专利名称：一种锂离子电池极片的制备方法
技术领域：
本发明属于锂离子电池技术领域，更具体地说，本发明涉及一种具有大的表面孔隙率的锂离子电池极片的制备方法。
背景技术：
近几年来，各大电池终端厂商都在竞相推出各种轻薄、平板形的电子产品，如ipad, iphone,乐phone和kindle等。随着消费群体对电子产品的体验要求的不断增长，电子终端厂商赋予了电子产品更加丰富的功能，产品的显示屏也越来越大，这些导致的结果就是要求移动电源做成超薄型，同时又要保持高能量。从目前市场来看，锂离子电池是移动电子终端采用得最多的可循环充放电电源。众多锂离子电池制造商也在不断地加速轻薄而 高能量密度型的锂离子电池的开发进程。假如材料体系选择一定，即正极活性物质，负极活性物质，电解液一定，那么，从电池设计的角度来讲，要使电池既轻薄，能量又高，其中一个最直接的手段就是增加极片的压实密度。另一个很好的手段就是增加极片的厚度，以减少集流体、隔膜等辅助材料在电池厚度方面的负面贡献。但是，增加极片的压实密度，极片中的孔隙率将降低，从而导致极片的电解液吸收能力变差，电解液在极片中的流通不畅，进而影响电池的充放电性能，如极化增加、低温析出裡枝晶等。而若采用增加极片的厚度的方法，将会增加电解液在极片表层和极片内层的浓度梯度，进而导致锂离子电池在充放电的过程中极化增加，活性物质的容量发挥不充分等。另外，本发明的发明人在研究过程中发现，极片在压制的过程中，表面的孔道大量被堵塞，这更加妨碍了极片对电解液的吸收。有鉴于此，确有必要提供一种具有大的表面孔隙率的锂离子电池极片的制备方法，以增强电解液在极片中的浸润性能，改善锂离子电池的电化学性能。
发明内容
本发明的发明人在经过大量试验研究后发现，现有技术中极片经过压实后，导致电解液在极片中流通不畅的区域主要集中在距离极片表面的少于30 y m的表面层。这将导致以下不利后果一方面，在电池制作的过程中，电解液对极片的浸润性变差，完全浸润通常需要较长时间，这将导致电池生产工序时间增长，生产效率低下；另一方面，由于极片表面孔隙率的低下，导致电池在充放电过程中，锂离子在极片中的穿梭将变得困难，即将降低电池的倍率充/放电性能、低温性能等。基于以上问题，本发明的目的在于针对现有技术的不足，而提供一种具有大的表面孔隙率的锂离子电池极片的制备方法，以增强电解液在极片中的浸润性能，改善锂离子电池的电化学性能。为了达到上述目的，本发明采用如下方案
一种锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤在集流体上涂覆含有活性物质的浆料，烘干，得到待处理极片；在待处理极片的至少一个表面上放置缓冲材料层；将设置有缓冲材料层的待处理极片通过压辊进行压制后，分离缓冲材料层和极片。本发明在极片压实过程中增加缓冲材料层，对缓冲材料层与极片共同进行压制，可有效改善极片表面的孔道结构，在该极片表面滴50uL电解液溶液(溶剂为质量比为I I的碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯的混合物，溶质为IM LiPF6)时，电解液液珠被极片完全 吸收时间不超过3min，其原因在于，采用本发明的方法对缓冲材料层和极片共同冷压以后，极片表面的孔道结构得到完好的保护，表面孔隙率显著增加，当电解液滴加到电解表面以后，更各易渗透到极片表面的内部。本发明中由于缓冲材料层的存在，当极片和缓冲材料层一起经过压辊进行压实时，可以把极片和缓冲材料层当成一个整体，即极片出现了一个新的表面层，那么在压实的过程中真正的极片表面变成了极片与缓冲材料层整体的内层，因而缓冲材料层起到了保护极片表面的孔道结构的作用，进而可确保电解液在极片中的流动更畅通，锂离子的动力学过程更加容易，电池的极化更小，从而提高了电池的生产效率，提高了活性物质的质量比容量发挥，改善了电池的倍率充/放电性能和低温性能。由于极片对电解液的吸收时间大大缩短，在电池制作过程中就可以提高电解液的注入速度也不会有电解液溢出的风险。因此，采用本发明的方法，可大大提高电池的生产效率。作为本发明锂离子电池极片的制备方法的一种改进，所述缓冲材料层为高分子薄膜层。高分子薄膜层具有一定的柔性，可以起到保护极片表面孔道结构的作用，同时又不会对极片表面造成损伤。作为本发明锂离子电池极片的制备方法的一种改进，所述缓冲材料层具有多孔结构。作为本发明锂离子电池极片的制备方法的一种改进，所述缓冲材料层的材质为聚烯烃、卤代聚烯烃或聚酯化合物。 作为本发明锂离子电池极片的制备方法的一种改进，所述的缓冲材料层的材质为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)或聚苯并咪唑(PBI)。作为本发明锂离子电池极片的制备方法的一种改进，所述缓冲材料层的厚度为5 500um。作为本发明锂离子电池极片的制备方法的一种改进，所述极片的厚度大于等于60um。本发明在厚度大于等于60um的极片上的改善作用更加明显。作为本发明锂离子电池极片的制备方法的一种改进，所述缓冲材料层的长度大于等于所述极片的长度。所述缓冲材料层的宽度大于等于所述极片的宽度。作为本发明锂离子电池极片的制备方法的一种改进，所述极片为正极片或负极片。相对于现有技术，本发明至少具有以下几个显著的优点
—是本发明由于在压实过程中在极片的表面设置缓冲材料层，可以有效地保护极片表面的孔隙，使得锂离子能更通畅地在极片中穿梭；二是采用本发明制备的极片对电解液的吸收时间大大缩短，在电池制作过程中就可以提高电解液的注入速度也不会有电解液溢出的风险。因此，采用本发明的方法，可大大提高电池的生产效率，而且本发明本身简单易行、操作方便。三是采用该方法制备的极片制作的锂离子电池的电化学性能得到了明显改善，如活性物质的质量比容量，低温锂枝晶析出情况均得到了明显的改善，随着极片厚度的增加，采用本发明所提及的方法制得的电池性能改善更加明显，应用前景广阔。
图I为本发明中极片的压制过程示意图； 图2为本发明实施例I至3、对比例I和对比例2的电池在25°C下对应活性物质的质量比容量对比图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。锂离子电池的具体制作过程如下正极片的制作正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极膜片，正极膜片包括正极活性物质、粘结剂和导电碳，其中各物质的质量比例关系如下正极活性物质粘结剂导电碳=(0. 8 0. 98) (0. I 0. 01) (0. I 0. 01)。将正极活性物质、粘结剂和导电碳按照上述比例混合均匀以后加入溶剂中(以下实施例中，正极活性物质为9kg,粘结剂为0. 5kg,导电碳为0. 5kg,),快速激烈搅拌12h后,再真空慢速搅拌2h得到所需的正极浆料；然后将正极浆料采用刮刀法或挤压法在正极集流体上进行均匀涂布，并置于110±10°C的环境下干燥6分钟后得到正极片。负极片的制作负极包括负极负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极膜片，负极膜片包括负极活性物质、粘结剂、增稠剂和导电碳，其中各物质的质量比例关系如下负极活性物质粘结剂增稠剂导电碳=(0. 8 0. 96) (0. I 0. 02) (0. 05 0.01) (0.05 0.01)。将负极活性物质和导电碳按照上述比例混合均匀以后加入溶齐U，快速激烈搅拌12h后，最后按照比例加入粘结剂，再真空慢速搅拌Ih得到所需的负极衆料(以下实施例中，负极活性物质为7. 5kg,导电碳为0. 42kg,粘结剂为0. 42kg,增稠剂为0. 42kg);然后将负极浆料采用刮刀法或挤压法在负极集流体上进行均匀涂布，并置于85± 10°C的环境下干燥6分钟后得到负极片。通过控制正负极的涂布重量比，保证负极容量/正极容量为0. 70 I. 30。如图I所示，在极片I (正极和/或负极片)表面设置缓冲材料层2，然后将极片I和缓冲材料层2 —起放到压辊3上进行压制，将极片I的压实密度压制到负极片的压实密度为0. 8 I. 9g/cm3,正极片的压实密度为3. 6 4. 2g/cm3。组装测试过程将正负极片按设计的规格裁成条状，本发明中任意选取了一个常规规格(涂膜区长X宽)正极片为816mmX87mm，负极片为820mmX90mm，隔膜采用厚度为12 25um的隔膜，以卷绕或叠片的方式组装成电池。电池经高温烘烤以后，注入电解液，电解液采用碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合液为溶剂(EC和EMC的质量比为3 7)，lmol/L六氟磷酸锂(LiPF6)为锂盐(该电解液即为以下实施例和对比例所用电解液)，然后将电池进行真空封装，即完成了锂离子二次电池的组装。电池制作完成后，将电池进行电化学激活。经过以上制作过程后，所制得的锂离子电池即可交付测试或者用户使用。其中，本发明的测试主要包括以下测试 容量测试以电池的容量值为IC电流值，保持25°C恒温，以0. 5C的恒定电流充电到4. 2V，再将电池在4. 2V下保持恒压充电，直至电流降至0. 05C ;再以0. 5C的恒定电流放电到3. 0V，并以此容量来计算活性材料的质量比容量。倍率放电测试以电池的容量值为IC电流值，保持25°C恒温，以0. 5C的恒定电流充电到4. 2V，再将电池在4. 2V下保持恒压充电，直至电流降至0. 05C ;再以3C的恒定电流放电到3. 0V，将此处测得的电池容量除于25°C测得的容量做比较即为3C放电率。低温测试保持23°C恒温，以0. 5C的恒定电流充电到4. 2V，再将电池在4. 2V下保持恒压充电，直至电流降至0. 05C ;再以0. 5C的恒定电流放电到3. 0V，如此循环充放电10次，而后将电池拆开，观察负极片的锂枝晶析出情况。以下的实施例描述具体涉及该锂离子电池以及使用该类锂离子电池表现出来的改进的性能。实施例I如上述锂离子电池制作过程所述，采用钴酸锂(LiCoO2)作为正极活性物质，粘结剂用聚偏氟乙烯(PVDF)，导电剂选用导电炭黑，将混制的浆料涂布在铝箔构成的正极集流体的两面后，烘干，得到待处理正极片，然后将待处理极片与厚度为20um的PP材质多孔膜一起在压辊机3上进行压制，使正极片的压实密度为4. lg/cm3，然后去除此多孔膜以后即得到正极片。采用高能量密度石墨作为负极活性物质，SBR(聚苯乙烯、丁二烯悬浮液)作为粘结剂，CMC (羧甲基纤维素钠)作为增稠剂，导电炭黑作为导电剂，将混制的浆料涂布在铜箔构成的负极集流体的两面后，烘干后得到待处理负极片。然后将待处理负极片厚度为20um的PP材质多孔膜一起在压辊机3上进行压制，使负极片的压实密度为I. 6g/cm3，然后去除此多孔膜以后即得到负极片。将制备所得的正极片、负极片以及隔膜以卷绕方式制成电芯，电池外包装采用铝塑复合膜，将电芯置入外包装后烘烤，灌注电解液，经电化学激活等工艺后制成容量为1450mAh的软包装锂离子电池。实施例2 9 :实施例2 9中所用正极活性物质、负极活性物质、缓冲材料层材质和极片压实密度见表1，具体制备过程请参照上述段落所述的正极片的制备、负极片的制备、电解液组成与组装测试过程。表I :实施例2 9所用正负极活性材料、缓冲材料层材质和极片压实密度及测试
结果
权利要求
1.ー种锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 在集流体上涂覆含有活性物质的浆料，烘干，得到待处理极片； 在待处理极片的至少ー个表面上放置缓冲材料层； 将设置有缓冲材料层的待处理极片通过压辊进行压制后，分离缓冲材料层和极片。
2.根据权利要求I所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于所述缓冲材料层为高分子薄膜层。
3.根据权利要求I所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于所述缓冲材料层具有多孔结构。
4.根据权利要求2所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于所述缓冲材料层 的材质为聚烯烃、卤代聚烯烃或聚酯化合物。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于所述的缓冲材料层的材质为聚丙烯(PP)、聚こ烯(PE)、聚对苯ニ甲酸こニ醇酯(PET)、聚偏氟こ烯(PVDF)、聚こ烯醇(PVA)或聚苯并咪唑(PBI)。
6.根据权利要求I所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于所述缓冲材料层的厚度为5 500um。
7.根据权利要求I所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于所述极片的厚度大于等于60um。
8.根据权利要求I所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于所述缓冲材料层的长度大于等于所述极片的长度，所述缓冲材料层的宽度大于等于所述极片的宽度。
9.根据权利要求I所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于所述极片为正极片或负极片。
全文摘要
本发明属于锂离子电池技术领域，更具体地说，本发明涉及一种锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤在集流体上涂覆含有活性物质的浆料，烘干，得到待处理极片；在待处理极片的至少一个表面上放置缓冲材料层；将设置有缓冲材料层的待处理极片通过压辊进行压制后，分离缓冲材料层和极片。相对于现有技术，本发明由于在压实过程中在极片的表面设置缓冲材料层，可以有效地保护极片表面的孔隙，使得锂离子能更通畅地在极片中穿梭，采用该方法制备的极片制作的锂离子电池的电化学性能得到了明显改善，如活性物质的质量比容量，低温锂枝晶析出情况等，且随着极片厚度的增加，采用本发明所提及的方法制得的电池性能改善更加明显，应用前景广阔。
文档编号H01M4/139GK102637848SQ20121009839
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者尚玉芬, 袁庆丰, 陈小波 申请人:宁德新能源科技有限公司