CN117525414A - 一种电极及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电极及其制备方法和应用。所述电极含有集流体和复合于所述集流体两侧的电极片；电极片由含有正极活性材料、多孔添加剂、导电剂和聚四氟乙烯粘结剂的电极材料辊压得到；多孔添加剂选自沸石、金属有机框架材料中的至少一种。在正极活性层中掺入多孔添加剂，该方法制成的电极强度高，比表面积大，添加剂的多孔结构不仅有助于构筑三维导电网络，还可以增强极片的浸润性，避免了厚极片导电性不好，接触不良等问题。通过引入含锂添加剂，还有补锂的作用，从而提高电池的首效、能量密度及循环寿命。
Description
技术领域
本申请涉及一种电极及其制备方法和应用，属于锂电池领域。
背景技术
新能源汽车市场规模的高速增长有力的带动了市场对动力电池需求的增长，市场规模的扩张。目前锂电池是动力电池主流，锂电池作为一种可充放电的二次电池，主要有正负极，电解质，隔膜等主要部分组成，其中电极作为锂电池的主要组成部分，深刻影响着电池的性能。目前，锂电池电极的主流生产技术是湿法涂布技术，但湿法涂布技术存在以下缺点。1)能源浪费：在年产100万电池的生产线上，20.5Ah、3.7V锂离子电池的涂膜和干燥过程能耗约为总能耗的51％。2)成本和环境污染高：电极浆料混合过程需要使用大量N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，NMP有毒且价格昂贵，在大规模生产过程中，必须建立回收装置来收集和再处理蒸发的NMP。3)电极分层：在溶剂蒸发过程中，粘结剂和导电剂会在电极表面附近形成团聚，这会导致电极分层，损害电极中导电网络的构建，并降低活性材料和集流体之间的结合强度。4)电极厚度有限：湿法涂布技术制造的电极存在裂纹、分层和柔韧性差等问题，尤其是在制备厚电极时，这些问题会被放大。
针对上述湿法电极工艺的缺陷，电极干法制备技术越来越受到人们的关注。电极干法制备技术不仅可以节省电池的生产成本，并且在很大程度上减少了对环境的污染，更重要的是提升了电池的寿命以及能量密度，因此开发绿色、节能的动力电池电极干式制备技术与智能化生产技术成为新的挑战。
CN202211734982.8公开了一种干法极片的制备方法，其首先将电极活性物质、导电剂和粘结剂混合后，得到纤维化的混合物，再通过静电喷涂的方式，将所述混合物与集流体复合，辊压后得到干法极片。CN202110488312.1通过喷淋方法，将混合物与集流体复合。静电喷涂及喷淋方法，都可以使混合物均匀复合在集流体上，但是这种方法连续生产存在难度，目前湿法工艺中的设备也无法继续使用，造成浪费。CN202210383136.X公开了一种压延成膜的方法，粉料纤维化后，通过辊压机，直接减薄成膜，收放成卷。该发明向干法制备原料中加入热塑性高分子添加剂，提高集流体与干法膜片间的粘结性。此方法虽然对干法工艺技术提高起到了一定的作用，但是对于干法极片，其厚度大，压实密度高，孔隙率低，尽管极片与集流体的粘结性增强，极片的导电性和稳定性仍然得不到解决。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种含多孔添加剂的干法电极片及其制备方法和应用，该方法制成的电极强度高，比表面积大，添加剂的多孔结构不仅有助于构筑三维导电网络；还可以增强极片的浸润性；含锂沸石还有补锂的作用，从而提高电池的首效、能量密度及循环寿命。
根据本申请的一个方面，提供了一种电极，所述电极含有集流体和复合于所述集流体两侧的电极片；
所述电极片由含有正极活性材料、多孔添加剂、导电剂和聚四氟乙烯粘结剂的电极材料辊压得到；
所述多孔添加剂选自沸石、金属有机框架材料中的至少一种。
所述沸石选自LiX、NaX、Z5中的至少一种；
所述金属有机框架材料选自ZIF-8、UiO-66中的至少一种。
所述正极活性材料选自磷酸铁锂、NCM三元材料、富锂锰基材料中的至少一种；
所述导电剂选自super P、科琴黑、多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、碳纳米纤维中的至少一种；
所述集流体选自铝箔、不锈钢网、泡沫镍中的至少一种。
所述电极材料中，所述正极活性材料、多孔添加剂、导电剂、聚四氟乙烯粘结剂的质量比为70～95：1～10：1～10：1～10。
根据本申请的另一个方面，提供一种上述的电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)将含有正极活性材料、多孔添加剂、导电剂和聚四氟乙烯粘结剂的原料混合，拉丝成纤维化状，辊压I，得到电极片；
(2)将(1)中得到的电极片与集流体堆叠，由一侧至另一侧顺序为电极片-集流体-电极片，辊压II，得到所述电极。
所述辊压I的温度为20～140℃；
所述辊压I的速度为3～10rpm；
所述电极片的厚度为90～300μm。
根据本申请的另一个方面，提供一种上述的电极的应用，用于锂离子电池。
本申请能产生的有益效果包括：
本发明提供了一种含多孔添加剂的干法电极片，在正极活性层中掺入多孔添加剂，该方法制成的电极强度高，比表面积大，添加剂的多孔结构不仅有助于构筑三维导电网络，还可以增强极片的浸润性，避免了厚极片导电性不好，接触不良等问题。通过引入含锂添加剂，还有补锂的作用，从而提高电池的首效、能量密度及循环寿命。
附图说明
图1所示为实施例1制备的干法电极极片的扫描电镜图片，尺度为1μm。
图2为实施例1中，干法与湿法工艺制备的NCM811材料用于锂离子电池的电化学充放电曲线比较。
图3为实施例2所制得的加入添加剂前后接触角测试对比。
图4为实施例2中，加入添加剂前后的锂离子电池的循环性能对比。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
实施例1
(1)材料混合
将NCM811、导电炭黑C65、添加剂LiX、PTFE按配比为80：5：10：5混合，得到纤维化程度较高的混合粉末。
(2)辊压减薄
将粉末经过多次辊压减薄，辊压温度为60℃，辊压速度8rpm，最终得到极片厚度为120微米，扫描电镜如图1所示，可观察到明显的网络结构。
(3)与集流体复合
将极片复合在铝箔的两面，辊压后制成电极。
图2为实施例1所制得得电极用于锂离子电池时的电化学充放电曲线，与湿法性能相比，面容量更高，首次充放电效率更高。干法工艺制备的极片，理论能量密度可达300Wh/kg。
实施例2
(1)材料混合
将NCM811、导电炭黑C65、添加剂UiO-66MOF、PTFE按配比为85：5：5：5混合，得到纤维化程度较高的混合粉末。
(2)辊压减薄
将粉末经过多次辊压减薄，辊压温度为25℃，辊压速度12rpm，最终得到极片厚度为98微米。图3为实施例2所制得得电极的接触角测试，加入添加剂后，极片接触角减小，说明极片对电解液的浸润性加强，从而增强循环稳定性。
(3)与集流体复合
将极片复合在泡沫镍的两面，辊压后制成电极。图4为实施例2所制得得电极用于锂离子电池时的循环曲线，加入添加剂后，比容量及循环性能更加优异。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (8)
1.一种电极，其特征在于，
所述电极含有集流体和复合于所述集流体两侧的电极片；
所述电极片由含有正极活性材料、多孔添加剂、导电剂和聚四氟乙烯粘结剂的电极材料辊压得到；
所述多孔添加剂选自沸石、金属有机框架材料中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，
所述沸石选自LiX、NaX、Z5中的至少一种；
所述金属有机框架材料选自ZIF-8、UiO-66中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，
所述电极片的厚度为90～300μm。
4.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，
所述正极活性材料选自磷酸铁锂、NCM三元材料、富锂锰基材料中的至少一种；
所述导电剂选自super P、科琴黑、多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、碳纳米纤维中的至少一种；
所述集流体选自铝箔、不锈钢网、泡沫镍中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，
所述电极材料中，所述正极活性材料、多孔添加剂、导电剂、聚四氟乙烯粘结剂的质量比为70～95：1～10：1～10：1～10。
6.一种权利要求1～5任一项所述的电极的制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
(1)将含有正极活性材料、多孔添加剂、导电剂和聚四氟乙烯粘结剂的原料混合，辊压I，得到电极片；
(2)将(1)中得到的电极片与集流体堆叠，由一侧至另一侧顺序为电极片-集流体-电极片，辊压II，得到所述电极。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述辊压I的温度为20～140℃；
所述辊压I的速度为3～10rpm。
8.一种权利要求1～5任一项所述的电极的应用，其特征在于，
用于锂离子电池。
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