一种锂电池极片及其制备方法与流程

本发明属于电池，尤其涉及一种锂电池极片及其制备方法。

背景技术：

1、研究发现，正负极材料的微观结构对锂电池的倍率性能和循环性能至关重要。在不改变正负极材料化学性质的前提下，对其微观结构进行调控可以有效提高锂电池的倍率性能和循环性能。优化正负极材料微观结构的根本目的是为了提高正负极材料的离子电导率，因此，需要考虑到电极材料的曲折度。研究者们探索了多种用于电池倍率性能的微观结构，发现降低正负极材料曲折度、提高正负极材料的各向异性，可以大大提高正负极片的离子电导率。因此利用锂离子传输方向上的通道来构建高定向微观结构，可以有效降低正负极材料的曲折度，提高锂电池的倍率性能。并且，在锂离子运输方向上来构筑各向异性微观通道可以解决厚电极在制备过程中离子电导率低的问题，即可以提高锂电池的能量密度。

2、然而，目前传统的涂布热干燥方法所制备的正负极片的微观结构往往曲折度较高，由主材及导电剂和粘结剂所构建的锂离子传输网络有序性低，导致锂离子在充放过程中锂离子扩散动力学差，在电极内部形成浓度梯度，导致浓差极化增大，且随着电极厚度的增加，电极内部物质会出现分布不均匀以及电化学反应不均匀等问题。专利申请cn105149186a公开了一种锂电池极片涂布过程中极片的烘干方法及烘干装置，该加热烘干方法属于金属材料自体感应发热，使得基材上涂覆的浆料自内向外干燥，可以在涂覆材料内部形成有利于电池性能的微观通道。然而在加热过程中，溶剂都会有一个从液态到气态的转变，不溶颗粒难免会受溶剂挥发所形成的表面张力而相互靠近，从而导致所形成的微观通道网络发生一定程度的收缩变形。

3、冰模板法是借助冰晶的生长来制造高定向竖直结构的有效方法。当固体颗粒分散在溶剂中，通过在底部施加低温，根据柱状晶的生长特性可知，冰晶在竖直方向上的温度梯度的诱导下从底部向上结晶生长出竖直排列的结构，定向生长可以实现多孔电极中孔径的梯度分布。同时将不溶固体颗粒推挤到结晶四周，之后利用真空使溶剂升华，去除溶剂后留下的竖直阵列为固体颗粒的堆叠结构，具有低曲折度。然而由该方法所制备的电极力学强度较差，并且该方法尚停留在实验室阶段，未能产业化。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种锂电池极片及其制备方法，旨在解决现有传统正负极材料涂布干燥方法所制备的正负极材料存在的网络结构各项同性、离子电导率差、曲折度大等问题。

2、为了达到上述目的，一方面，本发明实施例提供一种锂电池极片的制备方法，包括如下步骤：

3、s01、将电极浆料涂覆于集流体的侧面上，得到涂覆集流体；将所述涂覆集流体置于温度场中进行冷冻，得到冷冻极片；所述温度场的温度范围为-50℃～10℃；所述冷冻的时间为10min～40min；

4、s02、将步骤s01的冷冻极片进行真空干燥，得到干燥极片；所述真空干燥为于真空度1.3pa～13pa、温度＜0℃干燥15min～45min；

5、s03、将步骤s02的干燥极片进行热压，得到锂电池极片。

6、作为优选的实施方式，步骤s01中，

7、所述电极浆料为采用主材、导电剂和粘结剂混合得到的正极浆料或负极浆料。

8、所述涂覆的厚度＞50μm。

9、所述集流体为铝箔、涂碳铝箔或铜箔中的一种。

10、所述温度场为冷冻、竖直向上的温度场；竖直向上指的是环境温度沿垂直于涂覆集流体的方向呈梯度设置。

11、所述梯度设置指的是温度由低到高的梯度。温度越低，形成的冰晶颗粒越小，冰晶的生长有向着温度高的地方进行。由低到高的温度梯度诱导着冰晶的生长方向及冰晶生长的大小。

12、所述冷冻为冷冻源冷冻、蒸汽压缩循环制冷冷冻或热电制冷冷冻中的一种。

13、所述冷冻源为液氮。冷冻源由便宜易得的液氮提供，可以避免传统涂布热干燥方式所造成的能源浪费，可有效降低生产成本。

14、当所述冷冻为冷冻源冷冻时，所述温度场的温度梯度大小由所述冷冻源的流量控制。

15、当所述冷冻为热电制冷冷冻时，通过控制所述涂覆集流体的温度来控制所述温度场的温度梯度大小；所述涂覆集流体的温度由热电器直接控制。

16、作为优选的实施方式，步骤s03中，

17、所述热压的温度为55℃～150℃；所述热压的压力为1t～30t；所述热压的时间为5min～40min。

18、在温度场中，电极浆料中的溶剂在温度场的诱导下从集流体上向远离集流体的方向生长，待冰晶生长至顶部，此过程结束；与此同时，电极浆料中的不溶颗粒被所述冰晶推开，在集流体上形成了不溶颗粒与冰晶交替出现的固体结构。然后通过真空干燥，在集流体侧面上形成的冰晶直接由固态升华为气态，不溶颗粒受到溶剂升华所产生的表面张力较小，因此冰晶生长所占据的三维立体空间结构得以完整地保留下来。干燥集流体上的不溶颗粒所形成的竖直排列的高定向三维多孔结构仍较为松散，通过对干燥集流体进行热压，通过控制热压的温度、时间和压力，可以使干燥集流体上的固体颗粒更为致密，从而使制得的极片的孔隙率、力学性能更适应电池性能的需求，保证制得的极片具有高定向结构。

19、另一方面，本发明实施例还提供由上述制备方法制备得到的锂电池极片。

20、所述锂电池极片为适用于锂电池的正极片或适用于锂电池的负极片。

21、所述锂电池为钴酸锂(lco)电池、锰酸锂(lmo)电池、磷酸铁锂(lfp)电池、三元锂电池或聚合物锂电池。

22、本申请通过定向冷冻干燥的涂布干燥方式替代传统涂布热干燥的方式，大大减少了传统热干燥方式所造成的能源消耗，并且由本申请方法所制备的锂电池极片在锂离子运输方向上具备高定向网络结构、低曲折度，可以大大提高锂电池极片的负载量及离子电导率，从而使得锂电池的能量密度、倍率性能和循环性能进一步提高。冷冻、干燥后再热压，还可以对极片材料的孔隙率和力学强度进一步控制和提高，可以代替传统的辊压工序，可简化制备工序、进一步节省生产成本，可以适用于规模化或工业化大生产。

23、通过本申请方法，能够使得锂离子在锂电池内部通畅传导，大大提高锂电池的能量效率、倍率性能及长循环性能，从而有效解决传统正负极材料涂布干燥方法所制备的正负极材料存在的网络结构各项同性、离子电导率差、曲折度大等问题。本申请将冷冻和干燥分成两个工序，先冷冻后干燥，真空干燥方式更有利于浆料溶剂的集中回收；并且由本申请方法所制备的极片可定制化程度更高，更容易满足市场上对锂电池更高能量密度、循环性能和倍率性能的要求。

技术特征：

1.一种锂电池极片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的锂电池极片的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述涂覆的厚度＞50μm；所述集流体为铝箔、涂碳铝箔或铜箔中的一种。

3.根据权利要求2所述的锂电池极片的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述温度场为冷冻、竖直向上的温度场；竖直向上指的是环境温度沿垂直于涂覆集流体的方向呈梯度设置。

4.根据权利要求3所述的锂电池极片的制备方法，其特征在于，所述梯度设置指的是温度由低到高的梯度。

5.根据权利要求3所述的锂电池极片的制备方法，其特征在于，所述冷冻为冷冻源冷冻、蒸汽压缩循环制冷冷冻或热电制冷冷冻中的一种。

6.根据权利要求5所述的锂电池极片的制备方法，其特征在于，所述冷冻源为液氮。

7.根据权利要求5所述的锂电池极片的制备方法，其特征在于，当所述冷冻为冷冻源冷冻时，所述温度场的温度梯度大小由所述冷冻源的流量控制；

8.根据权利要求1所述的锂电池极片的制备方法，其特征在于，步骤s03中，所述热压的温度为55℃～150℃；所述热压的压力为1t～30t；所述热压的时间为5min～40min。

9.一种锂电池极片，其特征在于，所述锂电池极片由权利要求1至8任一项所述的制备方法制备得到。

10.根据权利要求9所述的锂电池极片，其特征在于，所述锂电池极片为适用于锂电池的正极片或适用于锂电池的负极片；

技术总结
本发明属于电池技术领域，具体公开一种锂电池极片的制备方法，包括如下步骤：S01、将电极浆料涂覆于集流体的侧面上，得到涂覆集流体；将所述涂覆集流体置于温度场中进行冷冻，得到冷冻极片；所述温度场的温度范围为‑50℃～10℃；所述冷冻的时间为10min～40min；S02、将步骤S01的冷冻极片进行真空干燥，得到干燥极片；所述真空干燥为于真空度1.3Pa～13Pa、温度＜0℃干燥15min～45min；S03、将步骤S02的干燥极片进行热压，得到锂电池极片。本申请还提供一种锂电池极片。本申请制备方法简单，能够使得锂离子在锂电池内部通畅传导，大大提高锂电池的能量效率、倍率性能及长循环性能。

技术研发人员：李杨
受保护的技术使用者：深圳市雄韬锂电有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25