CN117154354A - 一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法及其应用 - Google Patents

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CN117154354A CN202311421407.7A CN202311421407A CN117154354A CN 117154354 A CN117154354 A CN 117154354A CN 202311421407 A CN202311421407 A CN 202311421407A CN 117154354 A CN117154354 A CN 117154354A
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张继明
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Abstract

本申请提出了一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法及其应用，涉及钠离子电池负极片制备工艺技术领域。其制备方法包括以下步骤：负极配料、涂布、辊压分条和负极制片，其中负极涂布所用的集流体为铝箔，极耳为纯铝铝带，本申请采用铝箔作为钠离子电池的负极基材，钠与铝不会产生合金化学反应，电池的性能不仅不会受到影响，成本还降低了。改变极耳为纯铝铝带之后，能够采用超声焊接的方式将其与钢壳底部焊接，焊接面积增大，提高了焊接的稳定性以及降低内阻，提高电池的电化学性能，单个极耳的成本得以降低，设备生产效率高，产品合格率高。另外，本申请提供的钠离子电池负极片的制备方法在钠离子电池生产领域的应用同样具备这样的优势。

Description

一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法及其应用
技术领域
本申请涉及钠离子电池负极片制备工艺技术领域，具体而言，涉及一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法及其应用。
背景技术
钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐，相较于锂盐而言储量更丰富，价格更低廉。由于钠离子比锂离子更大，所以当对重量和能量密度要求不高时，钠离子电池是一种划算的替代品。与锂离子电池相比，钠离子电池具有的优势有：1）钠盐原材料储量丰富，价格低廉，采用铁锰镍正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一般，2）由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液降低成本，3）由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可以与磷酸铁锂电池相媲美，但是成本优势明显，有望在大规模储能中替代传统铅酸电池。
现有工艺中钠离子负极极耳均用铝转镍带或铝镍复合带，钠离子负极的极耳需要与负极极片以及钢壳底部进行焊接，目前采用的焊接技术为高频逆变直流焊机，进行极耳与钢壳底部焊接时，焊接面积小，因铝转镍带或铝镍复合带材质较硬，容易出现虚焊和漏焊等问题，并且效率低、不良率高、成本高，而不适用于钢壳钠电池，需要进行改进。
发明内容
本申请的目的在于提供一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，此方法能够解决现有技术钠离子电池负极极耳焊接不良容易出现残次品的问题。
本申请的另一目的在于提供一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法在钠离子电池生产领域的应用，用于提高钠离子电池的生产效率和降低生产成本。
本申请解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一方面，本申请实施例提供一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其包括以下步骤：
负极配料：把负极配料进行处理得到负极浆料，上述配料包括硬碳、羧甲基纤维素钠、导电炭黑、羧基丁苯乳胶、去离子水和甲基吡咯烷酮；
负极涂布：利用涂布装置将负极浆料转移到集流体上，上述集流体为铝箔；
辊压分条：对涂布好的铝箔经过连续辊压、分切大片、分条制得负极极极片；
负极制片：在负极极片上进行极耳点焊、极耳裁切、极耳包胶和极片收卷制得负极片，上述极耳为纯铝铝带，上述极耳用于与负极极片集流体留白处焊接。
另一方面，本申请实施例提供一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法在钠离子电池生产领域的应用，用于提高钠离子电池的生产效率和降低生产成本。
相对于现有技术，本申请的实施例至少具有如下优点或有益效果：
1、采用铝箔作为钠离子电池的集流体，因为钠与铝不会产生合金化学反应，电池的性能不仅不会受到影响，还可以大幅度降低生产成本。
2、现有技术中焊接极耳需要用到铝镍复合带或铝转镍带，负极极耳与钢壳底部链接采用高频逆变直流焊接方法，焊接面积在1.0-1.5mm，焊接面积小，容易出现虚焊、漏焊等现象，并且成本较高，通过调整极耳材质为纯铝铝带，极耳与钢壳底部焊接方法调整为超声焊接，焊接面积增大到2.5mm，提高了焊接的稳定性的同时提高了电池的电性能，内阻会降低2-3毫欧，单个极耳的成本能够降低70%左右，极大节约了生产成本，而且设备的生产效率能够提升20%左右，产品合格率提高约2%，缩短生产时间。
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，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本申请。
本申请实施例提供一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其包括以下步骤：负极配料：把负极配料进行处理得到负极浆料，上述配料包括硬碳、羧甲基纤维素钠、导电炭黑、羧基丁苯乳胶、去离子水和甲基吡咯烷酮；负极涂布：利用涂布装置将负极浆料转移到集流体上，上述集流体为铝箔；辊压分条：对涂布好的铝箔经过连续辊压、分切大片、分条制得负极极极片；负极制片：在负极极片上进行极耳点焊、极耳裁切、极耳包胶、和极片收卷之后制得负极片，上述极耳为纯铝铝带，上述极耳用于与负极极片集流体留白处焊接。
在本申请的一些实施例中，上述负极配料中包括以下重量百分比的配料：94.4%硬碳、1.6%羧甲基纤维素钠、1.5%导电炭黑、2.5%羧基丁苯乳胶；溶剂用42%去离子水和1.5%甲基吡咯烷酮，固含量40%-43%。
在钠离子电池中，负极材料起着负载和释放钠离子的重要作用，其直接影响电池整体的动力学性能，由于钠离子的原子半径较大，钠离子无法在石墨负极材料处进行高效率的脱嵌，因此，本申请以硬碳作为负极材料，利用相应配合的分散剂和粘结剂制成，硬碳材料具有较大的层间距离和较多的晶格缺陷，为钠离子提供丰富的位点，具有较高的可逆容量，另外固含量和浆料粘度密切相关，浆料固含量越高，粘度越大，反之亦然，但在一定范围内，粘度过大会造成涂布容易出现划痕，因此，采用以上分散剂和粘合剂配成比例加以合适的固含量能够得到稳定性好的浆料；导电剂种类众多，加入1.5%的导电炭黑，具有高的比较面积，用于提高电子传输速率。
在本申请的一些实施例中，上述负极涂布环境条件为：温度25±5℃，湿度≤50%RH，辊压分条环境条件为：温度25±5℃，湿度≤50%RH，负极制片环境条件为：温度25±5℃，湿度≤50%RH。
作业工序中环境温度对负极材料具有重要影响，温度达不到会影响负极材料的成分指标，影响下游使用，负极片的制造需要经过涂布、辊压、分切和烘烤才能卷绕入壳，这些工序需要在车间完成，车间湿度对极片的性能有极大影响，环境湿度越大，电池材料越容易吸收空气中的水分。因此采用以上温度和湿度参数有利于生产正常进行。
在本申请的一些实施例中，上述负极配料步骤中对配料依次采用打胶、分散导电剂、分散活性物质和分散乳胶处理制备成负极浆料；上述打胶方式为：加入去离子水和羧甲基纤维素钠，以公转25rpm/min分散600rpm/min的速度混合20min之后，以公转35rpm/min分散1800rpm/min的速度搅拌120min，直至胶液成透明状态；上述分散导电剂的方式为：向胶液中加入导电炭黑，以公转25rpm/min分散600rpm/min的速度混合20min之后，以公转35rpm/min分散1800rpm/min的速度搅拌120min，得到第一混合物；上述分散活性物质的方式为：向第一混合物中加入硬碳和甲基吡咯烷酮，以公转25rpm/min分散600rpm/min的速度混合20min之后，以公转35rpm/min分散1800rpm/min的速度搅拌180min，直至其中颗粒度≤25μm，得到第二混合物；上述分散乳胶的方式为：向第二混合物中加入羧基丁苯乳胶，以公转25rpm/min分散1200rpm/min的速度混合60min，制得负极浆料。
通过以上方法制备得到负极浆料，用于涂布得到的粘性适中，而且用于负极涂布，具有较好的韧性，稳定性也好，用于涂布后辊压时不容易出现掉粉、漏箔等现象。
在本申请的一些实施例中，上述负极浆料制备过程温度控制在10-45℃。
负极浆料的制备包括液体与液体、液体与固体物料之间的相互混合、溶解、分散等一系列工艺过程，这个过程中伴随着温度、粘度、环境的变化，将负极浆料制备时的温度控制在10-45℃，可以避免团聚的发生，有利于浆料稳定。
在本申请的一些实施例中，上述浆料制备完成时，制备得到的浆料粘度在2500-3800mPa.s的粘度范围内。
负电极浆料需要稳定且恰当的粘度，这对于极片涂布工序具有至关重要的影响，粘度过高或过低都不利于极片涂布，粘度高的浆料不容易沉淀，分散性好，但是过高的粘度，不利于流平效果，粘度过低流动性虽好，但是干燥困难，降低涂布的干燥效率，还容易发生涂层龟裂，浆料颗粒团聚，面密度不一致等问题，因此采用上述粘度范围有助于避免上述问题。
在本申请的一些实施例中，上述负极涂布步骤中，上述铝箔的规格为厚0.015±0.002mm，宽657±1.0mm，面密度4.04±0.1mg/cm²，上述涂布单面面密度为7.06±0.01mg/cm2。
集流体采用上述规格能够满足涂布条件也便于焊接极耳和卷绕成型；极片涂布是指将搅拌好的浆料均匀地涂覆于集流体上，并将浆料中的有机溶剂进行烘干的一种工艺，其中涂布面密度与电池性能密切相关，若涂布面密度太小，则电池容量可能达不到标称容量，若面密度太大，则容易造成配料浪费。因此涂布面密度在上述范围能够保证电池性能保证良好。
在本申请的一些实施例中，待涂布步骤之后的浆料烘干后，进行辊压、分条，涂布烘烤温度在90-125℃，辊压压实密度为1.1g/cm3，负极极片宽度为59±0.1mm。
负极极片宽度、厚度以及与极耳的接触成都均匀影响电子阻抗，因此为了保证极耳随后与钢壳焊接的宽度，需要保证负极极片宽度足够。
在本申请的一些实施例中，上述负极制片过程中，极耳的宽度4mm，极耳厚度0.1-0.2mm，铝带长度55±1mm，极耳总长55±0.1mm，胶纸总长60±0.5mm，极耳点焊位置总长42±1mm，胶纸外露0.5±0.1mm，极耳外露12.5±0.5mm。
采用以上参数焊接的极耳相对现有技术中的极耳具有稳定性好，焊接面积大的特点。
在本申请的一些实施例中，上述采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法在钠离子电池生产领域的应用。
将本申请提供的采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法应用于钠离子电池生产领域中能够用于提高钠离子电池的生产效率和降低生产成本。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法和应用于生产18650-600mAh型号钠离子电池的情况。
其中，采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法包括以下步骤：
负极配料：把负极配料进行处理得到负极浆料，负极浆料制备过程温度控制在10-45℃。
配料：1.活性物质（硬碳）：94.4%；2.CMC（羧甲基纤维素钠）：1.6%；3.S-P（导电炭黑）：1.5%；4.SBR（羧基丁苯乳胶）2.5%；5.去离子水：42%；6.NMP（甲基吡咯烷酮）：1.5%，7.固含量43%。
配料方法：
1.打胶：①加入75%去离子水和100%CMC；②搅拌速度：公转25（rpm/min）分散600（rpm/min），低速混合20min；③然后高速搅拌，公转35（rpm/min）分散1800（rpm/min），搅拌120min，胶液成透明状态；
2.分散导电剂:①加入100%S-P，②搅拌速度：公转25（rpm/min）分散600（rpm/min），低速混合20min；③然后高速搅拌，公转35（rpm/min）分散1800（rpm/min），搅拌120min；
3.分散活性物质；①加入100%硬碳和100NMP，②搅拌速度：公转25（rpm/min）分散600（rpm/min），低速混合20min；③然后高速搅拌，公转35（rpm/min）分散1800（rpm/min），搅拌180min，浆料颗粒度≤25um；
4.分散乳胶：①加入100%SBR，②搅拌速度：公转25（rpm/min）分散1200（rpm/min），低速混合60min，
浆料制备完成，测试浆料粘度3000mPa.s，然后转入涂布工序。
负极涂布：负极涂布环境条件为：温度25℃，湿度≤50%RH，利用涂布装置将负极浆料转移到集流体上，上述集流体为铝箔，待涂布步骤之后的浆料烘干后，涂布烘干温度在90℃，负极极片宽度为59±0.1mm；铝箔的规格为厚0.015±0.002mm，宽657±1.0mm，面密度4.04±0.1mg/cm²，涂布单面面密度为7.06±0.01mg/cm2。
辊压分条：辊压分条环境条件为：温度25℃，湿度≤50%RH，对涂布好的铝箔经过连续辊压、分切大片、分条制得负极极片，辊压压实密度为1.1g/cm3；
负极制片：负极制片环境条件为：温度25℃，湿度≤50%RH。在负极极片上进行极耳点焊、极耳裁切、极耳包胶和极片收卷之后制得负极片，负极制片过程中，极耳的宽度4mm，极耳厚度0.1-0.2mm，铝带长度55±1mm，极耳总长55±0.1mm，胶纸总长60±0.5mm，极耳点焊位置总长42±1mm，胶纸外露0.5±0.1mm，极耳外露12.5±0.5mm。极耳为纯铝铝带，极耳用于与负极极片集流体留白处焊接。
将上述制备的负极片和正极片，通过卷绕设备，将正极片和负极片、隔膜，卷成圆柱体，然后与电池钢壳装配在一起，将卷芯负极极耳端与钢壳底部，通过超声设备焊接在一起，正极端通过超声设备与正极盖板焊接在一起，然后经过85度烘烤24小时后，向电池内部真空注入电解液，经过封口后得到半成品电池，然后对半成品电池进行充放电处理最终得到钠离子电池。
实施例2
本实施例提供一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法和应用于生产18650-600mAh型号钠离子电池的情况。
其中，采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法包括以下步骤：
负极配料：把负极配料进行处理得到负极浆料，负极浆料制备过程温度控制在10-45℃。
配料：1.活性物质（硬碳）：94.4%；2.CMC（羧甲基纤维素钠）：1.6%；3.S-P（导电炭黑）：1.5%；4.SBR（羧基丁苯乳胶）2.5%；5.去离子水：42%；6.NMP（甲基吡咯烷酮）：1.5%，7.固含量40%。
配料方法：
1.打胶：①加入75%去离子水和100%CMC；②搅拌速度：公转25（rpm/min）分散600（rpm/min），低速混合20min；③然后高速搅拌，公转35（rpm/min）分散1800（rpm/min），搅拌120min，胶液成透明状态；
2.分散导电剂:①加入100%S-P，②搅拌速度：公转25（rpm/min）分散600（rpm/min），低速混合20min；③然后高速搅拌，公转35（rpm/min）分散1800（rpm/min），搅拌120min；
3.分散活性物质；①加入100%硬碳和100NMP，②搅拌速度：公转25（rpm/min）分散600（rpm/min），低速混合20min；③然后高速搅拌，公转35（rpm/min）分散1800（rpm/min），搅拌180min，浆料颗粒度≤25um；
4.分散乳胶：①加入100%SBR，②搅拌速度：公转25（rpm/min）分散1200（rpm/min），低速混合60min，
浆料制备完成时，测试浆料粘度3800mPa.s，然后转入涂布工序。
负极涂布：负极涂布环境条件为：温度30℃，湿度≤50%RH，利用涂布装置将负极浆料转移到集流体上，上述集流体为铝箔，待涂布步骤之后的浆料烘干后，涂布烘干温度在125℃，负极极片宽度为59±0.1mm；铝箔的规格为厚0.015±0.002mm，宽657±1.0mm，面密度4.04±0.1mg/cm²，涂布单面面密度为7.06±0.01mg/cm2。
辊压分条：辊压分条环境条件为：温度30℃，湿度≤50%RH，对涂布好的铝箔经过连续辊压、分切大片、分条制得负极极片，辊压压实密度为1.1g/cm3；
负极制片：负极制片环境条件为：温度30℃，湿度≤50%RH。在负极极片上进行极耳点焊、极耳裁切、极耳包胶和极片收卷之后制得负极片，负极制片过程中，极耳的宽度4mm，极耳厚度0.1-0.2mm，铝带长度55±1mm，极耳总长55±0.1mm，胶纸总长60±0.5mm，极耳点焊位置总长42±1mm，胶纸外露0.5±0.1mm，极耳外露12.5±0.5mm。极耳为纯铝铝带，极耳用于与负极极片集流体留白处焊接。
将上述制备的负极片和正极片，通过卷绕设备，将正极片和负极片、隔膜，卷成圆柱体，然后与电池钢壳装配在一起，将卷芯负极极耳端与钢壳底部，通过超声设备焊接在一起，正极端通过超声设备与正极盖板焊接在一起，然后经过85度烘烤24小时后，向电池内部真空注入电解液，经过封口后得到半成品电池，然后对半成品电池进行充放电处理最终得到钠离子电池。
试验例
将含有传统的铝转镍带极耳的电芯以及含有纯铝铝带极耳的电芯进行对比，结果如表1所示：
表1试验对比铝转镍带极耳和纯铝铝带极耳的电芯
分析以上结果发现，换成纯铝铝带的极耳之后，电芯内阻会降低2-3毫欧，提高了电芯的电性能。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

Claims (10)

1.一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤；
负极配料：把负极配料进行处理得到负极浆料，所述配料包括硬碳、羧甲基纤维素钠、导电炭黑、羧基丁苯乳胶、去离子水和甲基吡咯烷酮；
负极涂布：利用涂布装置将负极浆料转移到集流体上，所述集流体为铝箔；
辊压分条：对涂布好的铝箔经过连续辊压、分切大片、分条制得负极极极片；
负极制片：在负极极片上进行极耳点焊、极耳裁切、极耳包胶和极片收卷之后制得负极片，所述极耳为纯铝铝带，所述极耳用于与负极极片集流体留白处焊接。
2.根据权利要求1所述的一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其特征在于，负极配料中包括以下重量百分比的配料：94.4%硬碳、1.6%羧甲基纤维素钠、1.5%导电炭黑、2.5%羧基丁苯乳胶；溶剂用42%去离子水和1.5%甲基吡咯烷酮，固含量40%-43%。
3.根据权利要求1所述的一种采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其特征在于，负极涂布环境条件为：温度25±5℃，湿度≤50%RH，辊压分条环境条件为：温度25±5℃，湿度≤50%RH，负极制片环境条件为：温度25±5℃，湿度≤50%RH。
4.根据权利要求1所述的采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其特征在于，所述负极配料步骤中对配料依次采用打胶、分散导电剂、分散活性物质和分散乳胶处理制备成负极浆料；
所述打胶方式为：加入去离子水和羧甲基纤维素钠，以公转25rpm/min分散600rpm/min的速度混合20min之后，以公转35rpm/min分散1800rpm/min的速度搅拌120min，直至胶液成透明状态；
所述分散导电剂的方式为：向胶液中加入导电炭黑，以公转25rpm/min分散600rpm/min的速度混合20min之后，以公转35rpm/min分散1800rpm/min的速度搅拌120min，得到第一混合物；
所述分散活性物质的方式为：向第一混合物中加入硬碳和甲基吡咯烷酮，以公转25rpm/min分散600rpm/min的速度混合20min之后，以公转35rpm/min分散1800rpm/min的速度搅拌180min，直至其中颗粒度≤25μm，得到第二混合物；
所述分散乳胶的方式为：向第二混合物中加入羧基丁苯乳胶，以公转25rpm/min分散1200rpm/min的速度混合60min，制得负极浆料。
5.根据权利要求4所述的采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其特征在于，负极浆料制备过程温度控制在10-45℃。
6.根据权利要求4所述的采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其特征在于，所述浆料制备完成时，制备得到的浆料粘度在2500-3800mPa.s的粘度范围内。
7.根据权利要求1所述的采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其特征在于，所述负极涂布步骤中，所述铝箔的规格为厚0.015±0.002mm，宽657±1.0mm，面密度4.04±0.1mg/cm²，所述涂布单面面密度为7.06±0.01mg/cm2。
8.根据权利要求1所述的采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其特征在于，待涂布步骤之后的浆料烘干后进行辊压、分条，所述烘干温度为90-125℃，辊压压实密度为1.1g/cm3，负极极片宽度为59±0.1mm。
9.根据权利要求1所述的采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法，其特征在于，负极制片过程中，极耳的宽度4mm，极耳厚度0.1-0.2mm，铝带长度55±1mm，极耳总长55±0.1mm，胶纸总长60±0.5mm，极耳点焊位置总长42±1mm，胶纸外露0.5±0.1mm，极耳外露12.5±0.5mm。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的采用铝带极耳的钠离子电池负极片的制备方法在钠离子电池生产领域的应用。
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