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CN106450156A - 一种电极片及其制作方法 - Google Patents

一种电极片及其制作方法 Download PDF

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CN106450156A
CN106450156A CN201610859570.5A CN201610859570A CN106450156A CN 106450156 A CN106450156 A CN 106450156A CN 201610859570 A CN201610859570 A CN 201610859570A CN 106450156 A CN106450156 A CN 106450156A
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conductive
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胡海波
涂健
刘克永
陈振
刘喜
李春龙
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Hunan Lifang New Energy Science and Technology Co Ltd
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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种电极片及其制作方法，该电极片包括集流体、电极膜片以及涂覆在集流体和电极膜片之间的导电层，导电层包括导电剂和粘结剂，电极膜片的面密度≥20mg/cm2。本发明通过在集流体和电极膜片之间设置导电层，有效加强了集流体和电极膜片的之间的导电性和粘结效果，使得电极膜片面密度达到20mg/cm2以上，依然能够保持较高的功率密度；因此，本发明有效解决了现有技术中因电极膜片面密度提高所带来的电池功率密度大幅下降的难题。此外，相比于现有多段式非连续生产工序，本发明电极片的制作方法工艺简单，生产连续，且操作简便，能够有效简化生产工序，加快生产周期，提高生产效率。

Description

一种电极片及其制作方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种电极片及其制作方法。
背景技术
锂离子电池凭借高能量密度、高工作电压、长循环寿命、安全无污染等优势已经成为目前市场上主流的二次电池，在智能手机、平板电脑、智能穿戴设备等产品上，基本都采用锂离子电池作为电源。但随着智能便携式移动设备集成度的不断增加以及移动设备日渐趋于小型化、轻薄化的发展趋势，使其对电池能量密度的要求越来越高。
为了进一步提升锂离子电池的能量密度，目前业内普遍的做法是降低非活性物质所占的比重。具体做法包括以下两种：第一，降低非活性物质本身的单位体积。例如：当前体积能量密度为650Wh/L或重量能量密度为230Wh/kg的聚合物锂离子电池，其使用的隔膜厚度已经减少到了10～12μm；而作为正极集流体的铝箔和负极集流体的铜箔已经分别减少到了10～12μm和6～8μm。第二，降低非活性物质的用量。例如：当前体积能量密度为700Wh/L或重量能量密度为250Wh/kg的聚合物锂离子电池，其正负极膜片中非活性物质(包括导电剂、粘结剂、其它非活性功能添加剂)所占的比重已经降到了2％以内；而其正极膜片在集流体上的涂敷面密度已经达到了20mg/cm2。
然而，目前上述两种提高能量密度的做法都遇到了瓶颈。第一种做法的瓶颈在于，集流体和隔膜越薄其强度越弱，导致电池制造过程中的工艺和控制成本增加。第二种做法的瓶颈在于，随着粘结剂和导电剂的减少以及涂敷面密度的增加，使得膜片与集流体之间的粘接性以及电子电导性均有所下降，同时由于电子电导性骤减，必然导致电池内阻增大，从而使得电池的功率密度降低。
此外，尽管目前先将集流体涂敷导电浆料、再烘干，并以此作为复合集电体的底涂方案在一定程度上改善了膜片与集流体之间的机械附着性能，但其所带来的电极片生产不连续、生产周期过长、能耗浪费、成本增加等问题也亟待解决。
有鉴于此，确有必要提供一种电极片及其制作方法，以实现提升电池能量密度的同时保持较高的电池功率密度。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种电极片，以解决现有电极片随着电极膜片面密度的增加，而电子电导性和电池功率密度降低的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下解决方案：
一种电极片，包括集流体、电极膜片以及涂覆在集流体和电极膜片之间的导电层，所述导电层包括导电剂和粘结剂，所述电极膜片的面密度≥20mg/cm2。
优选地，所述导电剂包括导电碳黑、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、碳纤维、碳纳米管、碳纳米线和石墨烯中的至少一种。上述导电剂均具有优良的导电子性能，能够有效提高电极片的电导性。
优选地，所述粘结剂包括羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、聚偏氟乙烯和聚酰亚胺中的至少一种。
优选地，所述电极膜片的面密度≥50mg/cm2；更优选为≥100mg/cm2。
优选地，所述导电层的厚度为0.1～10μm；更优选为1～3μm。导电层太厚会降低电极片的体积能量密度；导电层太薄达不到提高电极片导电性能，进而提高电池功率的目的。
优选地，所述导电剂和所述粘结剂的质量比为1.5:1～19:1，更优选为5:1～12:1。在该范围内能够有效保证导电层的导电性和粘结性；若粘结剂用量过大，导电剂用量过小，会导致电池的内阻增大，降低活性物质占比，从而导致电池容量和功率密度降低；若粘结剂用量过小，导电剂用量过大，会导致导电层的粘结效果变差，容易发生掉粉、脱落现象。
优选地，所述导电层还包括陶瓷粉、添加剂和电极活性物质中的至少一种；所述陶瓷粉为碳化硅、氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化钙、氧化锌、氧化镁和氧化钛中的至少一种；所述添加剂为固体电解质、增塑剂和离子液体中的至少一种。
优选地，所述集流体为铜箔或者铝箔。当电极片为正极片时，集流体选为铝箔；当电极片为负极片时，集流体选为铜箔。
优选地，所述电极膜片包括电极活性物质、粘结剂和导电剂。当电极膜片为正极膜片时，电极活性物质为锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物和磷酸铁锂中的一种或多种；当电极膜片为负极膜片时，电极活性物质为软碳、硬碳、人造石墨、天然石墨、硅、硅氧化合物、硅碳复合物和钛酸锂中的一种或多种。粘结剂为羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、聚偏氟乙烯和聚酰亚胺中的一种或者多种。导电剂为导电石墨、乙炔黑、科琴黑、碳纤维、碳纳米管、碳纳米线和石墨烯种的一种或多种。
本发明的有益效果在于：相比于现有技术，本发明通过在集流体和电极膜片之间设置导电层，有效加强了集流体和电极膜片的之间的导电性和粘结效果，使得电极膜片面密度达到20mg/cm2以上，依然能够保持较高的功率密度；因此，本发明有效解决了现有技术中因电极膜片面密度提高所带来的电池功率密度大幅下降的难题。
本发明的另一目的在于：提供一种上述电极片的制作方法，该制作方法包括以下步骤：
(1)通过凹版印刷或者浸涂的方式在集流体表面涂覆导电浆料，烘箱烘干后导电浆料形成为导电层；
(2)然后通过挤压涂布或者转移涂布的方式在导电层表面涂覆电极浆料，烘箱烘干后电极浆料形成为电极膜片，即得到所述的电极片。
其中，步骤(1)中烘箱温度为60～100℃；步骤(2)中烘箱温度为80～120℃。
相比于现有多段式非连续生产工序，本发明的电极片的制作方法工艺简单，生产连续，且操作简便，能够有效简化生产工序，降低生产成本，加快生产周期，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明对比例3中正极片的SEM图之一。
图3为本发明对比例3中正极片的SEM图之二。
图中：1-集流体；2-导电层；3-电极膜片。
具体实施方式
如图1所示，一种电极片，包括集流体1、电极膜片3以及涂覆在集流体1和电极膜片3之间的导电层2，导电层2包括导电剂和粘结剂，导电剂和粘结剂的质量比为1.5:1～19:1；导电层2的厚度为0.1～10μm；电极膜片3的面密度≥20mg/cm2；
其中，导电剂包括导电碳黑、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、碳纤维、碳纳米管、碳纳米线和石墨烯中的至少一种；粘结剂包括羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、聚偏氟乙烯和聚酰亚胺中的至少一种。
下面将结合具体实施例对本发明及其有益效果作进一步详细说明。
实施例1
正极片的制备：将导电石墨和丁苯橡胶按质量比10:1混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，然后通过凹版印刷的方式在铝箔表面涂覆导电浆料，在80℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为5μm；将95wt％的镍钴锰酸锂、2.5wt％的聚偏氟乙烯和2.5wt％的导电炭黑均匀混合形成正极浆料，然后通过挤压涂布的方式在导电层2表面涂覆正极浆料，在100℃的烘箱烘干后正极浆料形成为正极膜片，且正极膜片的面密度为50mg/cm2。
负极片的制备：将导电碳黑和羧甲基纤维素钠按质量比1.5:1混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，通过浸涂的方式在铜箔表面涂覆导电浆料，在60℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为5μm；将96wt％的碳化硅/人造石墨复合材料、1.5wt％的羧甲基纤维素钠、1wt％的碳纳米管、1.5wt％的丁苯橡胶均匀混合形成负极浆料，然后通过转移涂布的方式在导电层2表面涂覆负极浆料，在80℃的烘箱烘干后负极浆料形成为负极膜片，且负极膜片的面密度为26mg/cm2。
锂离子电池的制备：锂离子电池的隔离膜为10μm的聚乙烯薄膜，电解液采用含1M六氟磷酸锂的电解液，溶剂采用体积比为1:1:1的碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯/1，2-丙二醇碳酸酯的混合溶剂。
将上述制备得到的正极片、隔离膜、负极片依次层叠后形成裸电芯，经过封装、注液、化成等工序，制成叠片式锂离子电池或卷绕式锂离子电池。
实施例2
与实施例1不同的是，正极片的制备：将乙炔黑和聚四氟乙烯按质量比15:1混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，然后通过凹版印刷的方式在铝箔表面涂覆导电浆料，在70℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为1μm；将97wt％的镍钴锰酸锂、2wt％的聚偏氟乙烯和1wt％的导电炭黑均匀混合形成正极浆料，然后通过挤压涂布的方式在导电层2表面涂覆正极浆料，在90℃的烘箱烘干后正极浆料形成为正极膜片，且正极膜片的面密度为20mg/cm2。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例3
与实施例1不同的是，正极片的制备：将石墨烯和聚四氟乙烯按质量比19:1混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，然后通过凹版印刷的方式在铝箔表面涂覆导电浆料，在90℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为3μm；将96wt％的镍钴锰酸锂、2wt％的聚偏氟乙烯和2wt％的碳纳米线均匀混合形成正极浆料，然后通过挤压涂布的方式在导电层2表面涂覆正极浆料，在120℃的烘箱烘干后正极浆料形成为正极膜片，且正极膜片的面密度为80mg/cm2。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例4
与实施例1不同的是，正极片的制备：将碳纤维和聚酰亚胺按质量比5:1混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，然后通过凹版印刷的方式在铝箔表面涂覆导电浆料，在80℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为0.1μm；将96wt％的镍钴锰酸锂、2wt％的聚偏氟乙烯和2wt％的导电炭黑均匀混合形成正极浆料，然后通过挤压涂布的方式在导电层2表面涂覆正极浆料，在110℃的烘箱烘干后正极浆料形成为正极膜片，且正极膜片的面密度为30mg/cm2。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例5
与实施例1不同的是，正极片的制备：将乙炔黑、科琴黑、石墨烯和聚偏氟乙烯按质量比3:3:3:1混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，然后通过凹版印刷的方式在铝箔表面涂覆导电浆料，在85℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为0.8μm；将96wt％的镍钴锰酸锂、2wt％的聚偏氟乙烯和2wt％的导电炭黑均匀混合形成正极浆料，然后通过挤压涂布的方式在导电层2表面涂覆正极浆料，在100℃的烘箱烘干后正极浆料形成为正极膜片，且正极膜片的面密度为70mg/cm2。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例6
与实施例1不同的是，负极片的制备：将碳纳米线和羧甲基纤维素钠按质量比3:1混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，通过浸涂的方式在铜箔表面涂覆导电浆料，在100℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为8μm；将95wt％的人造石墨、1.5wt％的羧甲基纤维素钠、1.5wt％的导电炭黑、2wt％的丁苯橡胶均匀混合形成负极浆料，然后通过转移涂布的方式在导电层2表面涂覆负极浆料，在120℃的烘箱烘干后负极浆料形成为负极膜片，且负极膜片的面密度为60mg/cm2。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例7
与实施例1不同的是，负极片的制备：将碳纳米管和羧甲基纤维素钠按质量比12:1混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，通过浸涂的方式在铜箔表面涂覆导电浆料，在95℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为10μm；将95wt％的人造石墨、1.5wt％的羧甲基纤维素钠、1.5wt％的导电炭黑、2wt％的丁苯橡胶均匀混合形成负极浆料，然后通过转移涂布的方式在导电层2表面涂覆负极浆料，在115℃的烘箱烘干后负极浆料形成为负极膜片，且负极膜片的面密度为25mg/cm2。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例8
与实施例1不同的是，负极片的制备：将碳纳米管、碳纳米线、石墨烯和羧甲基纤维素钠按质量比5:5:5:1混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，通过浸涂的方式在铜箔表面涂覆导电浆料，在80℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为5μm；将95wt％的人造石墨、1.5wt％的羧甲基纤维素钠、1.5wt％的导电炭黑、2wt％的丁苯橡胶均匀混合形成负极浆料，然后通过转移涂布的方式在导电层2表面涂覆负极浆料，在100℃的烘箱烘干后负极浆料形成为负极膜片，且负极膜片的面密度为30mg/cm2。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例9
与实施例1不同的是，负极片的制备：将导电石墨、乙炔黑、聚偏氟乙烯和丁苯橡胶按质量比8:8:0.5:0.5混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，通过浸涂的方式在铜箔表面涂覆导电浆料，在70℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为4μm；将95wt％的人造石墨、1.5wt％的羧甲基纤维素钠、1.5wt％的导电炭黑、2wt％的丁苯橡胶均匀混合形成负极浆料，然后通过转移涂布的方式在导电层2表面涂覆负极浆料，在90℃的烘箱烘干后负极浆料形成为负极膜片，且负极膜片的面密度为35mg/cm2。
其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例10
与实施例1不同的是，负极片的制备：将碳纳米管、碳纳米线、聚四氟乙烯和羧甲基纤维素钠按质量比6:6:0.5:0.5混合，使用N-甲基吡咯烷酮做溶剂，经高速搅拌得到分散均匀的导电浆料，通过浸涂的方式在铜箔表面涂覆导电浆料，在80℃的烘箱烘干后导电浆料形成为导电层2，且导电层2的厚度为6μm；将95wt％的人造石墨、1.5wt％的羧甲基纤维素钠、1.5wt％的导电炭黑、2wt％的丁苯橡胶均匀混合形成负极浆料，然后通过转移涂布的方式在导电层2表面涂覆负极浆料，在100℃的烘箱烘干后负极浆料形成为负极膜片，且负极膜片的面密度为40mg/cm2。
其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例1
与实施例1不同的是，正极片的铝箔和正极膜片之间不设置导电层2，其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例2
与实施例1不同的是，负极片的铜箔和负极膜片之间不设置导电层2，其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例3
与实施例1不同的是，正极片的铝箔和正极膜片之间不设置导电层2，负极片的铜箔和负极膜片之间也不设置导电层2，其余同实施例1，这里不再赘述。
分别对上述实施例1～10和对比例1～3所制得的锂离子电池进行能量密度、倍率放电性能和循环性能测试，测试结果见表1。
表1实施例和对比例的电池能量密度、倍率放电性能和循环性能测试结果
由表1的测试结果可知，相比于对比例1～2仅在正极片或者负极片上设置导电层2，本发明同时在正极片和负极片上设置导电层2具有相对优异的倍率放电性能、循环性能，以及更高的能量密度。相比于对比例3中正极片和负极片上均未设置导电层2的锂离子电池，本发明由于设置导电层2后增加了集流体1和电极膜片3之间的导电性和粘结性，因此能够承载更高面密度的电极膜片3，从而提高锂离子电池的能量密度；同时导电层2的涂覆可降低电池的直流内阻，有效的提高电池的倍率放电性能，并保持较高的功率密度。
将对比例3所制得的正极片进行SEM测试，测试结果见图2～3。
由图2～3可知，未设置导电层2的正极片，导电剂极少，且没有形成有效的导电网络，导致正极膜片和铝箔之间的导电性能较差，内阻较大，功率密度相对较低。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种电极片，其特征在于：包括集流体、电极膜片以及涂覆在集流体和电极膜片之间的导电层，所述导电层包括导电剂和粘结剂，所述电极膜片的面密度≥20mg/cm2。
2.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于：所述导电剂包括导电碳黑、导电石墨、乙炔黑、科琴黑、碳纤维、碳纳米管、碳纳米线和石墨烯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于：所述粘结剂包括羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、聚偏氟乙烯和聚酰亚胺中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于：所述电极膜片的面密度≥50mg/cm2。
5.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于：所述导电层的厚度为0.1~10μm。
6.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于：所述导电剂和所述粘结剂的质量比为1.5:1~19:1。
7.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于：所述导电层还包括陶瓷粉、添加剂和电极活性物质中的至少一种；所述陶瓷粉为碳化硅、氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化钙、氧化锌、氧化镁和氧化钛中的至少一种；所述添加剂为固体电解质、增塑剂和离子液体中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的电极片，其特征在于：所述电极膜片包括电极活性物质、粘结剂和导电剂。
9.一种根据权利要求1所述的电极片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）通过凹版印刷或者浸涂的方式在集流体表面涂覆导电浆料，烘箱烘干后导电浆料形成为导电层；
（2）然后通过挤压涂布或者转移涂布的方式在导电层表面涂覆电极浆料，烘箱烘干后电极浆料形成为电极膜片，即得到所述的电极片。
10.根据权利要求9所述的电极片的制作方法，其特征在于：步骤（1）中烘箱温度为60~100℃；步骤（2）中烘箱温度为80~120℃。
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