一种类单面极片、含有其的轻量化电芯及制备方法与流程

本发明属于电池材料领域，具体涉及一种锂电池极片及其制备方法。
背景技术：
：新能源汽车迅速发展以及动力电池系统轻量化需求，对于动力电池能量密度、功率密度提出了更高的要求。为了有效的提高电池的比能量，降低电池中非活性材料的重量是一种较为常规的做法，比如降低集流体厚度、隔膜厚度、提高极片压实密度。对于叠片结构的电池而言，其结构通常为图2所示，最外层为负极，通过正负极极片交替排列以及隔膜间隔。对这种常规结构的电芯进行分析，其特点为：(1)最外层负极涂层为非活性区域，不参与电化学反应过程；(2)最外层为铜箔，面密度大于铝箔。单面极片是一种有效的降低由特点(1)造成叠片电池重量增加的方法。但是，单面极片在辊压过程中，会因为集流体两侧应力不同，发生严重的变形或者卷曲，导致不能大规模、连续生产。因此，有必要对单面极片工艺进行设计，达到单面极片或者类单面极片的连续生产，以实现轻量化电芯的设计与制造。技术实现要素：针对本
技术领域：
的针对以上问题，本发明构建了一种新型结构的电池类单面极片，通过在单面极片另一侧涂覆低密度材料，使得其在后续辊压过程中，实现集流体两侧应力的均衡，从而实现类单面极片连续生产。基于该类单面极片，对电芯叠片结构进行轻量化设计，进一步降低电池中非活性材料重量，从而，实现电池能量密度的提升。本发明还提出所述类单面极片的制备方法。实现本发明上述目的技术方案为：一种类单面极片，由活性材料涂层、箔材、非活性材料涂层组成，活性材料涂层和非活性材料涂层分别涂布于所述箔材的两侧，所述非活性材料包括碳材料、有机聚合物材料和无机氧化物中的一种或多种，其中，所述碳材料选自炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的一种或多种；所述有机聚合物材料选自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氨酯(PU)、聚乙烯酸(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯酸(PVC)和密胺树脂(MF)中的一种或多种；所选无机氧化物选自二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氢氧化铝和氢氧化镁中的一种或多种。其中，所述非活性材料的形貌结构为颗粒、纤维或者微球，所述微球为实心微球或空心微球。其中，所述颗粒粒径为10nm～100微米，所述纤维长径比为10～1000，微球的粒径为10nm～100微米。优选地，所述非活性材料的形貌结构为颗粒、纤维或者微球；所述颗粒粒径为50nm～5微米；所述纤维长径比为20～50。所述微球的粒径优选为1～20微米。进一步地，所述类单面极片通过以下步骤制备：(1)在箔材的一侧制备含活性材料的单面涂层；(2)在箔材另一侧涂布非活性材料涂层，(3)对步骤(2)获得的极片或极卷进行辊压、裁切。其中所述非活性材料涂层通过以下方法制备：将非活性材料、粘接剂、溶剂按照质量份数8～10:1:8～12混合，搅拌分散后将所得浆料涂布到箔材上。优选地，浆料的搅拌操作为：转速20～50rpm搅拌3～10分钟，再以转速2000～8000rpm搅拌40min～80min。其中，所述粘接剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠、水中的一种或多种。进一步地，所述类单面极片的非活性材料涂层的面密度为3～5mg/cm2，活性材料涂层的面密度为18～25mg/cm2。一种轻量化电芯，以本发明所述类单面极片作为多层叠片的最外层，所述类单面极片的非活性材料涂层位于作为集流体的箔材的外侧(“外”、“内”方位是以叠片中心为内)。所述的轻量化电芯，有两种结构：位于多层叠片最外层的两个类单面极片，一面为非活性材料涂层、另一面为正极活性材料，所述箔材为铜箔；或，一面为非活性材料涂层、另一面为负极活性材料，所述箔材为铝箔。按通常正极记为P、负极记为N的标记方式，可表达为以下两式：结构一：P2-S-{N1-S-P1-S-N1}n-S-P2结构二：N2-S-{P1-S-N1-S-P1}n-S-N2其中，P1代表双面正极极片、N1代表双面负极极片，P2代表正极类单面极片，N2代表负极类单面极片；n＞1。这两种结构适用于不同的电池体系。第一种适用于负极为石墨类、集流体为铜箔的体系，采用正极单面极片在最外层，可以减少一片负极极片，由于铜的密度相对较大，减重程度更加明显。第二种适用于负极为钛酸锂的电池体系，该类电池正负极箔材均为铝箔，钛酸锂的密度较大，因此，采用负极单面极片，可以减去最外层负极涂层中钛酸锂的重量。其中，多层叠片的电池内的正极材料涂层采用的浆料为正极活性材料、粘结剂、导电剂混合分散而成；叠片电池内的负极材料涂层采用的浆料为负极活性材料、粘结剂、导电剂混合分散而成；所述导电剂为乙炔黑或炭黑，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、N-甲基吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠中的一种或多种。其中，所述正极活性材料选自镍钴锰或镍钴铝三元材料，所述负极活性材料为石墨、石墨烯、钛酸锂、碳纳米管中的一种或多种。与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提出的类单面极片可以降低单面极片辊压时集流体应力不均衡导致的变形或卷曲，通过在单面极片另一侧涂覆轻质材料涂层，对辊压工序产生的应力进行均衡，提高了单面极片辊压工序生产的连续性。本发明提出的轻量化电芯结构，利用前述类单面极片，通过电芯结构优化设计，降低了集流体材料的用量以及正极或者负极涂层的使用量，有利于在不改变电池体系设计的条件下，降低电芯重量，提升电池的能量密度，并且该技术对不同电池体系具有普适性。附图说明图1本发明的类单面正极极片结构示意图。图2现有技术叠片式电芯结构(常规)示意图。图3本发明设计轻量化电芯(结构一)。图4本发明设计轻量化电芯(结构二)。图中，101为正极活性材料涂层，102为正极片非活性材料涂层，201为正极片集流体，301为负极活性材料涂层，302为负极片非活性材料涂层，401为负极片集流体，501为隔膜。具体实施方式下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。所采用的材料中，炭黑粒径40～100纳米，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，聚苯乙烯微球粒径为5～10微米，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，聚乙烯酸空心微球粒径为10～20微米，购自日本积水株式会社，二氧化硅空心球粒径5～20微米，购自3M公司。实例中其他材料均为市购。预备实施例1制备正极浆料表1为两类典型正极浆料的配方信息，按照表1配方进行制胶、匀浆工序，制备正极浆料。表1～3中的配比指质量比。表1正极浆料配比正极浆料编号正极极材料导电剂粘接剂配比1.1NCM炭黑PVDF95:3:21.2NCA炭黑PVDF90:6:4预备实施例2制备负极浆料表2为两类典型负极浆料的配方信息，按照表2配方进行制胶、匀浆工序，制备负极浆料。表2负极匀浆配比正极浆料编号负极材料导电剂粘接剂配比2.1石墨炭黑PVDF94:2:42.2钛酸锂炭黑PVDF90:6:4预备实施例3制备非活性材料浆料表3为四类非活性材料浆料的配方信息，按照表3参数，将非活性材料、粘接剂、溶剂按照90:10:100混合，30rpm搅拌5分钟；5000rpm搅拌1小时。表3非活性材料浆料配方信息非活性浆料编号非活性材料粘接剂溶剂3.1炭黑PVDFNMP3.2聚苯乙烯微球PVDFNMP3.3聚乙烯酸空心微球PVDFNMP3.4二氧化硅空心球PVDFNMP对比例1～51)制备正极极片：按照表4参数，选择正极浆料，进行涂布、辊压、制片，完成双面正极极片P1的制备，极片结构如图1之(1)中所示。2)制备负极极片：按照表4参数，选择负极浆料，进行涂布、辊压、制片，完成双面正极极片N1的制备，极片结构如图1中之(2)所示。3)电芯组装：电芯组装按照常规电芯的组装形式进行组装，即最外层为负极，正负极交替，通过隔膜501间隔，除最外层极片的叠片数量为6。电芯结构如图2所示。图2中，S表示隔膜。表4对比例1～5极片组成实施例1～81)制备正极极片：按照表5参数，选择正极浆料，进行涂布、辊压、制片，完成双面正极极片P1的制备，极片结构如图1中(1)所示。2)制备负极极片：按照表5参数，选择负极浆料，进行涂布、辊压、制片，完成双面正极极片N1的制备，极片结构如图1中(3)所示。3)制备类单面正极极片按照表5参数，选择正极浆料和非活性材料，进行涂布、辊压、制片，完成类单面正极极片P2的制备，极片结构如图1中(2)所示。4)电芯组装：电芯组装按照轻量化电芯(结构一)进行组装，即最外侧为使用类单面正极极片，正极片非活性材料涂层102面朝外，正极活性材料涂层101朝内，所有极片间通过隔膜501间隔开，电芯结构如图3所示。实施例9～121)制备正极极片：按照表5参数，选择正极浆料，进行涂布、辊压、制片，完成双面正极极片P1的制备，极片结构如图1中(1)所示。2)制备负极极片：按照表5参数，选择负极浆料，进行涂布、辊压、制片，完成双面正极极片N1的制备，极片结构如图1中(3)所示。3)制备类单面负极极片按照表4参数，选择负极浆料和非活性材料，进行涂布、辊压、制片，完成类单面正极极片的制备。极片结构如图1中N2所示。4)电芯组装：电芯组装按照轻量化电芯(结构二)进行组装，即最外侧为使用类单面负极极片，负极片非活性材料涂层302面朝外，负极活性材料涂层301朝内，所有极片间通过隔膜间隔开，电芯结构如图4所示。表5实施例1～5极片组成图3示出了结构一的轻量化电芯，结构一可表示为：P2-S-{N1-S-P1-S-N1}n-S-P2为负极集流体为铜箔的电池体系，电芯结构正极极片P1数量为n片，负极极片N1数量为n+1片，最外侧为使用类单面正极极片P2，非活性涂层面朝外，正极涂层朝内，所有极片间通过隔膜501间隔开。与常规叠片电芯相比，减少了1层负极极片，增加了1层正极集流体以及2层非活性涂层。图4示出了结构二的轻量化电芯：N2-S-{P1-S-N1-S-P1}n-S-N2适用于负极集流体为铝箔的电池体系，电芯结构负极极片N1数量为n片，正极极片P1数量为n+1片，最外侧为使用类单面负极极片N2，非活性涂层面朝外，负极涂层朝内，所有极片间通过隔膜间隔开。与常规叠片电芯相比，减少了1层正极极极片，增加了1层负极集流体以及2层非活性涂层。常规结构为：N1-S-{P1-S-N1-S-P1}n-S-N1。最外层为双面负极极片，电芯通过正负极极片交替堆叠，中间使用隔膜间隔，电池工艺较为简单。表6实施例和对比例电芯重量电芯重量电芯减重(g)电芯减重程度实施例1152.295.963.92％实施例2152.016.244.10％实施例3151.746.514.29％实施例4151.466.794.48％对比例1158.25----实施例5151.676.414.23％实施例6151.396.684.42％实施例7151.126.964.61％实施例8150.847.234.80％对比例2158.07----实施例9150.249.476.30％实施例10149.4210.306.89％实施例11294.6710.303.49％实施例12439.9210.302.34％对比例3159.71----对比例4304.96----对比例5450.21----表6的结果表明，采用本发明类单面极片，有效地减轻了电芯的重量。实施例9、10均采用结构二，相比传统结构均降低了一层负极涂层，由于钛酸锂负极面密度较大，涂层重量相对较大，因此，减重效果更为明显。以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。当前第1页1 2 3