锂离子电池电极极片、极片辊压装置及锂离子电池的制作方法

本发明涉及到新能源领域，特别是涉及到锂离子电池电极极片、极片辊压装置及锂离子电池。

背景技术：

随着新能源汽车的大力推广，动力电池需求量日益增加。特别是针对高能量度、高安全性、长循环寿命锂离子动力电池的渴求尤为突出。高能量密度锂离子动力电池通常具有：(1)高单位质量(体积空间)内的活性物质含量，(2)高克容量正/负极材料，(3)更低质量密度的包装材料等。近年来，众多锂电池厂商通过增加极片活性物质涂层厚度或压实密度来提高活性物质的空间占用比率，达到提升电池整体能量密度的目的。然而，厚涂覆层电极极片增加了底层活性物质与电解液的接触距离，延长了锂离子电迁移距离，必将导致电解液的浸润和吸收更加困难，从而使得电池内阻较大，电池充放电过程极化电势较高，容量发挥不正常、倍率性能差、低温析锂、循环容量衰减快等一系列问题。尤其是在大电流密度及低温环境下充放电导致锂枝晶形成，锂枝晶刺穿隔离膜导致正负极短路，存在一定的安全隐患。而且，锂枝晶的生成增加了电解液与金属锂的副反应，消耗锂活性物质，降低电池循环利用率。

针对现有厚涂层或高压实密度电极极片本领域技术人员主要采用如下方法来改善电解液的浸润，以提高锂离子的迁移速率，从而来解决因厚涂层电极极片内部浓差极化大、倍率性能差、极片一致性差的问题：(1)配制含有不同造孔剂浓度的活性物质浆料涂覆集流体得到在厚度方向上具有孔隙率梯度涂层极片，以改善电解液的渗透浸润，提高电极中锂离子/电子的传输(如发明专利：CN102324493A，CN102694150A，CN102655229A)；(2)采用低固含量浆料进行多次分层涂布方式制备得到具有不同孔隙率梯度的厚涂层电极极片(如发明专利：CN102969483A)；(3)采用带刺针辊对集流体铝箔进行辊压制得含有若干孔隙的基材，采用此基材进行涂布有利于改善电极两面涂布厚薄不均的问题(如发明专利：CN102760863A)。

但是上述现有改进方法中，在改善厚涂敷极片电解液渗透性问题的同时带来了造孔剂残留、多层涂布工序复杂、打孔集流体易断带等不同的负面影响，因此，现有高能量密度锂离子动力电池厚涂敷电极极片的制造方法还有待改进。

技术实现要素：

本发明的主要目的为提供一种锂离子电池电极极片，旨在解决现有高能量密度锂离子电池因采用厚活性物质涂层极片而带来的负面问题。

本发明提出一种锂离子电池电极极片，包括：集流体和活性物质涂层；所述活性物质涂层均匀涂敷在集流体两侧，所述两侧的活性物质涂层表面对称地均匀分布沟槽。

优选地，所述两侧的活性物质涂层厚度为200μm至300μm。

优选地，所述沟槽为圆锥形凹槽、楔形凹槽或方形凹槽中的一种或多种；所述沟槽间隙范围为100μm至500μm。

优选地，所述集流体为金属铝箔、金属铜箔、导电涂层铝箔或导电涂层铜箔中的一种。

优选地，所述沟槽由特定凸台辊轴辊压或特定凸台平板冷压制备而成。

本发明还提出一种极片辊压装置，包括：辊轴以及辊轴表面均匀分布凸台；所述辊轴表面均匀分布凸台，辊压极片过程中在所述极片两侧的活性物质涂层表面对称地辊压出均匀分布沟槽。

优选地，所述辊轴表面均匀分布的凸台为圆锥形凸台、楔形凸台或方形凸台中的一种或多种；所述凸台间隙范围为100μm至500μm。

本发明还提出一种锂离子电池，包括：正极极片、负极极片、隔离膜、外壳以及电解液，所述正极极片两侧的活性物质涂层表面对称地均匀分布沟槽；所述负极极片两侧的活性物质涂层表面均匀分布沟槽。

优选地，所述正极极片的集流体为金属铝箔，所述铝箔厚度为10μm至15μm；所述负极极片的集流体为金属铜箔，所述铜箔厚度为6μm至10μm；所述正极极片、负极极片两侧的活性物质涂层厚度为200μm至300μm。

优选地，所述正极极片正极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为93～97:2～5:1～3；所述负极极片负极活性物质、导电剂、粘结剂质量比为91～95:2～5:3～6。

本发明有益效果：

对比现有厚涂层或高压实密度电极极片改善电解液的浸润、提高锂离子的迁移速率的方法，本发明方案通过特定凸台辊轴辊压或特定凸台平板冷压使厚极片两侧的活性物质涂层表面对称地均匀分布沟槽，改善电解液的浸润、提高锂离子的迁移速率，进而解决锂离子电池因电极极片过厚带来的一系列负面问题。本发明方案中涂覆集流体上的活性物质层未加入任何造孔剂，因此可避免由于造孔剂升华或分解不完全，极片中存在残留对电池容量将造成负面影响；而且相比于分层多次涂布工艺，本方法操作简单且极片孔隙容易控制；相比于集流体打孔后涂布活性物质方式，本发明方案操作不会损失电池能量密度，且辊压操作简便，生产效率高。

本发明制备厚极片表面具有特定形状的沟槽，能显著提高电池电解液保有量，有利于电池长循环使用；而且厚极片表面均匀分布特定形状沟槽，有利于电解液的渗透和扩散，提高了电池的充放电电化学性能；同时厚极片表面均匀分布特定形状沟槽增加了极片的比表面积，降低了电池充放电过程中的极化电流密度，改善了大电流充电阳极膜片析锂风险，提高了电池的安全使用性。

附图说明

图1本发明一实施例中锂离子电池极片表面形貌示意图；

图2本发明一实施例中锂离子电池极片剖面结构示意图；

图3本发明一实施例中极片辊压装置的辊轴结构示意图；

图4本发明一实施例中极片辊压装置的辊轴表面凸台俯视图；

图5本发明一实施例中极片辊压装置的辊轴表面凸台剖面图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1和图2，本发明实施例提出一种锂离子电池电极极片，包括：集流体3和活性物质涂层1；所述活性物质涂层1均匀涂敷在集流体两侧，所述两侧的活性物质涂层1表面对称地均匀分布沟槽2。

现有技术中为改善厚极片涂布带来的电池负面影响采用了一些改善方案，但现有技术仍有许多不足之处，比如加入到浆料中的造孔剂具有高温易挥发特性，在涂布烘烤、干燥过程中若温度控制不当会导致造孔剂升华或分解不完全，存在残留对电池容量将造成负面影响。此外，制备具有不同孔隙率梯度涂层极片电极，通常采用分层多次涂布方式实现，制备工序相当复杂。采用带刺针辊对集流体箔材进行打孔方式获得高孔隙率膜片结构，虽然能有效改善电解液在膜片厚度方向上的渗透和扩散，但造孔必将造成电池能量密度的降低，同时，高孔隙率膜片在后续高强度张力拉伸辊压过程中易断带，导致生产加工效率低。鉴于此，本发明实施例提供了一种高安全锂离子电池电极极片制造方法，采用该方法可以制造出厚涂层极片表面孔径分布可调，工序实施简单，对极片活性物质无破坏，短时间可批量生产。此外，采用此极片结构的电池具有高电解液保有量，充放电电流密度均匀，有效避免锂枝晶的形成导致刺穿隔离膜发生内短路风险。

进一步地，所述两侧的活性物质涂层1的厚度为200μm至300μm。所述沟槽2为圆锥形凹槽、楔形凹槽或方形凹槽中的一种或多种；所述沟槽2间隙范围为100μm至500μm。

增加极片活性物质涂层厚度或压实密度来提高活性物质的空间占用比率，达到提升电池整体能量密度的目的。然而，厚涂层极片增加了底层活性物质与电解液的接触距离，延长了锂离子电迁移距离，必将导致电解液的浸润和吸收更加困难，从而使得电池内阻较大，电池充放电过程极化电势较高，容量发挥不正常、倍率性能差、低温析锂、循环容量衰减快等一系列问题。尤其是在大电流密度及低温环境下充电导致锂枝晶形成，锂枝晶刺穿隔离膜导致正负极短路，存在一定的安全隐患。而且，锂枝晶的生成增加了电解液与金属锂的副反应，消耗锂活性物质，降低电池循环利用率。

本发明实施例为提高电池能量密度，采用了厚涂层电极结构设计，但为改善厚极片带来的负面性能影响，本发明制备厚极片表面均匀分布具有特定形状的沟槽，能显著提高电池电解液保有量，有利于电解液的渗透和扩散，提高了电池的充放电电化学性能；同时保持一定的沟槽间隙可增加极片的比表面积，降低了电池充放电过程中的极化电流密度，改善了大电流或低温充电阳极膜片析锂风险，提高了电池的安全使用性。

进一步地，所述集流体3为金属铝箔、金属铜箔、导电涂层铝箔或导电涂层铜箔中的一种。

集流体主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出，因此集流体应与活性物质充分接触，并且内阻应尽可能小为佳。利用功能涂层对电池导电基材进行表面处理，降低正负极活性物质与集流体之间的接触电阻，增加两者之间的附着力，可增加集流体的静态导电能力，进而提升电池的整体性能。

进一步地，所述沟槽2由特定凸台辊轴辊压或特定凸台平板冷压制备而成。

本发明实施例将涂布完成后的正、负极极片卷料放入具有牵引张力为25N的辊压收卷设备上，控制走带速度为10m/min，设置特定凸台辊轴辊压轧力大小值，负极极片辊压轧力为15吨，正极极片辊压轧力为50吨，进行连续辊压，制得极片两侧对称地均匀分布的沟槽2。亦可采用类似于具有相同凸台形貌结构的平板，将涂布后极片水平置于两个具有相同凸台形貌结构的平板之间，施加一定大小压力进行压制得到极片两侧对称地均匀分布的沟槽2。

参照图3、图4和图5，本发明实施例还提出一种极片辊压装置，包括：辊轴5以及辊轴5表面均匀分布凸台4；所述辊轴5表面均匀分布凸台4，辊压极片过程中在所述极片两侧的活性物质涂层1表面对称地辊压出均匀分布沟槽2。

上述特定辊轴5可以采用激光刻蚀圆柱形辊轴制备得到，制备得到的辊轴具有均匀分布凸台4的膜层结构，由上述两个相同的辊轴5同步辊压以制备极片活性物涂层表面的双面对称分布沟槽2。

进一步地，所述辊轴5表面均匀分布的凸台4为楔形凸台；所述凸台4间隙范围为100μm至500μm。

本发明实施例选用楔形凸台4制备简单，制作成本低，且能实现本发明实施例的发明目的。本发明实施例所述凸台4间隙范围为100μm至500μm，可以保持电极具有较高的比表面积，正负极表面孔隙对应区域有利于电解液的存储。

本发明实施例还提出一种锂离子电池，包括：正极极片、负极极片、隔离膜、外壳以及电解液，所述正极极片两侧的活性物质涂层表面对称地均匀分布沟槽；所述负极极片两侧的活性物质涂层表面对称地均匀分布沟槽。

上述锂离子电池的正极极片、负极极片均采用了两侧的活性物质涂层表面对称地均匀分布沟槽的结构设计，最大地提高电池极片电解液的保有量，最大化提高锂离子电池的电解液渗透性，进而提高锂离子电池的综合电性能。

本发明实施例中所涉及的正极极片、负极极片，可以只是正极极片或负极极片的两侧的活性物质涂层表面对称地均匀分布沟槽。而且所述沟槽的形状、大小、间距对于同一电池的正负极极片可随机匹配，但对于同一极片的两侧活性物质涂层表面的沟槽应均匀对称性的分布，以满足极片电流均匀分布的要求，减小电极极片局部电极化现象。

进一步地，所述正极极片的集流体为金属铝箔，所述铝箔厚度为10μm至15μm；所述负极极片的集流体为金属铜箔，所述铜箔厚度为6μm至10μm；所述正极极片、负极极片两侧的活性物质涂层厚度为200μm至300μm。

进一步地，所述正极极片正极活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为93～97:2～5:1～3；所述负极极片负极活性物质、导电剂、粘结剂质量比为91～95:2～5:3～6。

制备上述锂离子电池正极片：将正极材料镍钴锰酸锂LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂、导电剂碳黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比为95:3:2混合均匀后，加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)均匀搅拌混合，得到均匀正极极片浆料。将上述浆料涂覆于12μm厚度的金属铝箔集流体双面，涂覆双面厚度约为300μm，然后在110℃真空烤箱中烘干。

采用两个相同的表面均匀分布有楔形凸台的辊轴，在50吨压力下，对烘干后正极极片两面进行连续辊压，辊压后正极极片表面存在楔形沟槽，沟槽间隙距离为100μm，沟槽宽度为100μm，沟槽深度为100μm，且对称地均匀分布在正极极片两侧表面。

负极片制备：将负极活性物质人造石墨FSN-1、导电剂碳黑、粘结剂羧甲基纤维素(CMC)和丁苯橡胶(SBR)按照质量比为93:3:2:2混合均匀，加入溶剂去离子水均匀搅拌混合，得到均匀负极极片浆料。将上述浆料涂覆于8μm厚度的金属铜箔集流体双面，涂覆双面厚度约为300μm，然后在100℃真空烤箱中烘干。

采用两个相同的表面均匀分布有楔形凸台的辊轴，在15吨压力下，对烘干后负极极片两面进行连续辊压，辊压后负极极片表面存在楔形沟槽，沟槽间隙距离为100μm，沟槽宽度为120μm，沟槽深度为120μm，且对称地均匀分布在负极极片两侧表面。

制作锂离子动力电池：将上述工艺制备得到正极极片，负极极片，与PE/PP/PE陶瓷隔离膜按照卷绕或叠片方式组装成电芯，上述陶瓷隔膜为隔离膜双面涂覆有氧化铝陶瓷层。将电芯置于电池外壳中，真空干燥处理后进行焊接封装，并注入电解液，上述电解液为1.0mol/L的六氟磷酸锂电解液，以六氟磷酸锂(LiPF₆)为锂盐，碳酸乙烯酯(EC)，碳酸丙烯酯(PC)，碳酸二甲酯(DMC)为溶剂，各溶剂质量比为1:1:1。

本发明实施例对于上述具体实施例中的锂离子动力电池，给与了对比实施例中的锂离子动力电池，对比实施例中的锂离子动力电池正极极片、负极极片的配料、涂布工艺、涂层厚度、集流体参数等与上述具体实施例中的锂离子动力电池的完全相同，区别点仅在于极片辊压工艺中，采用表面光滑平整的圆柱形滚轴，在50吨压力下，对烘干后正极膜片两面进行连续辊压，以及采用表面光滑平整的圆柱形滚轴，在15吨压力下，对烘干后负极膜片两面进行连续辊压。锂离子动力电池的制作流程与上述具体实施例中的锂离子动力电池制作流程一致。

对上述具体实施例中的锂离子动力电池与对比实施例中的锂离子动力电池进行倍率性能测试，测试条件如下：

(1)在室温(25±2℃)条件下，单体锂离子动力电池先以1I₁(A)电流放电至2.8V，搁置30min，然后以1I₁(A)电流恒流充电至4.3V时转恒压充电，至充电电流降至0.05I₁(A)时停止充电，充电后搁置30min；

(2)然后以1I₁(A)电流恒流放电至2.8V，搁置30min；

(3)分别以1/2I₁(A)、1.0I₁(A)、2.0I₁(A)、3.0I₁(A)倍率电流恒流充电至4.3V时转恒压充电，至充电电流降至0.05I₁(A)时停止充电，充电后搁置30min。测试得到不同倍率电流下的充电容量。

上述具体实施例中的锂离子动力电池与对比实施例中的锂离子动力电池的倍率性能测试结果对比如下：

从上述两组锂离子动力电池的倍率性能测试结果对比可以看出，本发明具体实施例中由具有均匀双面对称沟槽分布的厚电极极片制备的锂离子动力电池的倍率性能，明显优于由光滑表面的厚电极极片制备的对比实施例中的锂离子动力电池的倍率性能。从上述数据更具体地显示了本发明实施例中提供的厚涂覆层电极极片表面具有特定形状的沟槽，更有利于厚涂敷电极极片电化学性能的发挥。本发明实施例中的厚涂敷极片制作工艺的创新不仅克服了厚极片带来的负面影响，同时避免了现有技术中为改善厚涂敷极片性能而带来的各种弊端。

本发明实施例中提供的厚涂覆层电极极片表面具有特定形状的沟槽，能显著提高电池电解液保有量，有利于电池长循环使用；而且厚涂覆层电极极片表面均匀分布特定形状沟槽，有利于电解液的渗透和扩散，提高了电池的充放电电化学性能；同时厚涂覆层电极极片表面均匀分布特定形状沟槽增加了极片的比表面积，降低了电池充放电过程中的极化电流密度，改善了大电流充电或低温充电负极极片析锂风险，提高了电池的安全使用性。本发明方案操作简单且极片孔隙容易控制，生产效率高，且不会损失电池能量密度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。