一种正极片及锂离子电池的制作方法

本实用新型涉及一种正极片及锂离子电池，属于锂离子电池领域。

背景技术：

锂离子电池具有能量密度高，工作电压高、重量轻，体积小等优点，循环寿命长和绿色环保同样也是锂离子电池能广泛应用的必要条件。从上世纪90年代以来，锂离子电池在日常电子产品，电动车以及其他储能电源系统中的应用越来越广泛。然而由于锂离子电池中所使用的材料以及锂离子电池结构的特殊性，目前还存在许多安全隐患，特别是当锂离子电池受到硬物刺穿和重物撞击时，锂离子电池的安全性存在巨大的隐患。近年来媒体报道的锂离子电池爆炸和自燃事件络绎不绝，人们对锂离子电池的安全性能的要求也越来越高，安全性已经成为制约锂离子电池大规模工业应用的最重要的原因之一。如何提高锂离子电池的安全性已经成为国内外锂离子电池领域亟待解决的问题。

众所周知，锂离子电池被利器刺穿时会发生四种短路模式：正极活性材料与负极活性材料短路，正极活性材料与负极集流体短路，正极集流体与负极集流体短路，正极集流体与负极活性材料短路，其中正极集流体与负极活性材料短路时功率最大，会瞬间产生大量的热，是最危险的短路模式。为了防止正极集流体和负极材料发生短路并产热，现有技术中常常对正极集流体进行双层涂布的方式，即，先在正极集流体上涂覆一层保护涂层，然后在保护涂层远离正极集流体的表面再涂覆正极活性物质层覆盖保护涂层，保护涂层可以有效保护正极集流体，防止在针刺过程中正极集流体与负极活性材料接触。然而，现有技术中正极集流体头部和尾部留有空箔区，没有涂覆保护涂层，空箔区的存在会增加正极集流体与负极活性材料的接触风险，无形中增加了锂离子电池的安全风险。此外，正极集流体往往自身的机械强度较低，与隔膜的粘附力较弱，当锂离子电池受到重物冲击时容易发生撕裂，从而引发锂离子电池发生失效。

如何防止锂离子电池在针刺时发生正极集流体与负极活性材料短路，降低锂离子电池重物冲击时正极集流体发生撕裂的风险，提高锂离子电池的安全性能，是现今锂离子电池领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种正极片，除了在正极片集流体的活性层区域设置保护层外，更是在正极片中集流体第一端部区域的空置区和/或第二端部区域设置保护层，增大正极集流体保护层的保护区域以及正极集流体的机械强度，降低针刺过程中正极集流体与负极活性材料接触的风险，防止正极集流体在重物冲击过程中发生撕裂，降低针刺过程和重物冲击过程中正极片的安全风险，提高正极片的安全性能。

本实用新型还提供一种锂离子电池，该锂离子电池包含上述正极片，因此该锂离子电池在发生针刺和重物冲击时具有安全性能更优异的正极片，因而在发生针刺和重物冲击时，该锂离子电池在针刺过程时发生正极集流体与负极活性材料短路的风险低，发生重物冲击时正极集流体撕裂风险低，锂离子电池安全性能高。

本实用新型一方面提供一种正极片，所述正极片包括集流体；

所述集流体的至少一功能表面沿所述集流体长度方向包括第一端部区域、活性层区域以及第二端部区域，所述第一端部区域包括互不重合的安装区和空置区，所述空置区设置第一保护层，和/或，所述第二端部区域设置第二保护层；所述活性层区域设置第三保护层。

如上所述的正极片，其中，所述正极片还包括极耳，所述极耳设置在所述安装区。

如上所述的正极片，其中，所述正极片还包括活性层，所述活性层设置在所述第三保护层远离所述集流体的表面。

如上所述的正极片，其中，所述正极片还包括绝缘层，所述绝缘层设置在所述第一保护层远离所述集流体的表面，和/或，所述绝缘层设置在所述第二保护层远离所述集流体的表面。

如上所述的正极片，其中，所述安装区与所述集流体的一个侧端面连通。

如上所述的正极片，其中，所述第一保护层的厚度为1-25μm，所述第二保护层的厚度为1-25μm，所述第三保护层的厚度为1-10μm。

如上所述的正极片，其中，所述活性层的厚度为50-100μm。

如上所述的正极片，其中，所述绝缘层的厚度为1-15μm。

如上所述的正极片，其中，所述绝缘层包括氧化铝、二氧化锆、二氧化钛、氧化镁、二氧化硅、蒙脱土中的至少一种。

本实用新型还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述的正极片。

本实用新型的正极片，除了在集流体的活性层区域设置第三保护层外，在集流体第一端部区域的空置区设置第一保护层和/或第二端部区域设置第二保护层，增大保护层对正极集流体的保护面积。一方面，增大设置在正极集流体上的保护层的面积能够降低发生针刺时负极活性材料与正极集流体接触从而发生短路的风险，提高正极片在发生针刺时的安全性能；另一方面，增大设置在集流体功能表面的保护层的面积能够进一步增强集流体的机械强度，防止正极片受到重物冲击时正极集流体发生撕裂，提高正极集流体的寿命，降低正极片重物冲击时发生正极片失效、产生安全隐患的风险，提高正极片在受到重物冲击时的安全性能。

此外，本实用新型的正极片的制备工序简单易执行，无需大型仪器协助，能够兼容现有的正极片生产工艺，实现以较低的成本显著的改善正极片在针刺和重物冲击时的安全性，因此也便于在工业应用上进行大范围的推广。

值得一提的是，本实用新型在空置区和/或第二端部区域设置保护层，能够增大正极集流体与隔膜的粘附能力，提高电解液对正极片的浸润能力，提高正极片的充放电性能。

本实用新型的锂离子电池，该锂离子电池包含上述正极片，从而具有更低的发生针刺时负极活性材料与正极集流体短路的风险，以及更低的重物冲击时正极集流体撕裂的风险，因而具有锂离子电池具有更加优异的安全性能，更加满足当今对锂离子电池安全性能的要求。此外，本实用新型的锂离子电池，由于具有充放电性能更加优异的正极片，从而具有更加优异的充放电特性，该锂离子电池更加满足当今对锂离子电池综合性能的要求。

附图说明

图1为本实用新型正极片实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型正极片实施例二的结构示意图；

图3为本实用新型正极片实施例三的结构示意图；

图4为本实用新型一种集流体的结构示意图；

图5为本实用新型电极片实施例四的结构示意图；

图6为本实用新型电极片实施例五的结构示意图；

图7为本实用新型电极片实施例六的结构示意图；

图8为本实用新型电极片实施例七的结构示意图。

附图标记：

a、集流体；

1、第一端部区域；

2、活性层区域；

3、第二端部区域；

4、安装区；

5、空置区；

6、第一保护层；

7、第二保护层；

8、第三保护层；

9、第一功能表面；

10、第二功能表面；

11、极耳；

12、活性层；

13、绝缘层。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型的实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型一方面提供一种正极片。图1为本实用新型正极片实施例一的结构示意图，图2为本实用新型正极片实施例二的结构示意图，图3为本实用新型正极片实施例三的结构示意图。

本实用新型的正极片包含集流体a，集流体a的至少一功能表面沿集流体长度方向包括第一端部区域1、活性层区域2以及第二端部区域3，第一端部区域1包括互不重合的安装区4和空置区5，空置区5设置第一保护层6，和/或，第二端部区域3设置第二保护层7；活性层区域2设置第三保护层8。

本实用新型对集流体a的材质不作严格限制，例如，集流体a的材质可以是铝箔。可以理解的是，集流体a是正极片中用于负载活性材料的重要组成部分，一般来说，集流体a为薄片状，集流体a的功能表面指集流体a较大的表面以实现对活性材料的有效负载。

能够理解，本实用新型的正极片在集流体a的一个功能表面的空置区5、第二端部区域3、活性层区域2设置保护层；以及，在集流体a两个功能表面的空置区5、第二端部区域3、活性层区域2设置保护层。

本实用新型中在正极片中集流体a一个功能表面的空置区5、第二端部区域3、活性层区域2设置保护层包括，如图1所示，在集流体a一个功能表面的空置区5设置第一保护层6、活性层区域2设置第三保护层8。

本实用新型中在正极片中集流体a一个功能表面的空置区5、第二端部区域3、活性层区域2设置保护层也包括，如图2所示，在集流体a一个功能表面的第二端部区域3设置第二保护层7、活性层区域2设置第三保护层8。

本实用新型中在正极片中集流体a一个功能表面的空置区5、第二端部区域3、活性层区域2设置保护层还包括，如图3所示，在集流体a一个功能表面的在空置区5设置第一保护层6、第二端部区域3设置第二保护层7和活性层区域2设置第三保护层8。

值得强调的是，实施例1-3中在集流体的a一个功能表面的空置区5、第二端部区域3、活性层区域2设置保护层时，对于另一功能表面不作严格限制，例如，另一功能表面可以不设置任何保护层，也可以对另一功能表面设置第一保护层6、第二保护层7、第三保护层8中的任意一种、两种或三种。

能够理解，除上述实施例1-3中在集流体a的一个功能表面上设置第一保护层6、第二保护层7、第三保护层8的情况外，本实用新型还包括在集流体a两个功能表面设置保护层。在对集流体a的两个功能表面设置保护层时，每个集流体功能表面保护层的设置均包含实施例1-3所描述的三种情况。

图4为本实用新型一种集流体a的结构示意图。如图4所示，集流体a有两个功能面，即第一功能表面9和第二功能表面10，因而一个集流体a可以包含两个上述的空置区5，分别位于集流体a第一功能表面9和集流体第二功能表面10；两个第二端部区域3，分别位于集流体a第一功能表面9和集流体a第二功能表面10；两个活性层区域2，分别位于集流体a第一功能表面9和集流体第二功能表面10。

图5为本实用新型电极片实施例四的结构示意图，本实施例对集流体a的两个功能表面设置保护层。本实施例中，在如图4所示的集流体a的第一功能表面9和第二功能表面10的两个空置区5设置两个第一保护层6；在如图4所示的集流体a的第一功能表面9和第二功能表面10的两个第二端部区域3设置两个第二保护层7；在如图4所示的集流体a的第一功能表面9和第二功能表面10的两个活性层区域2设置两个第三保护层8；也就是说集流体a的两个功能表面除安装区4外均设置有保护层，保护层在最大程度上实现了对正极集流体的保护。

在沿集流体长度方向上，位于第一功能表面9的空置区5的长度和位于第二功能表面10的空置区5的长度可以相同也可以不同；位于第一功能表面9的第二端部区域3的长度和位于第二功能表面10的第二端部区域3的长度可以相同也可以不同；位于第一功能表面9的活性层区域2的长度和位于第二功能表面10的活性层区域2的长度可以相同也可以不同。

在具体实施过程中，对集流体a不同功能表面的空置区5、第二端部区域3、活性层区域2的长度进行设计可以根据正极片的设计需求综合考虑。对集流体a的一个还是两个功能表面的空置区5、活性层区域2、第二端部区域3进行保护层的设置可以根据正极片的安全需求，正极片的构造以及正极片的生产成本等进行综合考虑。

本实用新型的活性层区域2是指集流体功能表面上设置活性层的区域，活性层中包含活性材料，活性材料在充放电过程中产生电流并对外输出。本实用新型中第一端部区域1和第二端部区域3为集流体功能表面上不负载活性层的区域。

本实用新型对第一保护层6、第二保护层7、第三保护层8的组分不作严格限制，只要能够实现对集流体a的保护即可。第一保护层6、第二保护层7、第三保护层8的组分可以相同，也可以不同，在具体实施过程中可以根据需要对第一保护层6、第二保护层7、第三保护层8的组分进行设计。例如，在本实用新型的一些实施方式中，第一保护层6、第二保护层7、第三保护层8的组分包含正极活性材料、导电剂和粘接剂。

本实用新型对在集流体功能表面形成第一保护层6、第二保护层7、第三保护层8的组分的方式亦不作严格限制，例如，在具体实施时，可以采用凹版涂布的方式在集流体a的功能表面形成第一保护层6、第二保护层7、第三保护层8。

本实用新型通过上述方案，除了在正极片集流体的活性层区域2设置第三保护层8外，在正极片中集流体a第一端部区域1的空置区5设置第一保护层6和/或在第二端部区域3设置保第二保护层7。本实用新型通过增大集流体a中保护层的面积，加强保护层对正极集流体的保护，提高非活性层区域正极集流体的机械强度，降低针刺过程中正极集流体与负极活性材料接触的风险，防止正极集流体在重物冲击过程中发生撕裂，降低针刺过程和重物冲击过程中正极片的安全风险，提高正极片在针刺过程和重物冲击过程中的安全性能。

将上述正极片应用在锂离子电池中，由于包含在针刺过程和重物冲击过程中安全性能更加优异的正极片，从而在锂离子电池发生针刺和重物冲击时具有更加优异的安全性能。

图6为本实用新型电极片实施例五的结构示意图，如图6所示，在上述实施例四的基础上，本实用新型的正极片还包括极耳11，极耳11设置在安装区4。

本实用新型对极耳11不作严格限制，例如，极耳11可以是本领域常用的铝极耳。本实用新型对极耳11设置在安装区4的方式不作严格限制，例如，极耳11可以通过焊接设置在安装区4上。

图7为本实用新型电极片实施例六的结构示意图，如图7所示，在上述实施例五的基础上，本实用新型的正极片还包括活性层12，活性层12设置在第三保护层8远离集流体a的表面。

能够理解，活性层12是正极片中主要发生电化学反应，产生容量的组成部分。本实用新型对活性层12在第三保护层8上的形成方式不做严格限制，在具体实施过程中，当第三保护层8在集流体a的活性层区域2形成后，通过涂布的方式，在第三保护层8远离集流体a的表面设置活性层12。

本实用新型对活性层12的具体组成不做严格限制，在具体实施过程中，活性层12的组成可以由常规正极活性材料、导电剂、粘接剂组成。

发明人在研究过程中发现，在正极片的非活性层区域设置绝缘层13能够更进一步防止正极片在发生针刺过程中正极集流体与负极活性材料的接触，提高正极片在针刺过程中的安全性能。图8为本实用新型电极片实施例七的结构示意图。示例性地，如图8所示，在上述实施例六的基础上，本实用新型的正极片还包括绝缘层13，绝缘层13设置在第一保护层6远离集流体a的表面，和/或，绝缘层13设置在第二保护层7远离集流体的表面。

在第一保护层6和/或第二保护层7远离集流体的表面再设置一层绝缘层13，保护层和绝缘层13能够实现对正极集流体功能表面的双层包覆，在发生针刺时有效避免负极活性材料与正极集流体接触，提高正极片的安全性能。

在本实用新型的一些实施方式中，安装区4与集流体a的一个侧端面连通。

集流体的侧端面指集流体面积较小的4个侧面。安装区4与集流体a的一个侧端面连通能够便于极耳11在集流体a上的设置。本实用新型对安装区4的形状不做严格限定，在具体实施方式中可以根据极耳11对安装区4的大小和形状进行预设。例如，在一些实施方式中，极耳11采用本领域常用片式极耳，安装区4的形状可以是矩形。

本实用新型对第一保护层6、第二保护层7、第三保护层8的厚度不作严格限制。以图5为例，分布在集流体a两个功能表面的两个第一保护层6的厚度l1和l2可以相等也可以不等，分布在集流体a两个功能表面的两个第二保护层7的厚度l3和l4可以相等也可以不等，分布在集流体a两个功能表面的两个第三保护层8的厚度l5和l6可以相等也可以不等。能够理解，在进行正极片设计时，l1、l2、l3、l4、l5、l6的大小彼此独立，在具体实施过程中，l1、l2、l3、l4、l5、l6的大小可以根据正极片的构造需求进行确定。

能够理解，第一保护层6、第二保护层7、第三保护层8的厚度对正极片的性能有一定影响。发明人在研究过程中发现，第一保护层6的厚度为1-25μm，第二保护层7的厚度为1-25μm，第三保护层8的厚度为1-10μm时，能够实现保护层对正极片保护，同时降低保护层的设置对正极片综合性能影响。

在本实用新型的一些实施方式中，活性层12的厚度为50-100μm。

在本实用新型的一些实施方式中，绝缘层13的厚度为1-15μm。

本实用新型对绝缘层13的具体组成不作严格限制，在一些具体的实施方式中，绝缘层13包括氧化铝、二氧化锆、二氧化钛、氧化镁、二氧化硅、蒙脱土中的至少一种。

本实用新型还提供一种锂离子电池，该锂离子电池包括上述正极片。

在上述正极片的基础上，选择与之匹配的负极片、隔离膜、铝塑膜、电解液，配合本领域常用锂离子电池制作工序，获得锂离子电池。

以下，通过具体实施例对本实用新型的正极片和锂离子电池进行详细的介绍。

正极片制作：

实施例1：

1、将磷酸铁锂、聚偏氟乙烯、碳黑按照干粉质量比58：38：4溶于n-甲基吡咯烷酮中搅拌均匀制成保护浆料；

2、采用凹版涂布法将保护浆料涂布在集流体两个功能表面的空置区、两个第二端部区域、和两个活性层区域分别形成两个第一保护层、两个第二保护层和两个第三保护层，在集流体两个功能表面上的第一保护层、第二保护层、第三保护层的厚度均为5μm；

其中，集流体为铝箔；

3、配制正极活性浆料，采用涂布方式将正极活性浆料涂布在两个第三保护层远离集流体的表面形成两个活性层；而后将集流体烘干、辊压、分切、制片得到正极片；

其中，两个活性层的厚度为87μm。

实施例2：

本实施例正极片的制作工序与实施例1基本相同，唯一不同的是，本实施例2步骤2两个第二保护层的厚度均为15μm。

实施例3：

本实施例正极片的制作工序与实施例1基本相同，唯一不同的是，本实施例3步骤2中两个第一保护层厚度为15μm，两个第二保护层的厚度为15μm。

实施例4：

1、将磷酸铁锂、聚偏氟乙烯、碳黑按照干粉质量比58：38：4溶于n-甲基吡咯烷酮中搅拌均匀制成保护浆料；

2、采用凹版涂布法将保护浆料涂布在集流体两个功能表面的两个空置区、两个第二端部区域、和两个活性层区域分别形成两个第一保护层、两个第二保护层和两个第三保护层，在集流体两个功能表面上的两个第一保护层、两个第二保护层、两个第三保护层的厚度均为5μm；

其中，集流体为铝箔；

3、采用涂布法在第一保护层和第二保护层远离集流体的表面涂布一层绝缘层；在两个第一保护层表面的两个绝缘层的厚度为5μm；在两个第二保护层表面的两个绝缘层的厚度为15μm；

其中绝缘层包含氧化铝；

4、配制正极活性浆料，采用涂布方式将正极活性浆料涂布在两个第三保护层远离集流体的表面形成两个活性层；而后将集流体烘干、辊压、分切、制片得到正极片；

其中，两个活性层的厚度为87μm。

实施例5：

本实施例正极片的制作工序与实施例4基本相同，唯一不同的是，本实施例5步骤3中在两个第一保护层表面的两个绝缘层的厚度为15μm；在两个第二保护层表面的两个绝缘层的厚度为15μm。

对比例1：

1、将磷酸铁锂、聚偏氟乙烯、碳黑按照干粉质量比58：38：4溶于n-甲基吡咯烷酮中搅拌均匀制成保护浆料；

2、采用凹版涂布法将保护浆料涂布在集流体两个功能表面的活性层区域形成两个第三保护层，在两个功能表面的集流体的两个第三保护层的厚度均为5μm；

其中，集流体为铝箔；

3、配制正极活性浆料，采用涂布方式将活性浆料涂布在两个第三保护层远离集流体的表面形成两个活性层；而后将集流体烘干、辊压、分切、制片得到正极片；

其中，两个活性层的厚度为87μm。

表1对实施例1-5及对比例1的正极片的保护层以及绝缘层的厚度进行了列表说明以使得各实施例1-5与对比例1正极片的保护层以及绝缘层的厚度差异更直观。

锂离子电池制作：

将实施例1-5及对比例1制备的正极片、配合本领域常规负极片，隔膜和电解液按照常规的锂电池制作工艺制作成锂离子电池，电池容量约4970mah。

实验例：

对上述实施例1-5和对比例1所制作的负极片进行满电针刺测试和重物冲击测试，测试结果如表2所示。

1、满电针刺测试：将锂离子电池置于常温环境下，将锂离子电池以0.5c恒流充电至电压为4.45v，然后恒压充电至电流降为0.025c，停止充电。用直径为4mm的钢钉，以30mm/s的速度垂直穿过锂离子电池的中心位置，钢钉在锂离子电池内保留300s，锂离子电池不起火、不爆炸记为通过。每个实施例所得锂离子电池测试15个，满电针刺测试通过率为通过满电针刺测试的锂离子电池个数与15之比。

2、重物冲击测试：将锂离子电池置于常温环境下，将锂离子电池以0.2c恒流充电至电压为4.45v，然后恒压充电至电流降为0.025c，停止充电，接着以0.5c恒流放电，放到3.0v，如此循环5次，最后一次电池充满电后24小时内进行重物冲击测试。将锂离子电池放置于一平面，将一个直径15.8±0.2mm的钢柱置于电池的中心，钢柱的纵轴平行于平面，让质量为9.1±0.1kg的重物从610±25mm的高度自由落到电池中心上方的钢柱上，观察6小时，锂离子电池不起火、不爆炸记为通过。每个实施例所得锂离子电池测试10个，重物冲击测试通过率为通过重物冲击测试的锂离子电池个数与10之比。

表2：

根据表2可知：

1、与对比例1相比，实施例1-5的锂离子电池表现出更高的满电针刺测试通过率和重物冲击测试通过率，实施例1-5的锂离子电池在针刺过程和重物冲击过程中表现出更加优异的安全性能，说明在正极片集流体的空置区和/或第二端部区域设置保护层能够提高正极片和包含该正极片的锂离子电池的在针刺过程和重物冲击过程中的安全性能。

2、与实施例1相比，实施例4和5的满电针刺测试通过率和重物冲击测试通过率更高，说明在正极片集流体的空置区和/或第二端部区域的保护层上再设置一层绝缘层能够更进一步提高正极片和包含该正极片的锂离子电池在针刺过程和重物冲击过程中的安全性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。