CN116487604A - 一种高载量负极片、制备方法及其应用 - Google Patents

一种高载量负极片、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及负极极片技术领域，公开了一种高载量负极片、制备方法及其应用，该高载量负极片包括集流体和附着在集流体上的负极活性材料，所述集流体为泡沫金属，所述负极活性材料位于泡沫金属的孔隙内；该负极片的电阻值小且不会出现活性物质脱落的问题，导电性能和循环性能显著提高；本申请还提供了该负极片的制备方法，该方法通过拉浆处理将液态负极浆料填充到泡沫金属的孔隙中，同时使用该工艺可以使负极浆料在泡沫金属的空隙能够充分填充并且分散均匀，能实现负极片对活性材料的高负载。

Description

一种高载量负极片、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及负极极片技术领域，尤其是涉及一种高载量负极片、制备方法及其应用。
背景技术
随着新能源乘用车的发展和普及，人们对锂离子电池的性能提出了更高要求。其中，提升电池能量密度就是一个迫切愿望。制造高面密度的高载量超厚极片是提升锂离子电池能量密度的一个最直接方法。
现有技术中，负极极片通常采用金属箔材为集流体，通过将负极活性物质涂覆集流体上制造而成的，而为了提高电池能量密度，通常是以增加集流体上的负极活性物质的面密度为常规手段，但上述制备方式获得的负极极片存在以下问题：首先，负极极片的活性物质料层增厚，会引起极片的电阻值增加，进而导致电芯的倍率性能下降；其次，由于活性物质料层厚度会在电芯循环过程中随着锂离子在碳材料中的嵌入和脱出而增大和减小，尤其在料层厚度较大时，料层在厚度增大和减小过程中内部及表面的应力差会增大，从而导致负极料层在循环过程中与负极集流体铜箔分离脱落，上述问题都会导致电池性能的急剧恶化。
因此为了解决上述问题急需提供一种高负载量的负极片。
发明内容
为了克服现有技术中的负极片采用金属箔材为集流体制备高负载量负极片时存在倍率性能降低，活性物质易落以及导电性能显著降低的问题，提供了一种高载量负极片、制备方法及其应用，本申请提供的高负载量负极片中的集流体为泡沫金属，同时本申请通过拉浆处理方式将活性物质负载到泡沫金属的空隙中，显著提高了负极片的负载量，同时制备得到的负极片倍率性能显著提升，同时活性物质也不会发生脱落。
本发明的具体技术方案为：
一种高载量负极片，包括集流体和附着在集流体上的负极活性材料，所述集流体为泡沫金属，所述负极活性材料位于泡沫金属的孔隙内。
本申请提供了一种高负载量负极片，该负极片是以泡沫金属为集流体，负极活性物质填充在泡沫金属的空隙内的特殊构造；该负极片的泡沫金属为多孔结构，多孔结构空隙中能够容纳负极活性物质，通常金属集流体主要起着导电的作用，本申请的负极片特殊构造下，泡沫金属内部形成连通的无数孔洞，活性物质在附着在孔洞上后能够增加活性物质与金属集流体的接触面积，同时附着在金属内壁上的活性物质构成了微小的导电单元，这些导电单元的电阻极小，能够在不影响电极电阻的前提下显著提高负极极片的导电性；此外本申请中的活性物质是位于泡沫金属内的，在电极使用过程中不会出现活性物质脱落的情况，循环性能显著提升。
作为优选，所述负极片中负极活性材料的面密度为21.7～22.3mg/cm2。
作为优选，所述负极片的压实密度为1.3～1.7g/cm3，厚度为158～162μm，载料量为21.7～22.3mg/cm2。
一种高载量负极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将负极活性物质以及导电剂分散在胶液中制成负极浆料；
(2)采用拉浆处理将步骤(1)中制得的负极浆料转移至泡沫金属上并加热制成预成型体；(3)将步骤(2)中的预成型体依次进行辊压和模切制成高载量负极片。
本申请还提供了一种高载量负极片的制备方法，该方法中首先将负极活性物质、导电剂分散在胶液中，胶液是具有一定粘度的液态混合物，然后再通过拉浆处理的方式将液态负极浆料转移的泡沫金属上，使液态负极浆料能够充分的填充到泡沫金属的孔隙中，拉浆处理完成后将填充有负极浆料的泡沫金属加热制成固态预成型体，干燥过程中负极浆料中的有机溶剂被加形成气态与负极浆料分离，其于成分则是粘附在金属泡沫的孔壁上，最后再将预成型体经过辊压、模切等工序使预成型体按照制定的工艺尺寸制成密实度高的高负载量负极片。
本申请中的泡沫金属的孔隙度、液态负极浆料的粘度、拉浆处理的温度以及拉浆处理的速度都决定着液态负极浆料能否充分填充到泡沫金属的孔隙中，同时在拉浆处理时本申请对在拉浆处理过程中采用了间断行进时拉浆方式：拉浆过程中首先泡沫金属载体在负极浆料中移动，同时浆料进行不断搅拌，移动行进一定距离后停止移动，对泡沫金属施加微波震动，震动一段时间后，将负载有负极浆料的泡沫金属，移出拉浆机进行后续处理，制备时重复上述过程，通过上述拉浆处理后，能够使液态负极浆料充分的填充在泡沫金属的孔隙中；以金属箔片为集流体负载负极浆料时，通常采用拉浆和直接涂覆两种工艺，采用上述两种方式将负极浆料附着在金属箔片表面是通过胶液的粘附性来达成的，而本申请中采用的是泡沫金属，直接采用上述处理方式时难以充分的将负极浆料填充的在泡沫金属的空隙中，此外，在拉浆过程中本申请还发现负极浆料在泡沫金属的孔隙中的分散性不佳，在制成预成型体后泡沫金属中的很容易形成空腔，因此本申请采用了一种新的拉浆处理方式使负极浆料能够充分的填充在泡沫金属的孔隙中，从而达成显著提高负极片负载量的效果。
作为优选，步骤(1)中所述胶液中的溶剂选自去离子水和NMP中的一种或几种。
作为优选，步骤(1)中所述负极浆料的粘度为2140～4130mPa·s。
作为优选，步骤(2)中所述拉浆速度为0.25～0.30m/min，拉浆温度为120～140℃。
作为优选，步骤(2)中所述泡沫金属的厚度为0.5～1mm，孔隙度90～120ppi。
作为优选，所述泡沫金属选自泡沫铜和泡沫镍中的一种。
一种高载量负极片的在制备锂电池中的应用。
与现有技术相比，本申请具有以下技术效果：
(1)本申请提供了一种以泡沫金属为集流体，负极活性物质填充在泡沫金属的空隙内的高负载量负极片，该负极片的电阻值小且不会出现活性物质脱落的问题，导电性能和循环性能显著提高；
(2)本申请还提供的制备方法采用拉浆处理的方式，该处理方式能够充分的将液态负极浆料填充并分散到泡沫金属的孔隙中。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1：
一种高载量负极片，包括集流体和附着在集流体上的负极活性材料，集流体为泡沫金属，负极活性材料位于泡沫金属的孔隙内，负极片中负极活性材料的面密度为22mg/cm2；负极片的压实密度为1.7g/cm3，厚度为160μm，载料量为22mg/cm2；
一种高载量负极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量分数比为95.0:1:1.5:2.5的碳、导电炭黑、羟甲基纤维素钠以及丁苯橡胶与去离子水通过行星搅拌机均匀分散在形成负极浆料，负极浆料粘度为2140mPa·s，
(2)采用拉浆处理将负极浆料转移至泡沫铜上并经过烘箱干燥后制成预成型体，拉浆速度为0.30m/min，拉浆温度为120℃，泡沫铜的厚度为1mm，孔隙度120ppi，烘干温度为105℃，拉浆处理方式：拉浆过程中首先泡沫铜载体在负极浆料中移动，同时浆料进行不断搅拌，移动行进一定距离后停止移动，对泡沫铜施加微波震动，震动一段时间后，将负载有负极浆料的泡沫铜，移出拉浆机进行后续处理，制备时重复上述过程；
(3)将预成型体在辊压机上进行辊压，再经过模切机进行模切制成高载量负极片；
一种高载量负极片的在制备锂电池中的应用，包括以下步骤：
(a)制备高载量负极片；
(b)制备正极片，按照质量分数比为94.5:3.5:3.5:2.0的正极活性物质(523三元材料)、导电炭黑以及PVDF与NMP通过搅拌工艺制成正极浆料，再以涂布的方式将正极浆料均匀地涂布在厚度为16μm的铝箔上并依次经烘烤、辊压和模切后制得正极极片；正极极片的载料量为42.1mg/cm2，压实密度为3.1g/cm3，厚度为146μm；
(c)将高载量负极片、正极片以及陶瓷隔膜(16μm)以叠片方式制备成电芯半成品再封装成软包电池，封装完成后将软包电池放入85℃真空烤箱中烘烤8h，再经过注液和预封并搁置12h后，依次采用0.05C恒流充电30min、0.2C恒流充电40min、0.5C恒流充电30min对电池进行化成，再依次进行二封、搁置、分容后制成锂电池。
实施例2：
一种高载量负极片，包括集流体和附着在集流体上的负极活性材料，集流体为泡沫金属，负极活性材料位于泡沫金属的孔隙内，负极片中负极活性材料的面密度为22mg/cm2；负极片的压实密度为1.7g/cm3，厚度为160μm，载料量为22mg/cm2；
一种高载量负极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量分数比为95.0:1:1.5:2.5的碳、导电炭黑、羟甲基纤维素钠以及丁苯橡胶与去离子水通过行星搅拌机均匀分散在形成负极浆料，负极浆料粘度为2140mPa·s，
(2)采用拉浆处理将负极浆料转移至泡沫铜上并经过烘箱干燥后制成预成型体，拉浆速度为0.30m/min，拉浆温度为120℃，泡沫铜的厚度为1mm，孔隙度120ppi，烘干温度为105℃，拉浆处理方式：拉浆过程中首先泡沫铜载体在负极浆料中移动，同时浆料进行不断搅拌，移动行进一定距离后停止移动，对泡沫铜施加微波震动，震动一段时间后，将负载有负极浆料的泡沫铜，移出拉浆机进行后续处理，制备时重复上述过程；
(3)将预成型体在辊压机上进行辊压，再经过模切机进行模切制成高载量负极片。
一种高载量负极片的在制备锂电池中的应用，包括以下步骤：
(a)制备高载量负极片；
(b)制备正极片，按照质量分数比为94.5:3.5:3.5:2.0的正极活性物质(523三元材料)、导电炭黑以及PVDF与NMP通过搅拌工艺制成正极浆料，再以涂布的方式将正极浆料均匀地涂布在厚度为16μm的铝箔上并依次经烘烤、辊压和模切后制得正极极片；正极极片的载料量为42.1mg/cm2，压实密度为3.1g/cm3，厚度为146μm；
(c)将高载量负极片、正极片以及陶瓷隔膜(16μm)以叠片方式制备成电芯半成品再封装成软包电池，封装完成后将软包电池放入85℃真空烤箱中烘烤8h，再经过注液和预封并搁置12h后，依次采用0.05C恒流充电30min、0.2C恒流充电40min、0.5C恒流充电30min对电池进行化成，再依次进行二封、搁置、分容后制成锂电池。
实施例3：
一种高载量负极片，包括集流体和附着在集流体上的负极活性材料，集流体为泡沫金属，负极活性材料位于泡沫金属的孔隙内，负极片中负极活性材料的面密度为22mg/cm2；负极片的压实密度为1.7g/cm3，厚度为160μm，载料量为22mg/cm2；
一种高载量负极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量分数比为95.0:1:1.5:2.5的碳、导电炭黑、羟甲基纤维素钠以及丁苯橡胶与去离子水通过行星搅拌机均匀分散在形成负极浆料，负极浆料粘度为4130mPa·s，
(2)采用拉浆处理将负极浆料转移至泡沫铜上并经过烘箱干燥后制成预成型体，拉浆速度为0.30m/min，拉浆温度为120℃，泡沫铜的厚度为1mm，孔隙度110ppi，烘干温度为105℃，拉浆处理方式：拉浆过程中首先泡沫铜载体在负极浆料中移动，同时浆料进行不断搅拌，移动行进一定距离后停止移动，对泡沫铜施加微波震动，震动一段时间后，将负载有负极浆料的泡沫铜，移出拉浆机进行后续处理，制备时重复上述过程；
(3)将预成型体在辊压机上进行辊压，再经过模切机进行模切制成高载量负极片；
一种高载量负极片的在制备锂电池中的应用，包括以下步骤：
(a)制备高载量负极片；
(b)制备正极片，按照质量分数比为94.5:3.5:3.5:2.0的正极活性物质(523三元材料)、导电炭黑以及PVDF与NMP通过搅拌工艺制成正极浆料，再以涂布的方式将正极浆料均匀地涂布在厚度为16μm的铝箔上并依次经烘烤、辊压和模切后制得正极极片；正极极片的载料量为42.1mg/cm2，压实密度为3.1g/cm3，厚度为146μm；
(c)将高载量负极片、正极片以及陶瓷隔膜(16μm)以叠片方式制备成电芯半成品再封装成软包电池，封装完成后将软包电池放入85℃真空烤箱中烘烤8h，再经过注液和预封并搁置12h后，依次采用0.05C恒流充电30min、0.2C恒流充电40min、0.5C恒流充电30min对电池进行化成，再依次进行二封、搁置、分容后制成锂电池。
实施例4：
一种高载量负极片，包括集流体和附着在集流体上的负极活性材料，集流体为泡沫金属，负极活性材料位于泡沫金属的孔隙内，负极片中负极活性材料的面密度为22mg/cm2；负极片的压实密度为1.7g/cm3，厚度为158μm，载料量为22mg/cm2；
一种高载量负极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量分数比为95.0:1:1.5:2.5的碳碳硅材料、导电炭黑、羟甲基纤维素钠以及丁苯橡胶与去离子水通过行星搅拌机均匀分散在形成负极浆料，负极浆料粘度为2200mPa·s，
(2)采用拉浆处理将负极浆料转移至泡沫铜上并经过烘箱干燥后制成预成型体，拉浆速度为0.30m/min，拉浆温度为120℃，泡沫铜的厚度为1mm，孔隙度110ppi，烘干温度为105℃，拉浆处理方式：拉浆过程中首先泡沫铜载体在负极浆料中移动，同时浆料进行不断搅拌，移动行进一定距离后停止移动，对泡沫铜施加微波震动，震动一段时间后，将负载有负极浆料的泡沫铜，移出拉浆机进行后续处理，制备时重复上述过程；
(3)将预成型体在辊压机上进行辊压，再经过模切机进行模切制成高载量负极片。
一种高载量负极片的在制备锂电池中的应用，包括以下步骤：
(a)制备高载量负极片；
(b)制备正极片，按照质量分数比为94.5:3.5:3.5:2.0的正极活性物质(811三元材料)、导电炭黑以及PVDF与NMP通过搅拌工艺制成正极浆料，再以涂布的方式将正极浆料均匀地涂布在厚度为16μm的铝箔上并依次经烘烤、辊压和模切后制得正极极片；正极极片的载料量为44.0mg/cm2，压实密度为3.1g/cm3，厚度为157μm；
(c)将高载量负极片、正极片以及陶瓷隔膜(16μm)以叠片方式制备成电芯半成品再封装成软包电池，封装完成后将软包电池放入85℃真空烤箱中烘烤8h，再经过注液和预封并搁置12h后，依次采用0.05C恒流充电30min、0.2C恒流充电40min、0.5C恒流充电30min对电池进行化成，再依次进行二封、搁置、分容后制成锂电池。
对比例1：
与实施例1相比，对比例1负极片的制备方法中的步骤(2)采用表面涂覆的方法，集流体采用6μm厚的铜箔，其余条件均与实施例1相同。
对比例2：
与实施例4相比，对比例2的负极片的制备方法中的步骤(2)采用表面涂覆的方法，集流体采用6μm厚的铜箔，其余条件均与实施例1相同。
对比例3
与实施例1相比，对比例3负极片的制备方法中步骤(2)的拉浆工艺采用直接进行拉浆的方法，不施加间断振动，其余条件均与实施例1的条件相同。
对比例4
与实施例1相比，对比例4负极片的制备方法中的步骤(2)采用表面涂覆的方法，对比例4检测例将实施例1～4和对比例1～2中制备得到的锂电池进行测试，测试步骤：常温下，用1C电流测试电池容量C1C，用3C放电(容量为C3C)测试倍率性能，用0.5C充/1C放测试电池循环性能，测试结果见表1；
表1锂电池电学性能
如表1所示，实施例1～4与对比例1～2相比，锂电池的容量、倍率性能以及循环性能都显著提升，实施例1与实施例2、3相比，实施例1的电池电池性能达到最佳，表明孔隙度浆料粘度对形成的负极有重要影响，需要在特点的参数下才能达到最佳性能。
对实施例1～3以及对比例3～4制备得到的高载量负极片，进行断面切割，观察负极片内部的活性物质的分散情况，通过检测发现，实施例1～3制得的高载量负极片的活性物质分散均匀且充分填充在泡沫金属的孔隙中，而对比例3～4的负极片越靠近极片中心位置分散越不均匀，且容易部分空隙内没有填充到负极活性物质。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种高载量负极片，其特征是，包括集流体和附着在集流体上的负极活性材料，所述集流体为泡沫金属，所述负极活性材料位于泡沫金属的孔隙内。
2.如权利要求1所述的一种高载量负极片，其特征是，所述负极片中负极活性材料的面密度为21.7~22.3 mg/cm2。
3.如权利要求1所述的一种高载量负极片，其特征是，所述负极片的压实密度为1.3~1.7g/cm3，厚度为158~162μm，载料量为21.7~22.3mg/cm2。
4.一种如权利要求1~3所述的一种高载量负极片的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）将负极活性物质以及导电剂分散在胶液中制成负极浆料；
（2）采用拉浆处理将步骤（1）中制得的负极浆料转移至泡沫金属上并加热制成预成型体；
（3）将步骤（2）中的预成型体依次进行辊压和模切制成高载量负极片。
5.如权利要求4所述的高载量负极片的制备方法，其特征是，步骤（1）中所述胶液中的溶剂选自去离子水和NMP中的一种或几种。
6.如权利要求4所述的高载量负极片的制备方法，其特征是，步骤（1）中所述负极浆料的粘度为2140~4130mPa•s。
7.如权利要求4所述的高载量负极片的制备方法，其特征是，步骤（2）中所述拉浆速度为0.25~0.30m/min，拉浆温度为120~140℃。
8.如权利要求4所述的高载量负极片的制备方法，其特征是，步骤（2）中所述泡沫金属的厚度为0.5~1mm，孔隙度110~120ppi。
9.如权利要求4所述的高载量负极片的制备方法，其特征是，所述泡沫金属选自泡沫铜和泡沫镍中的一种。
10.一种如权利要求1~3所述的高载量负极片的在制备锂电池中的应用。
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