一种极片及包括该极片的锂离子二次电池的制作方法

本实用新型属于锂离子二次电池技术领域，尤其涉及一种极片及包括该极片的锂离子二次电池。

背景技术：

锂离子二次电池因具有比能量高、自放电低、循环寿命长、对环境无污染等优点，被广泛使用，其应用产品遍及人们生活的方方面面，如手机、笔记本电脑、蓝牙耳机等数码产品，以及电动工具、电动汽车、储能等动力领域。

随着电子产品的轻型化、微型化以及人们对高电能转换效率的渴求，相应的对锂离子二次电池的能量密度需求越来越强烈。为了提升锂离子二次电池的能量密度，一方面，极片压实密度越来越高，导致极片充电能力急剧恶化，不利于快速充电，并且极片孔隙减少，电解液不足，导致电池循环寿命下降；另一方面，极片活性材料面密度越来越高，正负极极片极化增大，不利于电池的倍率性能及循环性能。因此，如何兼顾高能量密度下电池的充电性能以及倍率性能，成为人们研究的重点。

技术实现要素：

为了改善现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种极片及包括该极片的锂离子二次电池，所述极片包括集流体、金属网和活性材料层；所述集流体一侧或两侧表面设置活性材料层，所述金属网嵌入所述活性材料层并与所述集流体连接。所述极片的使用可以减小极化，提高极片在高面密度下的动力学性能，进而提升电池的体积能量密度，同时可以降低极片的阻抗，提升锂离子二次电池的倍率性能。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

一种极片，所述极片包括集流体、金属网和活性材料层；所述集流体一侧或两侧表面设置活性材料层，所述金属网嵌入所述活性材料层并与所述集流体连接。

根据本实用新型，所述金属网包括第一边和与第一边相邻的第二边。

根据本实用新型，所述金属网的形状例如为长方形结构，其中所述第一边可以是长方形的长边，也可以是长方形的短边。以长方形结构的金属网为例，所述金属网的面积为所述第一边的长度乘以所述与第一边相邻的第二边的长度。

根据本实用新型，所述金属网的第一边与所述集流体连接，所述第一边与沿集流体长度方向的集流体的一边的夹角ɑ1满足以下关系：0°≤ɑ1≤90°，例如ɑ1为0°、30°、45°、60°或90°。

示例性地，夹角ɑ1＝0°时，即所述金属网的第一边与沿集流体长度方向的集流体的一边平行设置。

示例性地，夹角ɑ1＝90°时，即所述金属网的第一边与沿集流体长度方向的集流体的一边垂直设置。

根据本实用新型，所述金属网的与第一边相邻的第二边与集流体所在的平面的夹角ɑ2满足一下关系：0°≤ɑ2≤90°，例如ɑ2为0°、30°、45°、60°或90°。

示例性地，夹角ɑ2＝0°时，所述金属网与所述集流体所在的平面平行设置，即所述金属网设置在所述集流体表面。

示例性地，夹角ɑ2＝0°-90°之间，且不包括端点值时，所述金属网倾斜地设置在集流体表面。

示例性地，夹角ɑ2＝90°时，所述金属网与所述集流体所在的平面垂直设置。

根据本实用新型，所述金属网的与第一边相邻的第二边的长度l2与活性材料层的厚度d满足以下关系：l2×sinɑ2≤d。

示例性地，所述活性材料层的厚度d为10-500μm，例如为10μm、20μm、50μm、80μm、100μm、120μm、150μm、180μm、200μm、220μm、250μm、280μm、300μm、350μm、380μm、400μm、450μm、480μm或500μm。

示例性地，所述金属网的与第一边相邻的第二边的长度l2为10-1000μm，例如为10μm、20μm、50μm、80μm、100μm、120μm、150μm、180μm、200μm、220μm、250μm、280μm、300μm、350μm、380μm、400μm、450μm、480μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm、950μm或1000μm。

根据本实用新型，所述金属网的第一边的长度l1与集流体的宽度w满足以下关系：l1×sinɑ1≤w。

示例性地，所述集流体的宽度w为10mm-800mm，例如为10mm、20mm、50mm、80mm、100mm、120mm、150mm、180mm、200mm、220mm、250mm、280mm、300mm、350mm、380mm、400mm、450mm、480mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm或800mm。

示例性地，所述金属网的第一边的长度l1为10mm-2000mm，例如为10mm、20mm、50mm、80mm、100mm、120mm、150mm、180mm、200mm、220mm、250mm、280mm、300mm、350mm、380mm、400mm、450mm、480mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、1000mm、1200mm、1500mm、1800mm或2000mm。

根据本实用新型，所述极片应用于负极片时，所述金属网选自铜网。

根据本实用新型，所述极片应用于正极片时，所述金属网选自铝网。

根据本实用新型，所述金属网的网孔直径为b1，活性材料层中的活性材料的最大粒径为b2。

示例性地，所述活性材料层中的活性材料的最大粒径b2为10-200μm，例如为10μm、20μm、50μm、80μm、100μm、120μm、150μm、180μm或200μm。

示例性地，所述金属网的网孔直径b1≥100nm，例如100nm、200nm、500nm、800nm、1μm、2μm、5μm、10μm或20μm。

根据本实用新型，当金属网的数量大于1时，相邻金属网之间的距离c相同或不同，且相邻金属网之间的最小距离c1满足c1>b2，相邻金属网之间的最大距离c2满足c2<l，其中，b2为活性材料层中的活性材料的最大粒径，l为集流体的长度。

本实用新型中，所述的相邻金属网之间的距离c是指相邻设置的两个金属网的第一边之间的垂直距离。

示例性地，所述集流体的长度l为10mm-5000mm，例如为10mm、20mm、50mm、80mm、100mm、120mm、150mm、180mm、200mm、220mm、250mm、280mm、300mm、350mm、380mm、400mm、450mm、480mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、1000mm、1200mm、1500mm、1800mm、2000mm、3000mm、3500mm、4000mm或5000mm。

根据本实用新型，所述金属网的数量≥1，具体可以根据集流体的长度、相邻金属网之间的距离进行调整。

根据本实用新型，所述极片应用于负极片时，所述集流体选自铜箔，例如为多孔铜箔或刻蚀铜箔的一种。

根据本实用新型，所述极片应用于正极片时，所述集流体选自铝箔，例如为多孔铝箔或刻蚀铝箔的一种。

根据本实用新型，所述集流体厚度为4-25μm。

根据本实用新型，所述金属网厚度为1-30μm。

根据本实用新型，所述活性材料层包括活性材料和粘结剂。

根据本实用新型，所述活性材料层还包括导电剂和增稠剂。

根据本实用新型，所述活性材料层包括如下质量百分含量的各组分：

(a)活性材料60-99.9wt％；(b)导电剂0-15wt％；(c)粘结剂0.1-15wt％；(d)增稠剂0-10wt％。

优选地，所述活性材料层包括如下质量百分含量的各组分：

(a)活性材料70-97wt％；(b)导电剂1-10wt％；(c)粘结剂1-10wt％；(d)增稠剂1-10wt％。

根据本实用新型，所述活性材料为负极活性材料时选自石墨、硬碳、软碳、硅基材料、锡基材料、石墨烯等中的至少一种。

根据本实用新型，所述活性材料为正极活性材料时选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等中的至少一种。

根据本实用新型，所述导电剂选自超导碳、碳纳米管、炭黑等中的一种或几种。

根据本实用新型，所述粘结剂选自丁苯橡胶乳液(sbr)、聚丙烯酸(paa)、聚丙烯酸锂(paa-li)、聚丙烯酸钠(paa-na)、聚偏氟乙烯(pvdf)中的一种或几种。

根据本实用新型，所述增稠剂选自羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂等中的一种或几种。

本实用新型还提供上述极片的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)采用超声波焊接法将金属网与集流体焊接到一起，得到焊接有金属网的集流体；

(2)准备形成活性材料层的活性材料浆料，将所述形成活性材料层的活性材料浆料涂覆到步骤(1)的焊接有金属网的集流体表面，制备得到所述极片。

根据本实用新型，步骤(1)中，所述金属网例如是通过电解法或冲压法制备得到的。

根据本实用新型，步骤(2)中，准备形成正极活性材料层的正极活性材料浆料的方法包括：

将正极活性材料、粘结剂、导电剂及nmp加入行星搅拌罐中，以公转35hz，自转2200hz的搅拌速度搅拌5h，使其充分混合配制成出料粘度3500-8000mpa·s的正极浆料。

根据本实用新型，步骤(2)中，准备形成负极活性材料层的负极活性材料浆料的方法包括：

将负极活性材料、粘结剂、增稠剂、导电剂及去离子水加入行星搅拌罐中，以公转38hz，自转1200hz的搅拌速度搅拌8h，使其充分混合配制成出料粘度在1500-6000mpa·s的负极浆料。

本实用新型还提供一种锂离子二次电池，所述锂离子二次电池包括上述的极片。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供了一种极片及包括该极片的锂离子二次电池，所述极片包括集流体、金属网和活性材料层；所述集流体一侧或两侧表面设置活性材料层，所述金属网嵌入所述活性材料层并与所述集流体连接。本实用新型的极片形成了实际意义上的多集流体，有利于缩短锂离子的迁移路径，降低极片的极化，提升锂离子二次电池的循环性能；应用于负极片时，有利于提升负极片的充电能力，应用于正极片时，有利于降低正极片的阻抗，提升锂离子二次电池的倍率性能。由于多集流体的存在，可以大大提升活性材料的载量，从而有利于提升锂离子二次电池的能量密度。

附图说明

图1为本实用新型一个优选方式所述的极片的结构示意图。

附图说明：1是集流体；2是活性材料层；3是金属网。

图2为对比例1和实施例1-4的正极片的极片阻抗测试结果。

图3为对比例1和实施例1-4的正极片制得的锂离子电池进行不同倍率条件下的放电性能测试结果。

图4为对比例1和实施例5-9的负极片制得的锂离子电池进行不同倍率条件下的充电性能测试结果。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本实用新型做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本实用新型，而不应被解释为对本实用新型保护范围的限制。凡基于本实用新型上述内容所实现的技术均涵盖在本实用新型旨在保护的范围内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而并非指示或暗示相对重要性。

对比例1

正极集流体：厚度为10μm的铝箔。

负极集流体：厚度为8μm的铜箔。

配制正极浆料：

将97.0wt％正极活性材料钴酸锂(最大粒径b2<100μm)、1.5wt％粘结剂pvdf(聚偏氟乙烯)、1.5wt％导电剂superp及一定量的nmp加入行星搅拌罐中，以公转35hz，自转2200hz的搅拌速度搅拌5h，使其充分混合配制成出料粘度3500-8000mpa·s的正极浆料。

将正极浆料涂覆在上述正极集流体两侧表面，95℃下真空干燥，制备得到单面涂覆层厚度为120μm的正极层。

配制负极浆料：

将94.5wt％负极活性材料石墨(最大粒径b2<60μm)、2.0wt％粘结剂sbr、2.0wt％增稠剂cmc-na、1.5wt％导电剂superp(超导碳)及一定量的去离子水加入行星搅拌罐中，以公转38hz，自转1200hz的搅拌速度搅拌8h，使其充分混合配制成出料粘度在1500-6000mpa·s的负极浆料。

将负极浆料涂覆在上述负极集流体两侧表面，90℃下真空干燥，制备得到单面涂覆层厚度为150μm的负极层。

隔膜为锂电池用常规基材隔膜，电解液为锂离子电池商业用液态电解液。

将上述制备得到的正极片、负极片和隔膜采用卷绕工艺，搭配液态电解液制成锂离子电池。

实施例1

其他同对比例1，区别在于正极集流体不同：

选取形状规则的长方形铝网，所述铝网的第一边的长度与集流体的宽度相同，所述铝网的第二边的长度为100μm，所述铝网的网孔直径为500nm，所述铝网的厚度为20μm。

采用超声焊接的方法将6个上述结构的铝网焊接在铝箔的一侧表面，同时保证所述铝网的第一边与所述集流体连接，且铝网的第一边与沿集流体长度方向的集流体的一边垂直设置(ɑ1＝90°)，铝网与所述集流体所在的平面垂直设置(ɑ2＝90°)；相邻铝网之间的距离为10cm，得到正极集流体。

实施例2

其他同对比例1，区别在于正极集流体不同：

选取形状规则的长方形铝网，所述铝网的第一边的长度与集流体的宽度相同，所述铝网的第二边的长度为100μm，所述铝网的网孔直径为500nm，所述铝网的厚度为20μm。

采用超声焊接的方法将3个上述结构的铝网焊接在铝箔的一侧表面，将3个上述结构的铝网焊接在铝箔的另一侧表面，同时保证所述铝网的第一边与所述集流体连接，且铝网的第一边与沿集流体长度方向的集流体的一边垂直设置(ɑ1＝90°)，铝网与所述集流体所在的平面垂直设置(ɑ2＝90°)；相邻铝网之间的距离为10cm，得到正极集流体。

实施例3

其他同实施例1，区别在于采用超声焊接的方法将12个上述结构的铝网焊接在铝箔的一侧表面，相邻铝网之间的距离为10cm。

实施例4

其他同实施例2，区别在于采用超声焊接的方法将6个上述结构的铝网焊接在铝箔的一侧表面，将6个上述结构的铝网焊接在铝箔的另一侧表面，并将正极集流体两侧的正极活性材料层厚度由原来120μm分别变为150μm。

实施例5

其他同对比例1，区别在于负极集流体不同：

选取形状规则的长方形铜网，所述铜网的第一边的长度与集流体的宽度相同，所述铜网的第二边的长度为100μm，所述铜网的网孔直径为500nm，所述铜网的厚度为20μm。

采用超声焊接的方法将6个上述结构的铜网焊接在铜箔的一侧表面，同时保证所述铜网的第一边与所述集流体连接，且铜网的第一边与沿集流体长度方向的集流体的一边垂直设置(ɑ1＝90°)，铜网与所述集流体所在的平面垂直设置(ɑ2＝90°)；相邻铜网之间的距离为10cm，得到负极集流体。

实施例6

其他同对比例1，区别在于负极集流体不同：

选取形状规则的长方形铜网，所述铜网的第一边的长度与集流体的宽度相同，所述铜网的第二边的长度为100μm，所述铜网的网孔直径为500nm，所述铜网的厚度为20μm。

采用超声焊接的方法将3个上述结构的铜网焊接在铜箔的一侧表面，将3个上述结构的铜网焊接在铜箔的另一侧表面，同时保证所述铜网的第一边与所述集流体连接，且铜网的第一边与沿集流体长度方向的集流体的一边垂直设置(ɑ1＝90°)，铜网与所述集流体所在的平面垂直设置(ɑ2＝90°)；相邻铜网之间的距离为10cm，得到负极集流体。

实施例7

其他同实施例5，区别在于采用超声焊接的方法将12个上述结构的铜网焊接在铜箔的一侧表面，相邻铜网之间的距离为10cm。

实施例8

其他同实施例6，区别在于采用超声焊接的方法将6个上述结构的铜网焊接在铜箔的一侧表面，将6个上述结构的铜网焊接在铜箔的另一侧表面，并将负极集流体两侧的负极活性材料层厚度由原来150μm分别变为160μm。

实施例9

其他同实施例5，区别在于铜网的第二边的长度变为150μm。

测试例1

将对比例1和实施例1-9制得的正极片在相同条件下进行极片阻抗测试(采用四探针测试仪测试)，数据如图2和表1所示。

将对比例1和实施例1-4制得的正极片制得的锂离子二次电池进行不同倍率条件下的放电性能测试，数据如图3和表1所示。

其中，所述的倍率放电性能测试是以一定电流恒流恒压充满电，然后以0.2c的电流进行放电，得到0.2c放电下的电池容量；其他倍率放电的测试条件同上，区别在于放电电流不一样；将不同倍率放电下的电池容量与0.2c倍率下的电池容量比值得到不同倍率条件下的放电性能数据，具体测试结果如表1所示。

将对比例1和实施例5-9制得的负极片制得的锂离子二次电池进行不同倍率条件下的充电性能测试，数据如图4和表1所示。

其中，所述的倍率充电性能测试是以一定电流恒流放电至3.0v，然后以0.2c的电流进行恒流恒压充满电，恒流阶段的充电容量与整个充电阶段的容量比值得到0.2c充电倍率下的恒流充入比；其他倍率充电的测试条件同上，区别在于充电电流不一样，得到不同倍率条件下的充电性能数据，具体测试结果如表1所示。

表1实施例1-9和对比例1的锂离子二次电池的性能测试结果

表1中，实施例1-4用作正极片，主要考察正极片对锂离子电池倍率放电性能的影响，重点关注正极片的阻抗和倍率放电性能；实施例5-9用作负极片，主要考察负极片对锂离子电池倍率充电性能的影响。

此外，结合表1和图2-图4，可以得出如下结果：

结合表1和图2所示的测试结果表明，采用本实用新型的正极片，极片阻抗更小，当正极涂层厚度增加时，极片阻抗增大，但相比对比例1依然有优势，表明本实用新型的正极片支持更高的正极活性物质载量，提高正极片面密度，从而有利于提高电池能量密度。

结合表1和图3所示的测试结果表明，采用本实用新型的正极片制得的锂离子电池，具有更好的倍率放电性能，对于电动工具、启停电源等有大倍率放电性能需求的方向，具有显著优势。

结合表1和图4所示，本实用新型的负极片制得的电池恒流阶段的容量占电池总充电容量的比例更高，即恒流充入比更高，恒流充入比是衡量电池快充能力的指标，电池的充电速度主要取决于恒流充电阶段容量的占比，恒流充入比越高，电池快充性能越好，电池充满容量的时间也越短；图4的测试结果还表明，本实用新型的极片厚度增加，即活性物质载量提高，依然效果明显，这对于提高快充体系下电池的能量密度具有很大作用。

以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。