CN116469998A - 电池极片的制备方法、电池正极片和电池 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了一种电池极片的制备方法、一种电池正极片和一种电池，本制备方法包括以下步骤：S1、制备电池极片浆料；S2、将电池极片浆料涂覆在导电基材上、并进行烘干，以在导电基材上形成电池极片层；S3、对导电基材和电池极片层进行辊压、制成电池极片；S4、将聚偏氟乙烯溶解于N‑甲基吡咯烷酮中、形成胶液，且在胶液中，聚偏氟乙烯的重量占比为2％‑10％，聚偏氟乙烯的分子量为70万‑140万；S5、将胶液涂覆在电池极片的表面，烘干、并制成目标极片；本方法应用于钠离子电池的制造工艺中，可以修复辊压后正极片内的活性物质，防止电解液进入辊压后活性物质破碎粒子的缝隙中，从而大幅减缓循环过程中电解液的消耗速率，大幅提升如钠离子电池的循环寿命。
Description
技术领域
本申请涉及电池生产制造技术领域，尤其涉及一种电池极片的制备方法、一种电池正极片和一种电池。
背景技术
近年来，新能源汽车及储能领域蓬勃发展，对锂离子电池的需求急剧增加，但锂资源含量不足，导致锂盐价格大幅上涨，锂离子电池的成本大幅增加，这样，不利于新能源汽车行业的健康持久发展。
而与锂同族的钠元素的资源储量丰富，并且成本低廉，因此，钠离子电池的研究开发，在一定程度上缓和了因锂资源短缺所引发的新能源汽车电池的发展受限问题；不仅如此，若在此基础上研制出性能优良、安全稳定的材料，钠离子电池将拥有比锂离子电池更大的市场竞争优势。
钠离子电池研究或产业化中所使用的正极材料，在电池制作的辊压工序中，容易出现材料被压裂或压碎的问题，正极内层状的过渡金属氧化物的压裂和压碎的问题最为明显，这样会导致正极与电解液接触的面积大幅增加，副反应也随之大幅增加，会出现产气问题(正极参与化学反应，产生气体)，这一问题严重限制了钠离子电池在新能源汽车领域内的应用。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电池极片的制备方法、一种电池正极片和一种电池，本方法应用于钠离子电池的制造工艺中，可以修复辊压后正极片内的活性物质，防止电解液进入辊压后活性物质破碎粒子的缝隙中，减少副反应及伴随副反应所产生的气体，从而大幅减缓循环过程中电解液的消耗速率，大幅提升如钠离子电池的循环寿命。
为此，第一方面，本申请实施例提供了一种电池极片的制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备电池极片浆料；
S2、将所述电池极片浆料涂覆在导电基材上、并进行烘干，以在所述导电基材上形成电池极片层；
S3、对所述导电基材和所述电池极片层进行辊压、制成电池极片；
S4、将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基吡咯烷酮中、形成胶液，且在所述胶液中，所述聚偏氟乙烯的重量占比为2％-10％，所述聚偏氟乙烯的分子量为70万-140万；
S5、将所述胶液涂覆在所述电池极片的表面，烘干、并制成目标极片。
在第二方面，本申请还提出了一种电池正极片，所述电池正极片基于如第一方面所述的电池极片的制备方法制造而成。
在第三方面，本申请还提出了一种电池，其包括如第二方面所述的电池正极片和电池负极片。
本申请提出了一种电池极片的制备方法、一种电池正极片和一种电池，与现有技术相比，其有益效果在于：
本方法在辊压后的电池极片如钠金属化合物电池极片的表面涂覆由聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮组成的胶液，对电池极片内的活性物质表面因辊压所受的损伤进行修复，防止电解液进入辊压后活性物质破碎粒子的缝隙中，减少副反应及伴随副反应所产生的气体，从而大幅减缓循环过程中电解液的消耗速率，大幅提升如钠离子电池的循环寿命。
本申请还提出了一种采用上述的方法制成的电池正极片以及一种包含此电池正极片的电池，本电池可以采用如钠金属化合物作为电池正极片内的活性物质，并且能够有效地避免其正极片与电解液过多接触，以此保证其循环性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。另外，在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，且附图并未按照实际的比例绘制。
图1是本申请实施例一、二和三所制备的电池的充放电循环次数与对比试验所制备的电池的充放电循环次数的容量保持率稳定性对比图；
图2-图4分别为本申请实施例一、二和三所制备的电池正极片的扫描电镜图；
图5是对比试验所制备的电池正极片的扫描电镜图；
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例在第一方面提出了一种电池极片的制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备电池极片浆料；
S2、将电池极片浆料涂覆在导电基材上、并进行烘干，以在导电基材上形成电池极片层；
S3、对导电基材和电池极片层进行辊压、制成电池极片；
S4、将聚偏氟乙烯(缩写PVDF)溶解于N-甲基吡咯烷酮(缩写NMP，一种有机溶剂，PVDF溶解量最大)中、形成胶液，且在胶液中，聚偏氟乙烯的重量占比为2％-10％，聚偏氟乙烯的分子量为70万-140万；
S5、将胶液涂覆在电池极片的表面，烘干、并制成目标极片。
基于上述技术方案，本方法在辊压后的电池极片如钠金属化合物电池极片的表面涂覆由聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮组成的胶液，在此胶液中，聚偏氟乙烯的重量占比为2％-10％，聚偏氟乙烯的分子量为70万-140万，对电池极片内的活性物质表面因辊压所受的损伤进行修复，防止电解液进入辊压后活性物质破碎粒子的缝隙中，减少副反应及伴随副反应所产生的气体，从而大幅减缓循环过程中电解液的消耗速率，大幅提升如钠离子电池的循环寿命。
具体地，上述的步骤S5包括以下步骤：
S51、通过喷雾方式或者涂布方式，涂布方式如采用涂布机，将胶液涂覆在电池极片的表面，采用涂布方式时，可以设置涂布机的出料口缝隙宽度为10微米-100微米。
于此，将胶液均匀地涂覆在电池极片的表面，以此提高电池极片内的层状的过渡金属氧化物的修复效果。
之后，需要对电池极片表面的胶液进行烘干：
S52、对涂覆在电池极片表面的胶液进行烘干，并设置烘干温度为80℃-120℃，烘干之后，胶液留存在电池极片表面的固态物质的量为0.1g/m2-6g/m2。
实际上，胶液留存在电池极片表面的固态物质为聚偏氟乙烯，是一种粘结剂，在钠离子电池极片进行辊压工序后，能够有效地将钠离子电池极片内的如层状的过渡金属氧化物粘结，对活性物质表面因辊压所受的损伤进行修复，防止电解液进入辊压后活性物质破碎粒子的缝隙中，减少副反应及伴随副反应所产生的气体，从而大幅减缓循环过程中电解液的消耗速率，提升电池的循环寿命。
在本方法中，聚偏氟乙烯留存在电池极片表面的量为0.1g/m2-6g/m2，这样，在保证修复效果的同时，也确保目标极片的导电性能，若聚偏氟乙烯留存的量太多，会阻碍目标极片内的活性物质接触电解液，从而影响目标极片的导电能力，若聚偏氟乙烯留存的量太少，修复效果欠佳，此时会降低目标极片的循环性能。
上述的步骤S1包括以下步骤：
S11、将极片活性物质、导电材料和粘结材料溶解于溶解剂中，进行搅拌、制成电池极片浆料，并且在电池极片浆料的固含量中，即在溶解于溶解剂的固态物质中，极片活性物质的占比为90％-96％，导电材料的占比为2％-5％，粘结材料的占比为2％-5％。
并且为了保证电池极片的质量，上述的步骤S11包括以下步骤：
将极片活性物质、导电材料、粘结材料和溶解剂同时放置于搅拌罐中进行搅拌，并设置搅拌罐的搅拌桨的转速为30rpm-60rpm、搅拌罐的分散轮的转速为1000rpm-3000rpm，搅拌的时间为120min-240min，搅拌的温度为30℃-50℃。
于此，确保极片活性物质、导电材料和粘结材料能够完全溶解于溶解剂中。
在本方法中，极片活性物质为过渡金属氧化物、聚阴离子型材料、普鲁士蓝类化合物中的一种或多种；导电材料为导电炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；粘结材料包括聚偏氟乙烯。
上述的过渡金属氧化物的微观结构包括单晶结构和多晶结构，如镍铁锰酸钠，化合物的化学式：NaxNiaFebMncMdO2(0＜x≤1，a+b+c+d＝1，a＞0、b＞0、c＞0，M为Cu、Ti、Zr、Co中的一种或多种)。
并且，在上述的步骤S2中，在导电基材上涂覆电池极片浆料的厚度为100微米-200微米(此为烘干之后，浆料留存在导电基材上的厚度)；导电基材包括铝箔。
于此，在本申请中，选用镍铁锰酸钠作为极片活性物质，其实施例一的步骤如下：
1、按照以下配比做成浆料；
极片活性物质重量占比96％，导电炭黑的重量占比2％，粘结剂(PVDF)重量占比2％，N-甲基吡咯烷酮(NMP，作为溶解剂)适量。
2、将上述制成的浆料均匀涂覆在铝箔上，烘干(烘干温度为80-120℃，风量调节参数设置为10-50Hz，走带速度为4m/min-50m/min)。
3、按照所需厚度要求进行辊压，制成目标正极片。
4、将NMP与一款分子量为110万的PVDF按92:8的比例(重量比)，搅拌、溶解成固含量为8％胶液。
5、采用涂布机将胶液涂覆在已完成辊压的目标正极片上，100℃烘干制成目标极片，(其中，通过涂布机参数控制，出料口缝隙宽度设置为10-100um，此为控制涂覆的厚度和量，烘烤温度设置为80-120℃，风量设置为10-50Hz，走带速度为4m/min-50m/min，实现目标正极片上涂覆的量(胶液烘干后固态物质的量)为0.5g/m2)。
之后，可取一小块目标正极片，用扫描电镜观察其表面裂缝的修复情况。
本申请实施例二的步骤如下：
1、按照以下配比做成浆料；
极片活性物质重量占比96％，导电炭黑的重量占比2％，粘结剂(PVDF)重量占比2％，N-甲基吡咯烷酮(NMP，作为溶解剂)适量。
2、将上述制成的浆料均匀涂覆在铝箔上，烘干(烘干温度为80-120℃，风量为10-50Hz，走带速度为4m/min-50m/min)。
3、按照所需厚度要求进行辊压，制成目标正极片。
4、将NMP与一款分子量为80万的PVDF按90:10的比例(重量比)，搅拌、溶解成固含量为10％胶液。
5、采用涂布机将胶液涂覆在已完成辊压的目标正极片上，100℃烘干制成目标极片，(其中，通过涂布机参数控制，出料口缝隙宽度设置为10-100um，此为控制涂覆的厚度和量，烘烤温度设置为80-120℃，风量设置为10-50Hz，走带速度为4m/min-50m/min，实现目标正极片上涂覆的量(胶液烘干后固态物质的量)为3g/m2)。
之后，可取一小块目标正极片，用扫描电镜观察其表面裂缝的修复情况。
本申请实施例三的步骤如下：
1、按照以下配比做成浆料；
极片活性物质重量占比96％，导电炭黑的重量占比2％，粘结剂(PVDF)重量占比2％，N-甲基吡咯烷酮(NMP，作为溶解剂)适量。
2、将上述制成的浆料均匀涂覆在铝箔上，烘干(烘干温度为80-120℃，风量为10-50Hz，走带速度为4m/min-50m/min)。
3、按照所需厚度要求进行辊压，制成目标正极片。
4、将NMP与一款分子量为130万的PVDF按95:5的比例(重量比)，搅拌、溶解成固含量为5％胶液。
5、采用涂布机将胶液涂覆在已完成辊压的目标正极片上，100℃烘干制成目标极片，(其中，通过涂布机参数控制，出料口缝隙宽度设置为10-100um，此为控制涂覆的厚度和量，烘烤温度设置为80-120℃，风量设置为10-50Hz，走带速度为4m/min-50m/min，实现目标正极片上涂覆的量(胶液烘干后固态物质的量)为6g/m2)。
之后，可取一小块目标正极片，用扫描电镜观察其表面裂缝的修复情况。
同样地，做对比试验：
1、按照以下配比做成浆料；
极片活性物质重量占比96％，导电炭黑的重量占比2％，粘结剂(PVDF)重量占比2％，N-甲基吡咯烷酮(NMP，作为溶解剂)适量。
2、将上述制成的浆料均匀涂覆在铝箔上，烘干(烘干温度为80-120℃，风量为10-50Hz，走带速度为4m/min-50m/min)。
3、按照所需厚度要求进行辊压，制成目标正极片。
在以上的实施例和试验中，均采用硬炭作为负极活性物质，制成负极片，再采用叠片的方式及行业通用工序将正、负极片组装成软包成品电芯，测试其循环性能。
如图1-图5中所示出，从上述的各实施例的扫描电镜图与对比试验的扫描电镜图中可以看出，正极片上涂胶能明显修复由辊压导致的颗粒表面上的层状裂纹、以及覆盖住被压碎的粒子(图5中A所指向的框中，出现很明显的裂纹)，防止电解液渗入裂纹及与破碎粒子的缝隙，减少电解液与正极表面接触面积以及副反应的发生，从而减少循环过程中电解液的消耗，提高循环性能。
这里需要说明一下，在图2-图5中，扫描电镜图所扫描的电池正极片的区域略微不同，因为难以扫描不同电池的电池正极片中的对应区域，但从附图中，可以明确知道，对比试验中的电池正极片内出现了裂纹，实施例一、二和三并未发现明显裂纹。
在第二方面，本申请还提出了一种电池正极片，此电池正极片基于如第一方面所述的电池极片的制备方法制造而成。
在第三方面，本申请还提出了一种电池，其包括如第二方面所述的电池正极片和电池负极片，本电池可以采用钠金属化合物作为电池正极片内的过渡金属氧化物，并且能够有效地避免其正极片与电解液过多接触，以此保证其安全性。
应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。
应当容易地理解，应当按照最宽的方式解释本公开中的“在……上”、“在……以上”和“在……之上”，以使得“在……上”不仅意味着“直接处于某物上”，还包括“在某物上”且其间具有中间特征或层的含义，并且“在……以上”或者“在……之上”不仅包括“在某物以上”或“之上”的含义，还可以包括“在某物以上”或“之上”且其间没有中间特征或层(即，直接处于某物上)的含义。
此外，文中为了便于说明可以使用空间相对术语，例如，“下面”、“以下”、“下方”、“以上”、“上方”等，以描述一个元件或特征相对于其他元件或特征的如图所示的关系。空间相对术语意在包含除了附图所示的取向之外的处于使用或操作中的器件的不同取向。装置可以具有其他取向(旋转90度或者处于其他取向上)，并且文中使用的空间相对描述词可以同样被相应地解释。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种电池极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备电池极片浆料；
将所述电池极片浆料涂覆在导电基材上、并进行烘干，以在所述导电基材上形成电池极片层；
对所述导电基材和所述电池极片层进行辊压、制成电池极片；
将聚偏氟乙烯溶解于N-甲基吡咯烷酮中、形成胶液，且在所述胶液中，所述聚偏氟乙烯的重量占比为2％-10％，所述聚偏氟乙烯的分子量为70万-140万；
将所述胶液涂覆在所述电池极片的表面，烘干、并制成目标极片。
2.根据权利要求1所述的电池极片的制备方法，其特征在于，将所述胶液涂覆在所述电池极片的表面，烘干、并制成目标极片，包括以下步骤：
通过喷雾方式或者涂布方式，将所述胶液涂覆在所述电池极片的表面；
对涂覆在所述电池极片表面的所述胶液进行烘干，并设置烘干温度为80℃-120℃，烘干之后，所述胶液留存在所述电池极片表面的固态物质的量为0.1g/m2-6g/m2。
3.根据权利要求1所述的电池极片的制备方法，其特征在于，所述制备电池极片浆料包括以下步骤：
将极片活性物质、导电材料和粘结材料溶解于溶解剂中，进行搅拌、制成所述电池极片浆料，并且在溶解于所述溶解剂的固态物质中，所述极片活性物质的重量占比为90％-96％，所述导电材料的重量占比为2％-5％，所述粘结材料的重量占比为2％-5％。
4.根据权利要求3所述的电池极片的制备方法，其特征在于，将所述极片活性物质、所述导电材料、所述粘结材料和所述溶解剂同时放置于搅拌罐中进行搅拌，并设置所述搅拌罐的搅拌桨转速为30rpm-60rpm、所述搅拌罐的分散轮的转速为1000rpm-3000rpm，搅拌的时间为120min-240min，搅拌的温度为30℃-50℃。
5.根据权利要求3所述的电池极片的制备方法，其特征在于，所述极片活性物质为过渡金属氧化物、聚阴离子型材料、普鲁士蓝类化合物中的一种或多种；
所述导电材料为导电炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；
所述粘结材料包括聚偏氟乙烯。
6.根据权利要求5所述的电池极片的制备方法，其特征在于，所述过渡金属氧化物的微观结构包括单晶结构和多晶结构。
7.根据权利要求1所述的电池极片的制备方法，其特征在于，在所述导电基材上涂覆所述电池极片浆料的厚度为100微米-200微米。
8.根据权利要求1所述的电池极片的制备方法，其特征在于，所述导电基材包括铝箔。
9.一种电池正极片，其特征在于，所述电池正极片基于如权利要求1-8中任一项所述的电池极片的制备方法制造而成。
10.一种电池，其特征在于，包括如权利要求9中所述的电池正极片和电池负极片。
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|---|---|---|---|
| CN202310406340.3A CN116469998A (zh) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 电池极片的制备方法、电池正极片和电池 |
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| CN202310406340.3A CN116469998A (zh) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 电池极片的制备方法、电池正极片和电池 |
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| CN116469998A true CN116469998A (zh) | 2023-07-21 |
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| CN202310406340.3A Pending CN116469998A (zh) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 电池极片的制备方法、电池正极片和电池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116469998A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117534089A (zh) * | 2024-01-09 | 2024-02-09 | 太原理工大学 | 一种无添加剂制备高结晶Fe[Fe(CN)6]电极材料的方法及其应用 |
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2023
- 2023-04-07 CN CN202310406340.3A patent/CN116469998A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117534089A (zh) * | 2024-01-09 | 2024-02-09 | 太原理工大学 | 一种无添加剂制备高结晶Fe[Fe(CN)6]电极材料的方法及其应用 |
| CN117534089B (zh) * | 2024-01-09 | 2024-04-05 | 太原理工大学 | 一种无添加剂制备高结晶Fe[Fe(CN)6]电极材料的方法及其应用 |
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