CN214477542U - 一种弹性分层三元正极极片和基于其的锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种弹性分层三元正极极片和基于其的锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。包括两组集流体和两组活性物质层，两组集流体对称贴合，活性物质层设于集流体外侧；集流体为含有PET薄膜基底的多孔铝箔，两组集流体的PET薄膜基底贴合，活性物质层包括磷酸铁锂材料内层和三元正极材料外层，磷酸铁锂材料内层涂覆于多孔铝箔和三元正极材料外层之间。由于内层的磷酸铁锂正极材料，其循环稳定性小、对外层三元正极材料起到支撑作用，同时PET薄膜具有一定的柔韧性，减轻集流体重量，缓解制造加工过程中的断带、破边等问题，因此，本实用新型基于所述弹性分层三元正极极片的锂离子电池，具有较高的电池生产效率及整体的电化学性能。
Description
技术领域
本实用新型属于锂离子电池技术领域，涉及一种弹性分层三元正极极片和基于其的锂离子电池。
背景技术
随着市场对锂离子电池进一步提出轻量化，高能量密度，低成本能的要求，常规电池材料及设计已经不能够满足日益增长的要求。因此，近年高镍三元正极材料以更高克容量的优点被认为是目前高能量密度锂离子电池正极材料最优的选择。但三元材料特别是高镍含量材料(Ni＞80％)存在循环过程中由于锂镍混排导致材料稳定性变差，很大程度上影响电池的寿命。因此如何抑制高镍三元材料循环过程中的结构坍塌将对电池整体性能有着至关重要的影响。
而传统锂离子电池正极集流体为铝箔，目前的厚度为12～16μm。但由于制备技术的局限，厚度很难再进一步降低，同时集流体变薄后，机械强度降低，导致加工过程中容易出现断裂、破边、产生毛刺等不良现象，对电池生产效率及良品率产生重大影响，因此对电池设计也提出了更高的要求。
实用新型内容
为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种弹性分层三元正极极片和基于其的锂离子电池。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
本实用新型公开了一种弹性分层三元正极极片，包括两组集流体和两组活性物质层，其中，两组集流体对称贴合，活性物质层设于集流体外侧；
其中，集流体为含有PET薄膜基底的多孔铝箔，两组集流体的PET薄膜基底贴合，活性物质层包括磷酸铁锂材料内层和三元正极材料外层，磷酸铁锂材料内层涂覆于多孔铝箔和三元正极材料外层之间。
优选地，三元正极材料外层包括NCM111、NCM523、NCM622、NCM811、NCA材料其中的一种或几种，三元正极材料外层的粒径D50在5～30μm，三元正极材料外层的克容量在150～210mAh/g。
优选地，三元正极材料外层厚度为20～100μm。
优选地，磷酸铁锂材料内层的粒径为2～30μm，磷酸铁锂材料内层的克容量在130～152mAh/g。
优选地，磷酸铁锂材料内层的厚度为10～30μm。
优选地，集流体的厚度为8～16μm。
优选地，孔铝箔的孔径为0.6～1.0mm。
本发明还公开了一种锂离子电池，包括：负极极片、隔膜和上述一种弹性分层三元正极极片，隔膜设于负极极片和所述弹性分层三元正极极片之间。
优选地，负极极片包括集流体铜箔，以及集流体铜箔两侧的负极活性物质层。
优选地，负极活性物质层包括石墨、中间相碳微球、软碳硬碳和硅基材料其中的一种或几种。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型公开了一种弹性分层三元正极极片，具有以下优点：
(1)所述弹性分层三元正极极片采用外层涂覆三元正极材料，内层涂覆磷酸铁锂材料，由于内层为磷酸铁锂正极材料，其本身较好的循环稳定性会对外层三元正极材料起到一定支撑作用。
(2)所述弹性分层三元正极极片的集流体采用PET薄膜为基底的多孔铝箔，由于基地为PET薄膜具有一定的柔韧性，相比与传统铝箔，缓解制造加工过程中的断带、破边等问题，从而提高电池生产效率及整体的电化学性能。同时在重量方面也有一定的降低，更有利于进一步提高电池的能量密度。
(3)所述弹性分层三元正极极片的集流体采用以PET薄膜为基底的多孔铝箔，由于多孔箔表面的粗糙度较高，有利于提高活性物质与集流体的粘结力，防止极片的掉粉。
本发明还公开了基于上述弹性分层三元正极极片的一种锂离子电池，采用该正极极片组装成的锂离子电池，一方面在电池加工性能方面，能够有效缓解极片断带、破边的问题，提升生产效率，另一方面通过正极片的设计能够有效缓解三元材料的不稳定性，提升电池的循环性能，同时提升电池整体能量密度。
附图说明
图1为本实用新型的包含该三元材料正极极片的锂离子电池结构示意图；
图2为本实用新型中对比例传统锂离子电池结构示意图；
图3为本实用新型中实施例5与对比例2组装成3.0Ah圆柱电池的循环性能对比图。
其中，1-负极极片；2-弹性分层三元正极极片；3-隔膜；4-集流体铜箔；5-负极活性物质层；6-集流体；7-磷酸铁锂材料内层；8-三元正极材料外层；21-传统正极极片；61-铝箔；71-正极三元活性物质层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本实用新型提供了一种弹性分层三元正极极片和基于其的锂离子电池，在所述弹性分层三元正极极片中，通过采用以PET薄膜为基底的多孔铝箔为集流体，在其表面先涂覆一层磷酸铁锂正极浆料作为磷酸铁锂材料内层，在该活性物质层上再涂覆一层高镍(Ni＞80％)三元正极浆料作为三元正极材料外层，由于磷酸铁锂材料内层其本身优异的稳定性对外部的高镍三元正极材料外层起到一定支撑作用，同时集流体采用柔性PET薄膜为基底的多孔铝箔，进一步的减轻了集流体的重量，多空铝箔相比传统铝箔表面粗糙度较高，也有利于提高活性物质与集流体的粘附性。同时PET薄膜基底具有一定的柔韧性，可以缓解加工过程中传统铝箔集流体断裂、破边、毛刺等不良现象，因此本实用新型公开的一种基于所述弹性分层三元正极极片的锂离子电池，能够有效的提升电池的循环性能及整体的电池能量密度。
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
实施例1
如图1所示，本实用新型一种包含有弹性分层三元正极极片的锂离子电池，包括负极极片1，弹性分层三元正极极片2，隔膜3。其中负极极片1包含集流体铜箔4，负极活性物质层5；弹性分层三元正极极片2包括PET薄膜为基底的多孔铝箔构成的集流体6，磷酸铁锂材料内层7，三元正极材料外层8。隔膜3一侧贴合弹性分层三元正极极片2，隔膜3另一侧贴合负极极片1；
其中，负极极片1的集流体铜箔4两侧均贴合有负极活性物质层5；
其中，弹性分层三元正极极片2包括两组集流体6和两组活性物质层，其中，两组集流体6对称贴合，活性物质层设于集流体6外侧；
其中，集流体6为含有PET薄膜基底的多孔铝箔，两组集流体6的PET薄膜基底接触贴合，活性物质层包括磷酸铁锂材料内层7和三元正极材料外层8，磷酸铁锂材料内层7涂覆于多孔铝箔和三元正极材料外层8之间。
其中负极活性物质层5为石墨，厚度为30μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3厚度为16μm；三元正极材料外层8为NCM(111)，粒度10μm，容量150mAh/g，涂覆厚度为20μm；磷酸铁锂材料内层7，粒度2μm，涂覆厚度为10μm，克容量在152mAh/g；PET薄膜为基底的多孔铝箔构成的集流体6厚度为8μm，多孔铝箔的孔径为0.6mm。
实施例2
结构与实施例1相同，其中负极活性物质层5为软碳，厚度为50μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3厚度为16μm；三元正极材料外层8为NCM(523)，粒度5μm，容量160mAh/g，涂覆厚度为30μm；磷酸铁锂材料内层7，粒度8μm，涂覆厚度为15μm，克容量在148mAh/g；PET薄膜为基底的多孔铝箔构成的集流体6厚度为9μm，多孔铝箔的孔径为0.65mm。
实施例3
结构与实施例1相同，其中负极活性物质层5为硬碳，厚度为60μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3厚度为16μm；三元正极材料外层8为NCM(622)，粒度15μm，容量168mAh/g，涂覆厚度为40μm；磷酸铁锂材料内层7，粒度10μm，涂覆厚度为17μm，克容量在130mAh/g；PET薄膜为基底的多孔铝箔构成的集流体6厚度为10μm，多孔铝箔的孔径为0.7mm。
实施例4
结构与实施例1相同，其中负极活性物质层5为硅碳复合材料，厚度为30μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3厚度为16μm；三元正极材料外层8为NCM(811)，粒度20μm，容量180mAh/g，涂覆厚度为50μm；磷酸铁锂材料内层7，粒度12μm，涂覆厚度为20μm，克容量在135mAh/g；PET薄膜为基底的多孔铝箔构成的集流体6厚度为12μm，多孔铝箔的孔径为0.8mm。
实施例5
结构与实施例1相同，其中负极活性物质层5为硅碳复合材料，厚度为40μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3厚度为16μm；三元正极材料外层8为NCM(811)，粒度25μm，容量190mAh/g，涂覆厚度为70μm；磷酸铁锂材料内层7，粒度15μm，涂覆厚度为24μm，克容量在142mAh/g；PET薄膜为基底的多孔铝箔构成的集流体6厚度为14μm，多孔铝箔的孔径为0.8mm。
实施例6
结构与实施例1相同，其中负极活性物质层5为硅氧复合材料，厚度为30μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3，厚度为16μm；三元正极材料外层8为NCM(811)，粒度30μm，容量200mAh/g，涂覆厚度为90μm；磷酸铁锂材料内层7，粒度20μm，涂覆厚度为30μm，克容量在137mAh/g；PET薄膜为基底的多孔铝箔构成的集流体6厚度为14μm，多孔铝箔的孔径为0.9mm。
实施例7
结构与实施例1相同，其中负极活性物质层5为石墨材料，厚度为50μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3厚度为16μm；三元正极材料外层8为NCM(811)，粒度17μm，容量210mAh/g，涂覆厚度为100μm；磷酸铁锂材料内层7，粒度30μm，涂覆厚度为30μm，克容量在131mAh/g；PET薄膜为基底的多孔铝箔构成的集流体6厚度为12μm，多孔铝箔的孔径为1mm。
实施例8
结构与实施例1相同，其中负极活性物质层5为石墨材料，厚度为80μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3为厚度为16μm；三元正极材料外层8为NCA，粒度15μm，容量210mAh/g，涂覆厚度为90μm；磷酸铁锂材料内层7，粒度25μm，涂覆厚度为20μm，克容量在150mAh/g；PET薄膜为基底的多孔铝箔构成的集流体6厚度为16μm，多孔铝箔的孔径为1mm。
对比例1
对比例电池如图2所示，包括负极极片1，传统正极极片21和隔膜3，隔膜3设于负极极片1和传统正极极片21之间。其中负极极片1包含集流体铜箔4，集流体铜箔4两侧设有负极活性物质层5；传统正极极片21包括铝箔61，正极三元活性物质层71，铝箔61两侧设有正极三元活性物质层71。
其中负极活性物质层5为石墨材料，厚度为50μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3厚度为16μm；正极三元活性物质层71中的正极活性物质为NCM(811)粒度17μm，克容量210mAh/g，涂覆厚度为100μm，铝箔61厚度12μm。
对比例2
结构与对比例1相同，其中负极活性物质层5为硅碳复合材料，厚度为40μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3厚度为16μm；正极三元活性物质层71中的正极材料为三元NCM(811)，粒度15μm，克容量190mAh/g，涂覆厚度为70μm，铝箔61厚度14μm。
对比例3
结构与对比例1相同，其中负极活性物质层5为石墨材料，厚度为80μm，集流体铜箔4厚度为8μm，隔膜3厚度为16μm；正极三元活性物质层71中的三元正极材料为NCA，粒度15μm，克容量210mAh/g，涂覆厚度为90μm；铝箔厚度16μm。
对实施例5、7、8与对比例1～对比例3组装3.0Ah18650圆柱电池，并对电池重量和能量密度进行测试，结果如表1所示。从测试结果可以看出，实施例中电池能量密度明显高于传统电池。
表1能量密度计算结果
| 样品 | 重量(g) | 能量密度(Wh/kg) |
| 实施例5 | 44 | 249 |
| 实施例7 | 44.5 | 240 |
| 实施例8 | 45.5 | 236 |
| 对比例1 | 47.8 | 220 |
| 对比例2 | 45.8 | 226 |
| 对比例3 | 46.5 | 230 |
对实施例5和对比例2组装圆柱电池进行循环性能测试如图3所示。从图中可以看出实施例5组装出的电池，循环300周容量保持率大于80％，而对比例1组装电池仅在循环100周后容量就已将出现跳水，保持率已经跌至80％以下。
综上所述，本实用新型公开了一种弹性分层三元正极极片和基于其的锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。包括两组集流体和两组活性物质层，其中，两组集流体对称贴合，活性物质层设于集流体外侧；其中，集流体为含有PET薄膜基底的多孔铝箔，两组集流体的PET薄膜基底贴合，活性物质层包括磷酸铁锂材料内层和三元正极材料外层，磷酸铁锂材料内层涂覆于多孔铝箔和三元正极材料外层之间。由于内层的磷酸铁锂正极材料，其循环稳定性小、对外层三元正极材料起到支撑作用，同时PET薄膜具有一定的柔韧性，减轻集流体重量，缓解制造加工过程中的断带、破边等问题，因此，本实用新型基于所述弹性分层三元正极极片的锂离子电池，具有较高的电池生产效率及整体的电化学性能。
以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种弹性分层三元正极极片，其特征在于，包括两组集流体(6)和两组活性物质层，其中，两组集流体(6)对称贴合，活性物质层设于集流体(6)外侧；
其中，集流体(6)为含有PET薄膜基底的多孔铝箔，两组集流体(6)的PET薄膜基底贴合，活性物质层包括磷酸铁锂材料内层(7)和三元正极材料外层(8)，磷酸铁锂材料内层(7)涂覆于多孔铝箔和三元正极材料外层(8)之间。
2.根据权利要求1所述的一种弹性分层三元正极极片，其特征在于，三元正极材料外层(8)包括NCM111、NCM523、NCM622、NCM811、NCA材料其中的一种，三元正极材料外层(8)的粒径D50在5～30μm，三元正极材料外层(8)的克容量为150～210mAh/g。
3.根据权利要求1所述的一种弹性分层三元正极极片，其特征在于，三元正极材料外层(8)厚度为20～100μm。
4.根据权利要求1所述的一种弹性分层三元正极极片，其特征在于，磷酸铁锂材料内层(7)的粒径为2～30μm，磷酸铁锂材料内层(7)的克容量在130～152mAh/g。
5.根据权利要求1所述的一种弹性分层三元正极极片，其特征在于，磷酸铁锂材料内层(7)的厚度为10～30μm。
6.根据权利要求1所述的一种弹性分层三元正极极片，其特征在于，集流体(6)的厚度为8～16μm。
7.根据权利要求1所述的一种弹性分层三元正极极片，其特征在于，多孔铝箔的孔径为0.6～1.0mm。
8.一种锂离子电池，其特征在于，包括：负极极片(1)、隔膜(3)和权利要求1～7任意一项所述的一种弹性分层三元正极极片(2)，隔膜(3)设于负极极片(1)和所述弹性分层三元正极极片(2)之间。
9.根据权利要求8所述的一种锂离子电池，其特征在于，负极极片(1)包括集流体铜箔(4)，以及集流体铜箔(4)两侧的负极活性物质层(5)。
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| CN202023286708.8U Active CN214477542U (zh) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | 一种弹性分层三元正极极片和基于其的锂离子电池 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115763692A (zh) * | 2022-09-08 | 2023-03-07 | 江苏正力新能电池技术有限公司 | 一种正极片及电池 |
| CN115842096A (zh) * | 2022-07-19 | 2023-03-24 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 预锂化极片及其制备方法、二次电池和用电装置 |
-
2020
- 2020-12-29 CN CN202023286708.8U patent/CN214477542U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115842096A (zh) * | 2022-07-19 | 2023-03-24 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 预锂化极片及其制备方法、二次电池和用电装置 |
| CN115763692A (zh) * | 2022-09-08 | 2023-03-07 | 江苏正力新能电池技术有限公司 | 一种正极片及电池 |
| CN115763692B (zh) * | 2022-09-08 | 2024-05-10 | 江苏正力新能电池技术有限公司 | 一种正极片及电池 |
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