT、粘结剂PVDF同样按重量比96:1.5:0.5:2的比例在NMP溶剂体系中充分搅拌混合均匀后得到活性材料区的浆料,备用;
其中,步骤(1)中所得补锂区的浆料与步骤(2)中所得活性材料区的浆料粘度均为4000cp;碳包覆的纳米补锂剂的质量占保护层和补锂层总质量的10%;
(3)、将步骤(1)中所得补锂区的浆料喷涂在铝箔集流体的补锂区中将步骤(2)所得浆料喷涂于活性材料区,最终得到补锂层。其中,补锂区涂敷位置在总涂敷宽度的中间等间隔排布(见图1),并选取L11/D11=20,相邻补锂区之间的间隔满足LLN1-LLN2/LLN1=1;补锂区的面积比为(L11×D11+L22×D22+L33×D33+…LNN×DNN)/S总=15%;
(4)、将第二正极活性材料NCM622与导电剂SP、CNT、粘结剂PVDF同样按重量比96:1.5:0.5:2的比例在NMP溶剂体系中充分搅拌混合,得到保护层浆料,并喷涂到补锂层上,并且H保护层/H补锂层=0.25;所述保护层中的第二正极活性材料NCM622的D50与第一正极活性材料镍钴锰酸锂NCM的D50的比值为3,烘干、冷压、分切,即得到正极极片;
2、负极极片:选用大颗粒负极活性材料(粒径大小为6微米-20微米,80wt%石墨和20wt%硅)与导电剂SP、单臂CNT、CMC、SBR、PAA/PAN的质量比例为96:0.45:0.05:0.4:0.6:2.5均匀混合,浆料粘度控制在3000cp左右,涂敷于铜箔上烘干、冷压、分切,得到负极极片。
实施例2
本实施例提供了一种正极极片及其制备方法,具体如下:
(1)、负极极片与实施例1中负极极片相同;
(2)、正极极片:原料配方与实施例1中相似,仅改变所述保护层中的第二正极活性材料的D50与所述第一正极活性材料的D50的比值为1,构成正极极片。
对比例1
本对比例提供了一种正极极片及其制备方法,具体如下:
(1)、负极极片同实施例1中负极极片相同;
(2)、正极极片:本对比例中的补锂剂、正极活性材料、导电剂、粘结剂按照实施例1中相应的补锂混合均匀,仅涂一层均匀的涂层,即为正极极片。
对比例2
本对比例提供了一种正极极片及其制备方法,具体如下:
(1)、负极极片同实施例1中负极极片相同;
(2)、正极极片:本对比例中正极活性材料、导电剂、粘结剂按照实施例1中相应的比例混合均匀,仅涂一层均匀的涂层,不包含补锂剂,即为正极极片。
对比例3
本对比例提供了一种正极极片及其制备方法,具体如下:
(1)、正极极片:本对比例原料配方和实施例1一致,区别点在于:补锂区涂敷位置在总涂敷宽度的中间等间隔排布,选取L11/D11=1,相邻补锂区之间的间隔满足LLN1-LN2/LLN1=100,即为正极极片。
对比例4
本发明对比例提供了一种正极极片及其制备方法,具体如下:
(1)、负极极片同实施例1中负极极片相同;
(2)、正极极片:与实施例1相同,区别点在于:补锂层按照相同的质量比例和配比匀浆均匀后,使其涂敷在活性浆料区上,然后将保护层涂敷在补锂层上,得到正极极片。
对比例5
(1)、本实施例与实施例1中完全一致,但不设置保护层,将实施例1中保护层的保护层浆料和实施例1中活性材料区的浆料混合后作为新的活性材料区的浆料,与补锂区的浆料间隔涂敷得到正极极片;
(2)、负极极片与实施例1中负极极片相同。
对比例6
(1)、本对比例采用和实施例1中配方一致,材料选用一致,仅改变补锂区的面积比为(L11×D11+L22×D22+L33×D33+…LNN×DNN)/S总=85%,得到相应正极极片;
(2)、负极极片与实施例中负极极片相同。
电池的组装
1、隔离膜:以PE多孔聚合薄膜作为隔离膜。
2、电解液:将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)按照体积比3:5:2进行混合,然后将充分干燥的锂盐LiPF6按照1.2mol/L的比例溶解于混合有机溶剂中,配制成电解液。
3、全电池制备:将实施例和对比例所得正极极片、隔离膜、负极极片按顺序排列好,在每对正负极中间放置一层隔离膜,并卷绕得到裸电芯。将裸电芯置于外包装壳中,将上述制备好的电解液注入到干燥后的裸电池中,经过真空封装、静置、化成、整形等工序,获得5AH锂离子二次电池。
4、将装配好的锂离子电池进行常规电性能测试,包括内阻标定、倍率测试,并且观察实施例和对比例中所得电池的循环100周后拆解观察界面状态。
电池性能测试
1、首效、内阻、循环100周测试:测试流程为0.2C,恒流充至3.7V,0.5C恒流恒压充至4.25V,0.5C恒流放电至2.5V,首效=首次放电容量/充电总容量;内阻测试采用万用表直接测量数据;取1C/1C循环后100周满电电芯拆解,确认电芯状态,且对拆解后正极极片测剥离强度,极片干燥后,使用胶带去测量粘接强度以确认极片粘接性;
2、常温倍率测试:在25℃的温度下,进行倍率测试,充电倍率为1C,恒流和恒压充电,充电截止电压为4.25V,放电倍率为1C、2C、3C,截至电压为2.5V,记录相应的容量,倍率保持率=不同倍率下的容量/1C容量×100%。各实施例及对比例实验结果见表1:
表1
从测试结果来看,实施例1-实施例2电池拥有最好的电性能发挥,在首效、内阻、倍率性能、和极片表观状态上都具有良好的表现,说明本发明的纳米碳包覆补锂剂材料在正极集流体中的间隔式涂布与保护层的协同作用,使锂电池拥有最好的电性能发挥,且该补锂正极极片的结构稳定性最优,使该设计具备较强的市场竞争力。
实施例1和对比例4相比,对比例4的电池首效和倍率性能比实施例1中电池首效和倍率性能更低,说明间隔涂布使得补锂层直接与集流体接触,避免了与活性材料的接触,改善电芯整体的功率性能,并且拆解后的实施例1正极极片的粘接强度比对比例4正极极片提高60%左右,说明采用本发明间隔式涂布后的补锂正极极片能较大程度上避免补锂材料的失活而导致的极片结构稳定性变差,对补锂正极极片的稳定性贡献影响较大。
实施例1与对比例5对比,对比例5中的极片粘结力较差,且拆解后表面掉粉严重,说明没有保护层的话补锂材料失活后,补锂剂结构会破坏,导致掉料比较严重。
实施例1与对比例1比较,对比例1将原料进行一次混合,并直接将浆料涂覆于集流体中,未进行分层设置,导致对比例1中电池首效、倍率性能降低以及极片粘结强度变差,且出现了表面掉料的情况。说明补锂剂与活性材料的直接混合接触,会导致补锂剂失活后,增大与集流体之间的接触阻抗,导致功率性能下降,另外,由于失活的补锂剂受压后,结构容易坍塌,因此极片的稳定性也受到影响。可见,采用本发明的分层涂覆可以很好的解决以上问题,提升电池的倍率性能以及粘结强度等。
对比例3中,在总涂层面积和实施例1一致的情况下,通过调节补锂区的长度和宽度条件,与实施例1相比,电池的首效和倍率性能出现了降低,粘结强度也发生了改变。说明如果补锂区域的宽度和长度过小或者超出范围,一方面会影响整体电池的补锂效果,另外也会对极片剥离强度有一定的影响。
实施例1与实施例2比较,所述保护层中的第二正极活性材料的D50与所述第一正极活性材料的D50的比值大,上层构建较大的空隙,下层小粒径材料,构建较小的空隙,因此可以构建梯度方向上的孔道分布,更有利于内部锂离子的传输,提高补锂效果。
实施例1与对比例6比较,对比例6中提高了补锂区域的面积比值,发现电池内阻增大明显,且测试极片剥离力变小,循环后便面脱粉,说明补锂区面积比值过大,电化学反应后补锂区失活,导致结构坍塌,剥离变差、极片脱粉验证。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种正极极片,其特征在于,所述正极极片包括正极集流体,所述正极集流体的至少一面包括补锂层,所述补锂层分为补锂区以及活性材料区,所述补锂区与所述活性材料区相邻设置;
所述补锂区包括正极补锂剂、第一导电剂和第一粘结剂;
所述活性材料区包括第一正极活性材料、第二导电剂和第二粘结剂;
所述补锂区的长度L与宽度D满足:1≤LNN/DNN≤65,其中,LNN代表第N个补锂区的长度,DNN代表第N个补锂区的宽度;
所述正极补锂剂为纳米级小颗粒,表面包覆导电层,表面包裹导电层的正极补锂剂粒径为100nm-1000nm;
所述补锂层还包括保护层,所述保护层设于所述补锂层远离所述正极集流体一侧;所述保护层包括第二正极活性材料、第三导电剂和第三粘结剂;
所述补锂区中的补锂浆料粘度/所述活性材料区的浆料粘度值为0.8-1.2;
所述补锂区的宽度D和长度L与总涂层的面积S满足:5%≤(L11×D11+L12×D12+L13×D13+…LNN×DNN)/S总≤70%,
其中,L11、L12、L13、LNN分别代表第一个、第二个、第三个、第N个补锂区的长度,D11、D12、D13、DNN分别代表第一个、第二个、第三个、第N个补锂区的宽度,S总代表补锂区的总面积;
相邻补锂区之间的间隔满足:1≤LLN1-LN2/LLN1≤95,LLN1-LN2代表的是长度方向上相邻的两个补锂区的间隔大小,LLN1-LN2/LLN1代表长度方向上相邻的两个补锂区的间隔大小与补锂长度的比值关系。
2.根据权利要求1所述的正极极片,其特征在于,所述补锂层的厚度与总涂层的厚度满足:H补锂层与H总涂层的比值为0.5-0.8。
3.根据权利要求1所述的正极极片,其特征在于,所述保护层中的第二正极活性材料的D50与所述活性材料区中所述第一正极活性材料的D50的比值为1-10。
4.根据权利要求1所述的正极极片,其特征在于,所述补锂区与活性材料区中材料的质量比例关系满足:
W正极补锂剂/W第一正极活性材料= W第一导电剂/W第二导电剂=W第一粘结剂/W第二粘结剂。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述正极极片的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将正极补锂剂与第一导电剂、第一粘结剂混合于有机溶剂中,搅拌混合均匀后得到补锂层中补锂区的浆料;
将第一正极活性材料与第二导电剂、第二粘结剂混合于有机溶剂中,搅拌混合均匀后得到活性材料区的浆料;
将所述补锂区的浆料喷涂在正极集流体的至少一面中得到补锂区,将活性材料区的浆料喷涂于活性材料区,得到补锂层,烘干、冷压、分切得到正极极片;其中,所述补锂区的浆料和活性材料区的浆料采用交替间隔式涂布方法。
6.一种二次电池,包括负极极片、隔离膜和电解液,其特征在于,还包括如权利要求1-4中任一项所述的正极极片。
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