一种含陶瓷涂层的锂电池极片结构及其制备工艺的制作方法

本发明属于锂电池领域，特别涉及一种含陶瓷涂层的锂电池极片结构及其制备工艺。

背景技术：

随着锂离子电池的广泛使用，锂离子电池的安全是我们需要优先考虑的问题，特别是乘用车等关系到我们生命财产安全的领域，安全更是重中之重，为了确保锂离子电池的安全性，人们设计了多种安全性测试来保证锂离子电池在滥用的情况下的安全性，因此如何通过电池结构设计确保锂离子电池能够通过安全性测试，从而保证在使用中的安全性，就是我们需要考虑的问题，其中热失控是锂离子电池最为严重的安全问题，热失控往往伴随着起火、浓烟等严重的后果，对于锂离子电池使用者的生命和财产安全构成了很大的威胁，我们对于锂离子电池热失控的检测主要是基于电池温度，根据研究，热失控的起因一般都是因为机械滥用、电滥用等导致短时间内产生大量热量，受到锂离子电池热扩散条件的限制，热量大量在锂离子电池内部积累，引起正负极活性物质分解、释放活性氧，进一步导致电解液的氧化分解，产生更多的热量，最终引起锂离子电池的热失控，因此对于锂离子电池安全性的控制主要是基于对其温度的监控，现有技术中在隔膜的涂层上进行研究，具有一定的效果，但是仍然存在一定的问题，因此，申请人提出本申请。

本发明提到的油系为不溶于水的粘结剂，水系为溶于水的粘结剂。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种含陶瓷涂层的锂电池极片结构，包括极片本体，所述极片本体包括集流体和涂覆在集流体上的浆料膜片，所述浆料膜片上均匀开设有微孔，所述微孔贯穿浆料膜片的两侧表面；所述浆料膜片至少一表面涂覆有陶瓷涂层。

优选地，所述极片本体为负极极片，所述浆料膜片包括负极活性物质、第一粘接剂、导电剂以及极片溶剂。

优选地，所述极片本体为正极极片，所述浆料膜片包括正极活性物质、第一粘接剂、导电剂以及极片溶剂。

优选地，所述陶瓷涂层包括陶瓷粉体、分散剂、第二粘结剂以及溶剂。

优选地，所述第一粘接剂为聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚四氟乙烯一种或两种以上的混合物；所述第二粘结剂为羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、水系胶中的一种或两种以上的混合物。

优选地，所述微孔为0.01-0.1mm。

优选地，所述导电剂为导电石墨、乙炔黑、碳纳米管、纳米粉、石墨烯中的一种或者两种以上的混合物；所述集流体为铜箔、铝箔、泡沫铜、三维铜箔中的一种或两种以上的组合箔材；所述极片溶剂和所述溶剂为去离子水、乙醇、n-甲基吡咯烷酮、丙酮或碳酸酯。

优选地，所述陶瓷涂层中陶瓷粉体：分散剂：第二粘结剂的质量比为100：0.5-3：2-5。

优选地所述溶剂的质量为所述陶瓷粉体质量的100～2500％。

本发明还公开了上述任何一种含陶瓷涂层的锂电池极片结构的制备工艺，包含以下步骤：

s1：将活性物质、第一粘结剂和导电剂加入极片溶剂中，搅拌均匀得到混合物浆料；

s2：将混合物浆料均匀地涂覆在集流体的两侧表面，然后烘干、辊压得到浆料膜片；

s3：在浆料膜片上均匀冲击出微孔，得到带有微孔的电池极片；

s4：陶瓷涂层浆料制备：将分散剂与溶剂加入搅拌桶中，搅拌2-3小时形成均匀透明的高分子聚合物浆料，备用；然后将陶瓷粉体、第二粘结剂加入高分子聚合物浆料中，搅拌2-3小时，使陶瓷粉体颗粒均匀的分散在高分子聚合物浆料中，制成陶瓷涂层浆料；

s5：陶瓷涂层极片制备：将陶瓷涂层浆料涂覆在步骤s3中所述电池极片的表面，涂覆厚度为2-5μm，70-110℃干燥。

本发明的有益效果：(1)通过在浆料膜片上冲孔，得到的锂电池极片上的浆料膜片具有若干微孔，从而增大锂离子电池中的活性物质的导电界面，减小界面电阻，提高吸效率和保液量，提高电极的倍率充放电性能和循环寿命，满足对动力电池快速充放电和使用寿命的要求。(2)本发明的带有微孔的锂离子电池极片与传统的无孔负极片相比，能够更加充分发挥活性物质的性能。另外，本发明电池极片通过设置陶瓷涂层增加了极片的厚度，提高电池能量密度及电池的安全性能，同时改变极片间电荷迁移路径，提高生产效率，降低电池的制造成本。(3)本发明在浆料膜片上再涂覆一层陶瓷涂层，能够有效防止锂枝晶的产生；(4)本发明采用油系陶瓷涂层涂覆在水系负极上，附着力更优异，电池性能更好，寿命更长；若陶瓷涂层与负极使用相同粘结剂体系(油系或水系)时，在涂覆陶瓷涂层过程中，陶瓷涂层中的水分会渗入负极极片中，使负极发生溶胀现象，造成负极与铜箔剥离。若陶瓷涂层使用水系粘结剂时，由于陶瓷材料为粒径较小的陶瓷粉体颗粒，具有很高的比表面积以及多孔结构，烘烤过程很难将水分完全烘出干净。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是实施例1-5以及对比例1-4制成的电池的性能值比较图；

1-集流体，2-浆料膜片，201-微孔，3-陶瓷涂层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合实施例对本发明做进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，绝不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种含陶瓷涂层的锂电池极片结构，包括极片本体，所述极片本体包括集流体1和涂覆在集流体1上的浆料膜片2，所述浆料膜片2上均匀开设有微孔201，所述微孔201贯穿浆料膜片2的两侧表面；所述浆料膜片2至少一表面涂覆有陶瓷涂层3。

所述极片本体为负极极片，所述浆料膜片2包括负极活性物质、第一粘接剂、导电剂以及极片溶剂。

所述极片本体为正极极片，所述浆料膜片2包括正极活性物质、第一粘接剂、导电剂以及极片溶剂。

所述陶瓷涂层3包括陶瓷粉体、分散剂、第二粘结剂以及溶剂。

所述第一粘接剂为聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚四氟乙烯一种或两种以上的混合物；所述第二粘结剂为羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、水系胶中的一种或两种以上的混合物。

所述微孔为0.01-0.1mm。

所述导电剂为导电石墨、乙炔黑、碳纳米管、纳米粉、石墨烯中的一种或者两种以上的混合物；所述集流体为铜箔、铝箔、泡沫铜、三维铜箔中的一种或两种以上的组合箔材，所述极片溶剂和所述溶剂为去离子水、乙醇、n-甲基吡咯烷酮、丙酮或碳酸酯。

所述陶瓷涂层3中陶瓷粉体：分散剂：第二粘结剂的质量比为100：0.5-3：2-5。

所述溶剂的质量为所述陶瓷粉体质量的100～2500％。

上述的一种含陶瓷涂层的锂电池极片结构的制备工艺，包含以下步骤：

s1：将活性物质、第一粘结剂和导电剂加入极片溶剂中，搅拌均匀得到混合物浆料；

s2：将混合物浆料均匀地涂覆在集流体1的两侧表面，然后烘干、辊压得到浆料膜片2；

s3：在浆料膜片2上均匀冲击出微孔201，得到带有微孔的电池极片；

s4：陶瓷涂层浆料制备：将分散剂与溶剂加入搅拌桶中，搅拌2-3小时形成均匀透明的高分子聚合物浆料，备用；然后将陶瓷粉体、第二粘结剂加入高分子聚合物浆料中，搅拌2-3小时，使陶瓷粉体颗粒均匀的分散在高分子聚合物浆料中，制成陶瓷涂层浆料；

s5：陶瓷涂层极片制备：将陶瓷涂层浆料涂覆在所述电池极片的表面，涂覆厚度为2-5μm，70-110℃干燥

实施例1

将按照重量份数算将75份人造石墨、10份导电石墨、10份水系胶(la132)加入100份去离子水中搅拌均匀，制备出均匀的混合物浆料，再将均匀的混合物浆料涂覆在铜箔表面。用烤箱烘干，按照1.4g/cm³的压实密度进行辊压，得到负极极片。然后将负极极片冲孔，在浆料膜片2上均匀冲击出圆形的0.01mm的微孔3，得到带有微孔的电池负极极片。

然后按照重量份数算将80份磷酸亚铁锂、5份丙烯酸、5份水系胶(la132)、10份导电石墨加入100份去离子水中搅拌均匀，制备出均匀的混合物浆料，再将均匀的混合物浆料涂覆在铝箔表面。用烤箱烘干，按照2.3g/cm³的压实密度进行辊压，得到正极极片。然后将正极极片经过冲孔，在浆料膜片2上均匀冲击出圆形的0.01mm的微孔3，得到带有微孔的电池正极极片。

陶瓷涂层浆料制备：将分散剂与水加入搅拌桶中，搅拌2小时形成均匀透明的高分子聚合物浆料，备用；然后将氧化铝、聚四氟乙烯加入高分子聚合物浆料中，搅拌2小时，使陶瓷粉体颗粒均匀的分散在高分子聚合物浆料中，制成陶瓷涂层浆料；所述陶瓷涂层3中陶瓷粉体：分散剂：第二粘结剂(聚四氟乙烯)的质量比为100：0.5：2；所述溶剂的质量为所述陶瓷粉体质量的500％，分散剂采用聚丙烯酸铵，溶剂采用丙酮。

陶瓷涂层极片制备：将陶瓷涂层浆料涂覆在所述电池负极片或电池正极片的表面，涂覆厚度为2μm，70℃干燥。

最后将上述带有微孔的负极极片和带有微孔的正极极片经过卷绕、烘烤、注液、封口、化成分容等工序制备出18650锂离子电池。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上作出的改变，具体是所述微孔3位0.05mm；其他同实施例1。

实施例3

本实施例是在实施例1的基础上作出的改变，具体是所述微孔3位0.1mm；其他同实施例1。

实施例4

本实施例是在实施例1的基础上作出的改变，具体是步骤s5：陶瓷涂层极片制备：将陶瓷涂层浆料涂覆在所述电池负极片或电池正极片的表面，涂覆厚度为3μm，90℃干燥；其他同实施例1。

实施例5

本实施例是在实施例1的基础上作出的改变，具体是步骤s5：陶瓷涂层极片制备：将陶瓷涂层浆料涂覆在所述电池负极片或电池正极片的表面，涂覆厚度为5μm，110℃干燥；其他同实施例1。

对比例1

按照重量份数算将75份人造石墨、10份导电石墨、10份聚偏二氟乙烯加入100份丙酮中搅拌均匀，制备出均匀的混合物浆料，再将均匀的混合物浆料涂覆在铜箔表面。用烤箱烘干，按照1.4g/cm³的压实密度进行辊压，得到负极极片。然后将负极极片冲孔，在浆料膜片2上均匀冲击出圆形的0.01mm的微孔3，得到带有微孔的电池负极极片。

然后按重量份数算将80份磷酸亚铁锂、5份丙烯酸、5份聚偏二氟乙烯、1份导电石墨加入100份丙酮中搅拌均匀，制备出均匀的混合物浆料，再将均匀的混合物浆料涂覆在铝箔表面。用烤箱烘干，按照2.3g/cm³的压实密度进行辊压，得到正极极片。然后将正极极片经过冲孔，在浆料膜片2上均匀冲击出圆形的0.01mm的微孔3，得到带有微孔的电池正极极片。

陶瓷涂层浆料制备：将分散剂与水加入搅拌桶中，搅拌2小时形成均匀透明的高分子聚合物浆料，备用；然后将氧化铝、羧甲基纤维素钠加入高分子聚合物浆料中，搅拌2小时，使陶瓷粉体颗粒均匀的分散在高分子聚合物浆料中，制成陶瓷涂层浆料；所述陶瓷涂层3中陶瓷粉体：分散剂：第二粘结剂(羧甲基纤维素钠的质量比为100：0.5：2；所述溶剂的质量为所述陶瓷粉体质量的500％，分散剂采用聚丙烯酸铵，溶剂采用丙酮。

s5：陶瓷涂层极片制备：将陶瓷涂层浆料涂覆在所述电池负极片或电池正极片的表面，涂覆厚度为2μm，70℃干燥。

最后将上述带有微孔的负极极片和带有微孔的正极极片经过卷绕、烘烤、注液、封口、化成分容等工序制备出18650锂离子电池；(第一粘结剂采用油系、第二粘结剂采用水系)。

对比例2

将按照重量分数算75份人造石墨、10份导电石墨、10份水系胶(la132)加入去离子水中搅拌均匀，制备出均匀的混合物浆料，再将均匀的混合物浆料涂覆在铜箔表面。用烤箱烘干，按照1.4g/cm³的压实密度进行辊压，得到负极极片。然后将负极极片冲孔，在浆料膜片2上均匀冲击出圆形的0.01mm的微孔3，得到带有微孔的电池负极极片。

然后按照重量份数算将80份磷酸亚铁锂、5份丙烯酸、5份水系胶(la132)、10份导电石墨加入去离子水中搅拌均匀，制备出均匀的混合物浆料，再将均匀的混合物浆料涂覆在铝箔表面。用烤箱烘干，按照2.3g/cm³的压实密度进行辊压，得到正极极片。然后将正极极片经过冲孔，在浆料膜片2上均匀冲击出圆形的0.01mm的微孔3，得到带有微孔的电池正极极片。

陶瓷涂层浆料制备：将分散剂与水加入搅拌桶中，搅拌2小时形成均匀透明的高分子聚合物浆料，备用；然后将氧化铝、水系胶(la132)加入高分子聚合物浆料中，搅拌2小时，使陶瓷粉体颗粒均匀的分散在高分子聚合物浆料中，制成陶瓷涂层浆料，所述陶瓷涂层3中陶瓷粉体：分散剂：第二粘结剂(羧甲基纤维素钠)的质量比为100：0.5：2；所述溶剂的质量为所述陶瓷粉体质量的500％；分散剂采用聚丙烯酸铵，溶剂采用去离子水。

s5：陶瓷涂层极片制备：将陶瓷涂层浆料涂覆在所述电池负极片或电池正极片的表面，涂覆厚度为2μm，70℃干燥。

最后将上述带有微孔的负极极片和带有微孔的正极极片经过卷绕、烘烤、注液、封口、化成分容等工序制备出18650锂离子电池；(第一粘结剂采用水系、第二粘结剂采用水系)。

对比例3

按照重量份数算将75份人造石墨、10份导电石墨、10份丁苯橡胶加入丙酮中搅拌均匀，制备出均匀的混合物浆料，再将均匀的混合物浆料涂覆在铜箔表面。用烤箱烘干，按照1.4g/cm³的压实密度进行辊压，得到负极极片。然后将负极极片冲孔，在浆料膜片2上均匀冲击出圆形的0.01mm的微孔3，得到带有微孔的电池负极极片。

然后按照重量份数算将80份磷酸亚铁锂、5份丙烯酸、5份聚偏二氟乙烯、10份导电石墨加入丙酮中搅拌均匀，制备出均匀的混合物浆料，再将均匀的混合物浆料涂覆在铝箔表面。用烤箱烘干，按照2.3g/cm³的压实密度进行辊压，得到正极极片。然后将正极极片经过冲孔，在浆料膜片2上均匀冲击出圆形的0.01mm的微孔3，得到带有微孔的电池正极极片。

陶瓷涂层浆料制备：将分散剂与水加入搅拌桶中，搅拌2小时形成均匀透明的高分子聚合物浆料，备用；然后将氧化铝、聚偏二氟乙烯加入高分子聚合物浆料中，搅拌2小时，使陶瓷粉体颗粒均匀的分散在高分子聚合物浆料中，制成陶瓷涂层浆料所述陶瓷涂层3中陶瓷粉体：分散剂：第二粘结剂(聚偏二氟乙烯)的质量比为100：0.5：2；所述溶剂的质量为所述陶瓷粉体质量的500％；分散剂采用聚丙烯酸铵，溶剂采用丙酮。

s5：陶瓷涂层极片制备：将陶瓷涂层浆料涂覆在所述电池负极片或电池正极片的表面，涂覆厚度为2μm，70℃干燥。

最后将上述带有微孔的负极极片和带有微孔的正极极片经过卷绕、烘烤、注液、封口、化成分容等工序制备出18650锂离子电池；(第一粘结剂采用油系、第二粘结剂采用油系)。

对比例4

按照重量份数算将75份人造石墨、10份导电石墨、10份水系胶(la132)加入100份去离子水中搅拌均匀，制备出均匀的混合物浆料，再将均匀的混合物浆料涂覆在铜箔表面。用烤箱烘干，按照1.4g/cm³的压实密度进行辊压，得到负极极片。然后将负极极片冲孔，在浆料膜片2上均匀冲击出圆形的0.01mm的微孔3，得到带有微孔的电池负极极片。

然后按照重量份数算将80份磷酸亚铁锂、5份丙烯酸、5份聚偏二氟乙烯、10份导电石墨加入100份丙酮中搅拌均匀，制备出均匀的混合物浆料，再将均匀的混合物浆料涂覆在铝箔表面。用烤箱烘干，按照2.3g/cm³的压实密度进行辊压，得到正极极片。

最后将上述带有微孔的负极极片和带有微孔的正极极片经过卷绕、烘烤、注液、封口、化成分容等工序制备出18650锂离子电池；(无冲压微孔，无涂覆高分子涂层)。

对实施例1-5以及对比例1制成的负极极片以及18650电池进行相关性能测试，测试结果见表1、表2所示。

表1实施例1与对比例1-3的负极极片进行水分测试

从表1可以看出，对比例3(油系陶瓷涂层涂覆油系负极)时，负极极片水分含量最少为805ppm，但涂覆陶瓷涂层后部分区域甚至出现掉料露铜的现象；对比例1(水系陶瓷涂层涂覆油系负极)时，负极极片粘结性良好，但水分测试含量达到6941ppm；实施例1(油系陶瓷涂层涂覆水系负极)时，负极极片粘结良好，水分含量为2368ppm；对比例2(水系陶瓷涂层涂覆水系负极)后，负极极片不仅掉料严重，而且水分含量达到7354ppm。

由此可以看出，当涂层和电极采用相同粘接剂体系时，整个电极易出现掉料，粘接性差；而当涂层和电极采用不同粘接剂体系时，粘覆性能较好，分析原因为：陶瓷涂层与负极使用相同粘结剂体系时，在涂覆陶瓷涂层过程中，陶瓷涂层中的水分会渗入负极极片中，使负极发生溶胀现象，造成负极与铜箔剥离；陶瓷涂层使用水系粘结剂时，由于陶瓷材料为粒径较小颗粒，具有很高的比表面积，烘烤过程很难将水分完全烘出干净。电池生产中，极片质量和水分控制是影响电池性能的两个关键因素。

表2对实施例1-5以及对比例1-4制成的电池的性能测试结果

从表2和图2可以看出，在低循环次数时，实施例1-5、对比例1-4容量保持率均较高，而且实施例1-5在循环300次后仍有99％的容量保持率，均高于对比例1-4；当循环次数达500次时，对比例1-4，尤其是对比例4，容量保持率下降较多，低至75％，但是实施例1-5仍有97％的容量保持率；当循环次数达1000次时，对比例4的容量保持率低至50％，而实施例1-5容量保持率高达94％，说明，本发明的电池极片在应用于电池后，大大提高了电池的循环性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。