一种极片表涂的制备方法、具有表涂的极片和锂离子电池与流程

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种极片表涂的制备方法、具有表涂的极片和锂离子电池。

背景技术：

锂离子电池使用寿命长，工作电压高，能量密度大，安全性能好被广泛应用于社会各个领域。近年来电动车领域，对于锂离子电池能量密度的需求不断提升，高能量密度、高倍率充放电、高安全性、电解液注液量不断降低等需求越来越严苛，正负极尤其是硅碳体系的低膨胀率也提出更高的要求。

锂离子电池经过多次充放电循环后，正负极都会有不同程度膨胀，膨胀过大对于电池容量发挥、循环、高低温性能、安全性能等都有严重影响。业内通过在正负极极片活性物表面涂覆一绝缘涂层，如陶瓷涂层等，依靠绝缘涂层自身的强度，抑制正负极的过度膨胀反弹，具有一定的效果。

公开号为cn107565089a的中国专利一种制备极片表涂更加致密陶瓷涂层的方法及电池，提到在极片表面设置致密陶瓷涂层的方法来抑制极片的膨胀反弹。

公开号为cn02222787a的中国专利锂离子电池极片、电池及高电池安全性方法，提到正极表面涂覆特定厚度的绝缘层以提高锂离子电池的安全性能、循环性能及大倍率放电性能等。

公开号为cn107681113a的中国专利正极片及其制备方法以及二次电池，采用纳米无机氧化物陶瓷材料涂覆于正极活性物表面形成多孔无机物薄膜层，以提高安全性能和循环性能。

公开号为cn107437623a的中国专利锂离子电池正极片及其制备方法，公开了在正极活性物表面设置间隔凸型聚合物导电涂层，在极片与隔离膜之间形成支撑骨架，使得极片与隔离膜之间存在缓冲间隙，给循环过程中膨胀应力集中的极片创造缓冲空间，可有效释放循环过程中极片的膨胀应力，减少因极片膨胀导致的扭曲变形，提高锂离子电池的安全性能和循环寿命。

传统技术方案中，表涂都是通过湿法涂布方式将表涂浆料直接涂覆于正极或负极活性物层上，表涂浆料中存在的有机溶剂、水分、添加剂等小分子会渗入活性物层，影响活性物层中粘结剂、导电剂的排列，或在活性物层孔隙中存在残留，从而对极片性能造成不同程度的影响，对电池循环、倍率性能带来不可预测的影响；通常表涂厚度都较薄，一般为0.5-5μm不等，在涂布表涂过程中极片易受损伤，浆料固含量低于40％，涂布速度低于40m/min，涂布工艺方式选择受到限制，无形中增加了voc排放和能源的消耗，限制了涂布良率的提升。传统表涂涂布是在极片碾压完成后进行的，这种方式下极片生产周期延长是必然的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种极片表涂的制备方法、具有表涂的极片和锂离子电池，该极片表涂的制备方法可替代传统的极片碾压后再湿法涂覆表涂的方法，避免了传统涂覆表涂过程中，表涂浆料中的溶剂等小分子对极片活性物层造成损伤，也避免了极片的机械损伤，提高了表涂的涂布效率及良率，减少了voc排放，缩短了极片、电池的制造周期。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种极片表涂的制备方法，包括以下步骤：

(1)离型膜上涂布表涂：将表涂浆料涂覆于离型膜的离型层上，表涂浆料在离型层的表面形成表涂层，表涂层和离型膜组成带有表涂层的离型膜；

(2)表涂层热压转移：极片碾压机与极片收卷机之间设置有热压转移装置，通过热压转移装置将步骤(1)中的表涂层转移到碾压后的极片的表面，得到具有表涂的极片。

进一步的，步骤(2)中的热压转移装置包括位于碾压后的极片上方的上热压转移装置、位于碾压后的极片下方的下热压转移装置，上热压转移装置和下热压转移装置对称设置，上热压转移装置包括沿碾压后的极片的运动方向依次设置的上放卷辊、上压辊、上收卷辊，下热压转移装置包括沿碾压后的极片的运动方向依次设置的下放卷辊、下压辊、下收卷辊，上热压转移装置和下热压转移装置对碾压后的极片的两面同时热压转移表涂层，碾压后的极片的下方设有用于传送碾压后的极片的第一传送辊和第二传送辊。

进一步的，上放卷辊和上压辊之间依次设有上纠偏器和上舒展辊，上压辊和上收卷辊之间依次设有上机速传感器和上导辊；下放卷辊和下压辊之间设有依次设有下纠偏器和下舒展辊，下压辊和下收卷辊之间依次设有下机速传感器和下导辊。

采用上述技术方案，上纠偏器和下纠偏器防止物料跑偏，上机速传感器和下机速传感器实施检测物料的速度。

进一步的，上压辊和下压辊的直径相同，均为100-500mm，上压辊和下压辊的材质为金属、尼龙、硅胶中的任意一种。

进一步的，通过热压转移装置将步骤(1)中的表涂层转移到碾压后的极片的表面的具体步骤为：

将碾压后的极片放置于第一传送辊和第二传送辊上，碾压后的极片向极片收卷机方向运动；

上放卷辊上缠绕有步骤(1)得到的带有表涂层的离型膜，表涂层位于远离上放卷辊的一侧，带有表涂层的离型膜依次经过上纠偏器、上舒展辊、上压辊，经过上压辊的热压后，在热和压力作用下，表涂层从离型层上剥离下来，转移并粘结到碾压后的极片的表面，得到具有表涂的极片和不带有表涂层的离型膜，不带有表涂层的离型膜依次经过上机速传感器、上导辊，最后缠绕于上收卷辊上以回收再利用；

下放卷辊上缠绕有步骤(1)得到的带有表涂层的离型膜，表涂层位于远离下放卷辊的一侧，带有表涂层的离型膜依次经过下纠偏器、下舒展辊、下压辊，经过下压辊的热压后，在热和压力作用下，表涂层从离型层上剥离下来，转移并粘结到碾压后的极片的表面，得到具有表涂的极片和不带有表涂层的离型膜，不带有表涂层的离型膜依次经过下机速传感器、下导辊，最后缠绕于下收卷辊上以回收再利用；

上热压转移装置、下热压转移装置、极片碾压机保持联动。

进一步的，上压辊和下压辊的碾压压力为0.1-0.6mpa，上压辊和下压辊的表面温度为20-150℃。

进一步的，步骤(1)中表涂浆料的固含量≥50％，表涂浆料通过湿法涂布的方法涂覆于离型膜的离型层上。

进一步的，离型膜的基材为pet膜，pet膜的厚度为10-25μm，表涂层与离型层之间的剥离强度为0.1-2n/m，离型层与pet膜的剥离强度为20-100n/m，表涂层与碾压后的极片之间的剥离强度为10-100n/m。

优选地，不带有表涂层的离型膜重复利用10次时，表涂层与离型层之间的剥离强度为0.1-2n/m。

本发明还提供了一种采用上述极片表涂的制备方法生产的具有表涂的极片。

本发明还提供了一种采用上述具有表涂的极片的锂离子电池。

相对于现有技术，本发明所述的极片表涂的制备方法、具有表涂的极片和锂离子电池具有以下优势：

通过热压转移装置将预先涂覆于离型层上的表涂层(见图2)转移到极片活性物层表面，得到具有所需表涂的极片，避免了传统涂覆表涂过程中，浆料中的溶剂、添加剂等小分子对极片活性物层造成损伤，也避免了极片的机械损伤，提高表涂的涂布效率及良率；因pet膜具有良好的力学性能、耐温性、尺寸稳定性和较高的抗拉强度，因此，可以提高干燥温度，实现高速涂布；同时采用高固含量的表涂浆料通过湿法涂布方式，达到减少voc排放，降低能源消耗的目的；通过对极片生产流程的重新整合，对比图3和图4，可知本发明所述的方法缩短了极片、电池的制造周期。

本发明所述的方法制备的极片表涂具有较高的机械强度、与活性物层良好的粘结强度，可以抑制极片膨胀反弹，提高保液能力，改善锂离子电池的安全稳定性、循环性能。

附图说明

图1为本发明所述的热压转移装置的整体结构示意图；

图2为本发明所述的带有表涂层的离型膜的结构示意图；

图3为传统的极片表涂制备方法的流程图；

图4为本发明所述的极片表涂制备方法的流程图；

图5为本发明所述的实施例1制备得到的正极片的表涂层与活性物层的截面sem图；

图6为本发明所述的实施例1制备得到的正极片的表涂层的表面sem图；

图7为本发明所述的各实施例及对比例中制备得到的电池的高温循环性能测试结果。

其中附图标注说明如下：

1、碾压后的极片；11、集流体；12、活性物层；13、转移到活性物层上的表涂层；2、带有表涂层的离型膜；20、pet膜；21、离型层；22、表涂层；23、不带有表涂层的离型膜；3、具有表涂的极片；30、第一传送辊；31a、上放卷辊；31b、下放卷辊；32a、上舒展辊；32b、下舒展辊；33a、上压辊；33b、下压辊；34a、上导辊；34b、下导辊；35a、上收卷辊；35b、下收卷辊；36、第二传送辊；41a、上纠偏器；41b、下纠偏器；42a、上机速传感器；42b、下机速传感器。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面结合实施例及附图来详细说明本发明。

实施例1

准备涂布完正极材料的正极片，将固含量为50％的表涂浆料，以60m/min的机速涂布于离型膜上，得到所需的带有表涂层的离型膜2，表涂层22的厚度为1.5μm。其中，离型层21与pet膜20的剥离强度为21n/m，表涂层22和离型层21之间的剥离强度为0.1n/m。如图1所示，将涂布完的正极片装载于极片碾压机的放卷装置上；将带有表涂层的离型膜2(见图2)装载于热压转移装置的上放卷辊31a和下放卷辊31b上，表涂层22位于靠近极片的一侧；热压转移装置的上压辊33a和下压辊33b采用金属光辊，表面的温度设定为20℃；启动极片碾压机，碾压后的正极片进入热压转移装置，同时启动热压转移装置，带有表涂层的离型膜2压合上压辊33a和下压辊33b，压力设定为0.1mpa，经过上压辊33a和下压辊33b压合后，表涂层22从离型层21上剥离下来，完整转移并粘结在正极活性物层12表面，得到具有表涂的正极片b，转移到活性物层12上的表涂层22见图1。留样，测试表涂层22剥离强度、外观形貌、厚度等。将具有表涂的正极片b和负极片a0经过冲切、叠片、焊接、注液、封装、预充、高温化成、分容得到锂离子电池。测试得到的锂离子电池的安全、循环性能。

如图1所示，步骤(2)中碾压后的极片1包括集流体11，集流体11的两侧涂覆有活性物层12。

如图4所示，本发明的极片表涂制备方法的流程图；如图3所示，传统的极片表涂制备方法的流程图。对比图3和图4，可知本发明所述的方法缩短了极片、电池的制造周期。

如图5所示，为得到的正极片的表涂层22与活性物层12的截面sem图，左上角为表涂层22，右下角为活性物层12，可以看到表涂层22完整并平整地涂覆在活性物层12的表面。

如图6所示，为得到的正极片的表涂层22的表面sem图，可以看到表涂层22的表面非常平整且没有破损。

实施例2

准备涂布完负极材料的负极片，将固含量为55％的表涂浆料，以80m/min的机速涂布于离型膜上，得到所需的带有表涂层的离型膜2，表涂层22的厚度为2μm。其中，离型层21与pet膜20的剥离强度为23n/m，表涂层22和离型层21之间的剥离强度为0.3n/m。如图1所示，将涂布完的负极片装载于极片碾压机的放卷装置上；将带有表涂层的离型膜2(见图2)装载于热压转移装置的上放卷辊31a和下放卷辊31b上，表涂层22位于靠近极片的一侧；热压转移装置的上压辊33a采用金属光辊，下压辊33b采用硅胶辊，上压辊33a表面的温度设定为30℃，下压辊33b表面的温度设定为50℃；启动极片碾压机，碾压后的负极片进入热压转移装置，同时启动热压转移装置，带有表涂层的离型膜2压合上压辊33a和下压辊33b，压力设定为0.2mpa，经过上压辊33a和下压辊33b压合后，表涂层22从离型层21上剥离下来，完整转移并粘结在负极活性物层12表面，得到具有表涂的负极片c。留样，测试表涂层22剥离强度、外观形貌、厚度等。将正极片b0和负极片c经过冲切、叠片、焊接、注液、封装、预充、高温化成、分容得到锂离子电池。测试得到的锂离子电池的安全、循环性能。

实施例3

准备涂布完负极材料的负极片，将固含量为60％的表涂浆料，以100m/min的机速涂布于离型膜上，得到所需的带有表涂层的离型膜2，表涂层22的厚度为3μm。其中，离型层21与pet膜20的剥离强度为20n/m，表涂层22和离型层21之间的剥离强度为0.5n/m。如图1所示，将涂布完的负极片装载于极片碾压机的放卷装置上；将带有表涂层的离型膜2(见图2)装载于热压转移装置的上放卷辊31a和下放卷辊31b上，表涂层22位于靠近极片的一侧；热压转移装置的上压辊33a和下压辊33b采用尼龙辊，表面的温度设定为70℃；启动极片碾压机，碾压后的负极片进入热压转移装置，同时启动热压转移装置，带有表涂层的离型膜2压合上压辊33a和下压辊33b，压力设定为0.3mpa，经过上压辊33a和下压辊33b压合后，表涂层22从离型层21上剥离下来，完整转移并粘结在负极活性物层12表面，得到具有表涂的负极片d。留样，测试表涂层22剥离强度、外观形貌、厚度等。将正极片b0和负极片d经过冲切、叠片、焊接、注液、封装、预充、高温化成、分容得到锂离子电池。测试得到的锂离子电池的安全、循环性能。

实施例4

准备涂布完负极材料的负极片，将固含量为60％的表涂浆料，以80m/min的机速涂布于离型膜上，得到所需的带有表涂层的离型膜2，表涂层22的厚度为5μm。其中，离型层21与pet膜20的剥离强度为20n/m，表涂层22和离型层21之间的剥离强度为0.8n/m。如图1所示，将涂布完的负极片装载于极片碾压机的放卷装置上；将带有表涂层的离型膜2(见图2)装载于热压转移装置的上放卷辊31a和下放卷辊31b上，表涂层22位于靠近极片的一侧；热压转移装置的上压辊33a和下压辊33b采用硅胶辊，表面的温度设定为120℃；启动极片碾压机，碾压后的负极片进入热压转移装置，同时启动热压转移装置，带有表涂层的离型膜2压合上压辊33a和下压辊33b，压力设定为0.4mpa，经过上压辊33a和下压辊33b压合后，表涂层22从离型层21上剥离下来，完整转移并粘结在负极活性物层12表面，得到具有表涂的负极片e。留样，测试表涂层22剥离强度、外观形貌、厚度等。将正极片b0和负极片e经过冲切、叠片、焊接、注液、封装、预充、高温化成、分容得到锂离子电池。测试得到的锂离子电池的安全、循环性能。

实施例5

准备涂布完负极材料的负极片，将固含量为65％的表涂浆料，以80m/min的机速涂布于离型膜上，得到所需的带有表涂层的离型膜2，表涂层22的厚度为4μm。其中，离型层21与pet膜20的剥离强度为20n/m，表涂层22和离型层21之间的剥离强度为1.0n/m。如图1所示，将涂布完的负极片装载于极片碾压机的放卷装置上；将带有表涂层的离型膜2(见图2)装载于热压转移装置的上放卷辊31a和下放卷辊31b上，表涂层22位于靠近极片的一侧；热压转移装置的上压辊33a采用硅胶辊，下压辊33b采用尼龙辊，上压辊33a表面的温度设定为120℃，下压辊33b表面的温度设定为110℃；启动极片碾压机，碾压后的负极片进入热压转移装置，同时启动热压转移装置，带有表涂层的离型膜2压合上压辊33a和下压辊33b，压力设定为0.5mpa，经过上压辊33a和下压辊33b压合后，表涂层22从离型层21上剥离下来，完整转移并粘结在负极活性物层12表面，得到具有表涂的负极片f。留样，测试表涂层22剥离强度、外观形貌、厚度等。将正极片b0和负极片f经过冲切、叠片、焊接、注液、封装、预充、高温化成、分容得到锂离子电池。测试得到的锂离子电池的安全、循环性能。

对比例1

准备涂布、碾压后的正极片b0，涂布、碾压后的负极片a0，经过冲切、叠片、焊接、注液、封装、预充、高温化成、分容得到锂离子电池。

对比例2

准备涂布、碾压后的正极片b0，涂布、碾压后的负极片a0。将30％固含量的表涂浆料涂布于负极片a0上，干涂层厚度为3.8μm，得到具有表涂的负极片a1；将正极片b0和负极片a1经过冲切、叠片、焊接、注液、封装、预充、高温化成、分容得到锂离子电池。

对比例3

准备涂布、碾压后的正极片b0，涂布碾压后的负极片a0。将30％固含量的表涂浆料涂布于正极片b0上，干涂层厚度为1.5μm，得到具有表涂的正极片b1；将正极片b1和负极片a0经过冲切、叠片、焊接、注液、封装、预充、高温化成、分容得到锂离子电池。

试验例1

对各实施例及对比例制备得到的极片的理化性能进行检测，检测数据见表1。

表1各实施例及对比例制备得到的极片的理化性能

由表1可知，采用本发明的极片表涂的制备方法制备得到的具有表涂的极片及锂离子电池，在不同的热压转移加工工艺下制得的具有表涂的极片的反弹减小，随着表涂层是厚度的增大，表涂层的强度增大，抑制反弹效果变好；同样厚度情况下，对比对比例3和实施例1(在改善负极反弹方面)、对比例2和实施例5(在改善负极反弹方面)，本发明的极片表涂的制备方法比传统极片表涂的制备方法制备得到的具有表涂的极片反弹量更低。

试验例2

对各实施例及对比例中制备得到的锂离子电池进行针刺实验，结果如表2所示。

表2各实施例及对比例制备得到的锂离子电池的针刺实验数据

由表2可知，实施例1-5及对比例2-3均未发生起火冒烟现象，最高温度不超过150℃，且在整个过程中锂离子电池保持稳定，本发明制备得到的锂离子电池与传统方法制备得到锂离子电池在安全性方面表现相当，说明采用本发明的表涂正负极片制备得到的锂离子电池在针刺试验中的安全性能得到改善。

试验例3

对各实施例及对比例制备得到的锂离子电池的高温循环性能进行测试，测试结果见图7。

测试条件：45℃，1c-1c循环。

由图7可知，实施例1-5制备得到的锂离子电池在循环过程中，容量保持率相对于对比例1得到了提升。达到了在极片活性物层的表面设置表涂层提高锂离子电池循环性能的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。