CN118412428A - 一种端面为陶瓷涂层的电池极片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种端面为陶瓷涂层的电池极片及其制备方法，属于锂离子电池制造技术领域。本发明在金属箔材上涂布活性物质，干燥后进行辊压分切，得到极片；对所得极片进行极耳模切，对极耳切断区的三个面涂布陶瓷涂层，得到端面为陶瓷涂层的电池极片。通过对极耳成型后极耳切断区的三面(上表面、下表面和侧面)进行喷涂陶瓷涂层，避免辊压过程中因为陶瓷涂层的存在影响箔材拉伸效果导致的箔材波浪边不良，防止电池在充放电过程中及针刺、挤压等极限条件下切割面尖端放电造成的内部短路而提高电池的安全性。

Description

一种端面为陶瓷涂层的电池极片及其制备方法

技术领域

本发明属于锂离子电池制造技术领域，具体涉及一种端面为陶瓷涂层的电池极片及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

锂离子动力电池，具有低成本、高能量密度、长循环寿命等优异性能，被广泛推广并运用于新能源汽车领域，但是锂离子动力电池安全性能要求极高，特别是过充及针刺性能需要进一步改进才能满足安全性能要求。常见的安全性能改进方法包括电芯极片结构改进。比如在极片表面涂覆氧化铝类电子隔离、离子导通的陶瓷涂层。专利CN 107681117A公开了一种涂有陶瓷浆料的锂离子电池极片及其制备工艺，其在极片表面涂布活性材料，在活性材料涂层的侧部涂敷陶瓷涂层。极片制作过程如图1所示，在极片表面涂布活性物质，在活性物质的边缘涂布陶瓷涂层，干燥。但发明人发现在实际生产过程中，所得极片依旧存在安全隐患。具体的，在辊压过程中，因为陶瓷涂层的存在，箔材的拉伸效果难以控制，波浪边状况严重。在极耳成型工序中，极耳模切时，切除部分陶瓷涂层，导致断面漏出极片箔材，无陶瓷涂层防护，加工成的电池存在尖端放电风险。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种端面为陶瓷涂层的电池极片及其制备方法，本发明提供的电池极片提高了电池的安全性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

本发明的第一个方面，提供一种端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，包括如下步骤：

在金属箔材上涂布活性物质，干燥后进行辊压分切，得到极片；

对所得极片进行极耳模切，对极耳切断区的三个面涂布陶瓷涂层，得到端面为陶瓷涂层的电池极片。

在本发明的一些实施例中，采用五金/激光成型的方式对所得极片进行极耳模切。

在本发明的一些实施例中，极耳模切结束后，沿极卷走带方向，清除极耳加工成型过程中形成的毛刺熔珠，再涂布陶瓷涂层。

在本发明的一些实施例中，采用超声波除尘装置清除极耳加工成型过程中形成的毛刺熔珠。

在本发明的一些实施例中，采用喷涂的方式在极耳切断区的三个面涂布陶瓷涂层；

所述三个面为上表面、下表面和侧面。

在本发明的一些实施例中，采用两个喷涂装置对极耳切断区的三个面喷涂陶瓷涂层，两个喷涂装置分别设置在极耳切断区的上部和下部；

所述喷涂装置的喷涂角度为0～90°，喷涂宽度为1～10mm。

在本发明的一些实施例中，陶瓷涂层的宽度为2～8mm，厚度为5～100μm，极耳上陶瓷涂层溢出范围≤1mm。

在本发明的一些实施例中，陶瓷涂层涂布结束后，对陶瓷涂层进行烘烤，去除溶剂，使陶瓷涂层粘附在极耳切断区的三个面上。

本发明的第二个方面，提供一种端面为陶瓷涂层的电池极片，所述电池极片通过如第一个方面所述的制备方法制得。

在本发明的一些实施例中，所述电池极片包括金属箔材，涂布于金属箔材表面的活性物质涂层和陶瓷涂层；所述金属箔材分为极耳、涂覆区和极耳切断区，极耳表面未涂覆涂层，涂覆区的金属箔材表面涂覆活性物质涂层；极耳切断区位于涂覆区的边缘，且与涂覆区相接，极耳切断区的金属箔材的上表面、下表面和端面涂覆陶瓷涂层。

本发明的有益效果为：

本发明实施例提供的一种端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法简单、高效。通过对极耳成型后极耳切断区的三面(上表面、下表面和侧面)进行喷涂陶瓷涂层，避免辊压过程中因为陶瓷涂层的存在影响箔材拉伸效果导致的箔材波浪边不良，防止电池在充放电过程中及针刺、挤压等极限条件下切割面尖端放电造成的内部短路而提高电池的安全性。

且本发明实施例在涂布陶瓷涂层时，对极耳成型后的端面先进行超声波除尘，去除大颗粒熔珠毛刺，规避大颗粒熔珠毛刺产生的尖端放电的风险。

因极耳成型过程中，若极耳上陶瓷宽层宽度过大，在极耳焊接过程中，陶瓷层越宽，极耳箔材与陶瓷层交界处断裂风险越大。本发明实施例在极片制备过程中，限定了极耳上陶瓷涂层溢出范围≤1mm，降低极耳箔材与陶瓷层交界处断裂风险。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为现有技术中正极极片生产工艺流程；

图2为本发明实施例1中正极极片生产工艺流程；

图3为本发明实施例中模切工序前后极片状态图；

图4为本发明实施例1中陶瓷喷涂工艺示意图；

图5为本发明实施例1所得端面为陶瓷涂层的电池极片的端面效果示意图。

其中，1-涂覆区，2-空箔区，3-极耳，4-极耳切断区，5-超声波除尘装置，6-陶瓷喷涂装置，7-红外线烘烤装置，8-陶瓷涂层。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式做进一步的详细描述。

图1是相关技术中正极极片的生产工艺流程图。如图1所示，在正极涂布工序，在正极箔材表面涂布活性物质后，在活性物质的边缘涂布陶瓷涂层。极片在涂布干燥完成后，活物质与箔材的玻璃强度很低，此时需要对其进行辊压，增强活物质与箔材的粘接强度，以防在电解液浸泡、电池使用过程中剥落。辊压分切结束后，所得正极极片采用五金/激光方式进行极耳模切，得到带极耳的正极极片。

需要说明的是，相关技术中，辊压过程是将涂布完成的极片固定于放卷机构后，将极片正确穿过双辊间隙并连接收卷系统。开启辊压模式后，电机带动上下辊同时转动，收卷机构拉动极片将稳步穿过辊压间隙，最终被压到所需压实密度。在辊压过程中，因为陶瓷涂层的存在，箔材的拉伸效果难以控制，波浪边状况严重。具体的，当极片在辊压的过程中，活性物质之间相互挤压，并对金属箔材施加了一定的压力，产生一定的延展。在辊压时，陶瓷涂层涂覆的部分没有发生延展，而有活性物质的极片在辊压力作用下产生延展，延展不一在外观上形成箔带边缘的波浪形皱褶。且在极耳成型工序中，无论是采用激光成型还是五金成型的方式进行极耳模切，均会切除部分陶瓷涂层覆盖的金属箔材，使得极耳切除断面露出金属箔材，无陶瓷涂层防护，加工成电池后存在尖端放电风险。

图2为本发明实施例提供的正极极片生产工艺流程图。参考图2可知，本实施例提供了一种端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，该制备方法用于制备端面为涂层的电池极片，端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法包括：

在金属箔材上涂布活性物质，干燥后进行辊压分切，得到极片；

对所得极片进行极耳模切，对极耳切断区的三个面涂布陶瓷涂层，得到端面为陶瓷涂层的电池极片。

电池制备过程中的前序工段制片工艺一般包括五个步骤，依次为制浆、涂布、辊压、分切和模切。本实施例调整了陶瓷涂层的喷涂工序，将其从涂布调整至模切后。本发明实施例通过在极耳成型后对切割区域的三面进行喷涂陶瓷涂层，避免辊压过程中因陶瓷涂层的存在影响箔材拉伸效果导致的箔材波浪边不良，同时对加工区域形成的箔材表面及含有小颗粒熔珠毛刺等的切割面表面涂布陶瓷涂层，规避切割面尖端放电的风险，防止电池在充放电过程中及针刺、挤压等极限条件下切割面尖端放电造成的内部短路而提高电池的安全性。

进一步的，端面露出金属箔材的极片(即采用图1的方法生产的极片)进行二次喷涂陶瓷，达到加工区域三面防护的目的，提高电池的安全性，操作步骤繁琐，增加生产成本。本实施例通过依次喷涂就能实现加工区域的三面防护，生产效率高，所得极片良品率高。

以下对本实施例提供的端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法进行详细的描述：

可以理解的，在金属箔材上涂布活性物质中，活性物质是在制浆工序中制得的。制浆是将活性物质粉体、粘结剂、导电剂等和溶剂按照一定顺序和条件混合均匀制成稳定悬浮液的过程。电池的浆料分为正极浆料和负极浆料，正极浆料涂布在正极箔材表面，负极浆料涂布在负极箔材表面。

可以理解的，本实施例对活性物质的组成不作要求，按照生产要求选定的组分混合制备即可。且本实施例对金属箔材的种类没有要求，按照生产要求选定相应的箔材即可，例如，铜箔、铝箔、锌箔、镍箔、钛箔、铜集流体、铝集流体等等。

可以理解的，在金属箔材上涂布活性物质中，所述涂布是将活性物质均匀涂布于金属箔材幅面上，然后干燥成膜的过程。涂布工序的执行质量深刻影响成片电池的一致性、安全性、寿命周期等，所以常采用涂布机进行涂布。所述涂布机的工作流程如下：根据浆料参数调节泵速，同时通过挤压头垫片厚度及均匀性控制挤压头腔体压力调节控制涂层厚度，使浆料均匀涂布在金属箔材上，通过烘箱干燥加热除去平铺于基材上的浆料溶剂，使固体物质很好地粘接于金属箔材上分别制成正、负极的极片卷。本实施例对涂布机的参数不作要求，按实际生产要求设定，能够将活性物质均匀涂布于金属箔材幅面上即可。

进一步的，涂布时极片烘干过程是影响极片性能的重要因素。极片的干燥过程和涂布过程各自独立，又相互联系。涂层的性质影响干燥工艺的设计和操作，涂布速度、涂层的厚度决定干燥长度，干燥过程中涂层有流平过程，影响涂层的均匀性。温度影响极片烘干。为得到均匀分布的、多孔的活性物质层和陶瓷涂层，一般在浆料涂覆完毕后统一进行干燥，避免多次干燥影响涂层的形貌与均匀性。

可以理解的，为了提高电池极片表面材料的密度及厚度的一致性，正负极片在涂布工序之后须进行辊压，此工序称为电池极片的辊压。通过辊压使活性物质与金属箔材接触紧密，减小电子的移动距离，降低极片的厚度，提高装填量，同时降低电池内阻提高电导率，提高电池体积利用率从而提高电池容量。目前电池厂家均使用二辊辊压机(即双辊压机)辊压极片。两工作辊之间间隙可调，以满足不同的辊压要求。完整的辊压过程是将涂布完成的极片，固定于放卷机构后，将极片正确穿过双辊间隙，并连接收卷系统。开启辊压模式后，电机带动上下辊同时转动，收卷机构拉动极片将稳步穿过辊压间隙，最终被压到所需压实密度。

可以理解的，分切是根据工艺和来料尺寸，使用分切机将膜卷切成多个尺寸相同的卷料，将极片切成设计的宽度，从而达到电芯尺寸要求。且模切跟分切前后顺序不一定，也有模切和分切同时进行的。

可以理解的，模切是将极片通过成型刀模或激光的剪切，形成特定形状和规格的极耳和极耳间距。图3为本实施例产品模切前后的状态图。模切前，涂布了活性物质的极片的包括涂覆区1和空箔区2，切除部分空箔区2后，所得极片包括涂覆区1、极耳3和极耳切断区4。极耳切断区4为模切后，除极耳3外剩余的空箔区2。

可选的，采用五金/激光方式对所得极片进行极耳模切。

可以理解的，五金或激光成型为极耳模切的常规方法。模切方式上，卷绕工艺常采用双边五金或者激光模切方式，模切完成后分切收卷，以卷料形式流向芯包成型工序；叠片工艺大多采用单边五金或者激光模切方式，模切后以片状物料流向芯包成型工序。模切过程中，卷绕的模切极耳间距不等，内圈间距小，外圈间距大，极耳的间距依据卷绕每圈的周长差进行设计，以保证卷绕后的极组极耳落在同一位置；叠片的极耳是等间距的。冲切位置上，卷绕会根据电芯要求，在片长位置设置Mark孔定位，在检测到Mark孔时进行切断；叠片由于极耳间距相同，可进行等间距切断。

可选的，极耳模切结束后，沿极卷走带方向，清除极耳加工成型过程中形成的毛刺熔珠，再涂布陶瓷涂层。清除毛刺熔珠，使得切割面光滑、平整，有利于规避切割面尖端放电的风险，防止电池在充放电过程中及针刺、挤压等极限条件下切割面尖端放电造成的内部短路而提高电池的安全性。

可选的，可采用超声波除尘装置清除极耳加工成型过程中形成的毛刺熔珠。所述超声波除尘装置可为超声波清洗机、超声波去毛刺清洗机等。由于超声波清洗机产生的高频振动和冲击波，可以有效地将毛刺熔珠等从基材上剥离并清除掉。与传统的机械或化学清洗方法相比，超声波清洗毛刺熔珠具有更高的清洁度和更可靠的效果。

可选的，采用喷涂的方式在极耳切断区4的三个面涂布陶瓷涂层。可以理解的，所述三个面指极耳切断区4的上表面、下表面和侧面(即极片的端面)。

可选的，采用两台喷涂装置对极耳切断区4的三个面喷涂陶瓷涂层，两个喷涂装置分别设置在极耳切断区4的上部和下部；

所述喷涂装置的喷涂角度为0～90°可调，喷涂宽度为1～10mm可调，喷涂速度兼容范围为0～180m/min。

举例来说，喷涂装置的喷涂角度可为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°等；喷涂宽度可为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm等；喷涂速度可为10m/min、30m/min、60m/min、80m/min、90m/min、100m/min、140m/min、160m/min、180m/min等。

可以理解的，通过带有一定角度的上下两台喷涂装置对极耳切断区4的三个面进行陶瓷涂层喷涂，确保极耳切断区4的三个面全部被陶瓷涂层覆盖。

可以理解的，本发明实施例对陶瓷涂层的组分不做限定，能够起到保护作用即可，例如，所述陶瓷涂层可为Al₂O₃陶瓷涂层。

可选的，对极耳切断区4的三个面全部喷涂陶瓷涂层后，所得陶瓷涂层的宽度为2～8mm，厚度为5～100μm，极耳上陶瓷涂层溢出范围≤1mm。极耳成型过程中，若极耳上陶瓷宽层宽度过大，在极耳焊接过程中，陶瓷层越宽，极耳箔材与陶瓷层交界处断裂风险越大。对此，本实施例在极片制备过程中，限定极耳上陶瓷涂层溢出范围≤1mm，降低极耳箔材与陶瓷层交界处断裂风险。可以理解的，陶瓷涂层的宽度即为极耳切断区4的宽度。

可以理解的，上述的陶瓷涂层的宽度和厚度为极耳切断区4上表面和下表面上涂布的陶瓷涂层的宽度和厚度。

举例来说，所得陶瓷涂层的宽度为2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm等；厚度为5μm、15μm、25μm、50μm、70μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm等；极耳上陶瓷涂层溢出范围可为1mm、0.9mm、0.8mm、0.7mm、0.6mm、0.5mm等。

可选的，陶瓷涂层涂布结束后，对陶瓷涂层进行烘烤，去除溶剂，使陶瓷涂层粘附在极耳切断区的三个面上。可采用红外线烘烤装置进行烘烤。红外线烘烤装置的干燥原理为：远红外辐射干燥。用远红外发射元件将热能辐射到干燥物体表面，使液体蒸发汽化进行干燥。其干燥速度主要取决于辐射温度，温度高，干燥速度快。设备比较简单。

可选的，如图4所示，极耳成型后，极片的极耳切断区4和极耳3依次通过超声波除尘装置、陶瓷喷涂装置和红外线烘烤装置。超声波除尘装置用于清除极耳切断区4的灰尘、毛刺熔珠等，陶瓷喷涂装置用于在极耳切断区4的三个面上喷涂陶瓷涂层浆料，红外线烘烤装置用于干燥陶瓷涂层浆料，使得极耳切断区4的三个面上形成陶瓷涂层。

本发明实施例还提供了一种端面为陶瓷涂层的电池极片，其通过上述的制备方法制得。图4为本实施例陶瓷喷涂工艺示意图，图5为本实施例制备的端面为陶瓷涂层的电池极片的端面效果示意图。

参考图4和图5可知，所述电池极片包括金属箔材，涂布于金属箔材表面的活性物质涂层和陶瓷涂层。所述金属箔材分为极耳、涂覆区1和极耳切断区4，极耳3表面未涂覆涂层，涂覆区1的金属箔材表面涂覆活性物质涂层。极耳切断区4位于涂覆区1的边缘，且与涂覆区1相接，极耳切断区4的金属箔材的上表面、下表面和端面涂覆陶瓷涂层，即极耳切断区4的三个面被陶瓷涂层完全覆盖。

本发明实施例制备的端面为陶瓷涂层的电池极片能够规避切割面尖端放电的风险，提高电池的安全性和使用寿命。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

本实施例提供了一种端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，包括如下步骤：

制浆工序：正负极活性材料、导电剂和粘结剂按照表1的比例均匀混合。制备陶瓷浆料，备用。

表1活性材料与导电剂和粘结剂的比例

涂布工序：把制浆工序得到的混匀的浆料(正负极浆料)涂抹到相应的金属箔材上，要求膜面外观平整，纹理尽量一致。

料浆多时，采用涂布机进行涂布；料浆少时，采用成膜器进行涂布。

真空干燥箱中进行干燥，80℃干燥8h左右，去除浆料中的溶剂。要求在能够烘干的前提下，适当降低干燥温度，避免高温下部分有机物质分解失效。

辊压工序：采用电动对辊机，将极片压实，达到一定压实密度。磷酸铁锂正极密度为2.2～2.5g/cm³；人造石墨烯负极密度为1.2～1.7g/cm³。

分切工序：采用电池分切装置或切片装置将经辊压处理之后的电极片分切成所需尺寸。

模切工序：将分切之后的极片采用五金/激光的方法进行极耳模切。

模切后的极片结构如图3和图4所示。极耳模切结束后，沿极卷走带方向，采用超声波除尘装置清除极耳加工成型过程中形成的毛刺熔珠，再采用上下两个陶瓷喷涂装置对极耳切断区的三个面(上表面、下表面和侧面。所述侧面即为断面，也是极片的端面)喷涂陶瓷涂层的浆料，两个喷涂装置的喷涂角度为0～90°可调，喷涂宽度为1～10mm可调，喷涂速度兼容范围0～180m/min，对空箔区2及切断端面进行陶瓷涂层喷涂。喷涂的陶瓷涂层的宽度为2～8mm，厚度为5～100μm，极耳上陶瓷涂层溢出范围≤1mm。最后经红外线烘烤装置对陶瓷涂层进行烘烤，去除溶剂，使陶瓷涂层粘附在空箔区2及切断端面的金属箔材上，实现对加工面的全面防护。

通过本实施例的方法制备得到的电池极片，经检测，未出现波浪边状况，电池极片的良品率高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在金属箔材上涂布活性物质，干燥后进行辊压分切，得到极片；

对所得极片进行极耳模切，对极耳切断区的三个面涂布陶瓷涂层，得到端面为陶瓷涂层的电池极片。

2.如权利要求1所述的端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，其特征在于，采用五金/激光成型的方式对所得极片进行极耳模切。

3.如权利要求1所述的端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，其特征在于，极耳模切结束后，沿极卷走带方向，清除极耳加工成型过程中形成的毛刺熔珠，再涂布陶瓷涂层。

4.如权利要求3所述的端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，其特征在于，采用超声波除尘装置清除极耳加工成型过程中形成的毛刺熔珠。

5.如权利要求1所述的端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，其特征在于，采用喷涂的方式在极耳切断区的三个面涂布陶瓷涂层；

所述三个面为上表面、下表面和侧面。

6.如权利要求5所述的端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，其特征在于，采用两个喷涂装置对极耳切断区的三个面喷涂陶瓷涂层，两个喷涂装置分别设置在极耳切断区的上部和下部；

所述喷涂装置的喷涂角度为0～90°，喷涂宽度为1～10mm。

7.如权利要求1所述的端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，其特征在于，陶瓷涂层的宽度为2～8mm，厚度为5～100μm，极耳上陶瓷涂层溢出范围≤1mm。

8.如权利要求1所述的端面为陶瓷涂层的电池极片的制备方法，其特征在于，陶瓷涂层涂布结束后，对陶瓷涂层进行烘烤，去除溶剂，使陶瓷涂层粘附在极耳切断区的三个面上。

9.一种端面为陶瓷涂层的电池极片，其特征在于，所述电池极片通过如权利要求1-9任一所述的制备方法制得。

10.如权利要求9所述的端面为陶瓷涂层的电池极片，其特征在于，所述电池极片包括金属箔材，涂布于金属箔材表面的活性物质涂层和陶瓷涂层；所述金属箔材分为极耳、涂覆区和极耳切断区，极耳表面未涂覆涂层，涂覆区的金属箔材表面涂覆活性物质涂层；极耳切断区位于涂覆区的边缘，且与涂覆区相接，极耳切断区的金属箔材的上表面、下表面和端面涂覆陶瓷涂层。