CN103165863A - 一种正极极片及其制备方法、电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种正极极片，其特征在于，包括依次层叠的正极集流体、缓冲导电层和正极活性层；所述缓冲导电层包括磷酸盐、第一导电剂和第一粘结剂，所述磷酸盐具有如下通式：LiMPO4，其中M选自Fe、Mn、Co中的一种或多种的复合，所述缓冲层厚度为2-50μm，第一导电剂粒径小于75μm；所述缓冲导电层中，磷酸盐含量为40-90wt%，第一导电剂含量为5-10wt%，第一粘结剂含量为5-50wt%。同时，本发明还公开了上述正极极片的制备方法以及采用该正极极片的电池。采用本发明提供的正极极片制备得到的电池具有良好的过充性能，大大提高了电池的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种正极极片及其制备方法，以及采用该正极极片的电池。
背景技术
锂离子电池是一种可充电的二次电池，锂离子电池由于具有容量大，安全且体积能量密度高等优点，广泛应用与各种便携式电子产品，目前大型用电设备，如储能、电动汽车等领域形成巨大的应用规模。
随着电池向高能量密度方向的发展，单体电池的容量越来越高，安全性能越来越受到关注，特别是在滥用中，很容易因为充电装置失效，电池过充，导致内部微短路，进而热失控，具有很大的安全隐患。
发明内容
为克服现有技术中电池在过充时存在较大安全隐患的问题，本发明提供了一种正极极片，其具有良好的过充性能，大大提高了电池的安全性。
本发明提供的正极极片包括依次层叠的正极集流体、缓冲导电层和正极活性层；所述缓冲导电层包括磷酸盐、第一导电剂和第一粘结剂，所述磷酸盐具有如下通式：LiMPO4，其中M选自Fe、Mn、Co中的一种或多种的复合，所述缓冲层厚度为2-50μm，第一导电剂粒径小于75μm；所述缓冲导电层中，磷酸盐含量为40-90wt%，第一导电剂含量为5-10wt%，第一粘结剂含量为5-50wt%。
同时，本发明还公开了上述正极极片的制备方法，包括：
S1、将磷酸盐、第一导电剂、第一粘结剂按质量比40-90：5-10：5-50混合均匀，加入溶剂，得到缓冲导电层浆料，其中，缓冲导电层浆料的固含量为10-50%，粘度为200-1500Pa·s；
S2、将缓冲导电层浆料涂覆于正极集流体上，烘烤，在正极集流体上形成厚度为2-50μm的缓冲导电层；
S3、在所述缓冲导电层表面形成正极活性层。
另外，本发明还公开了一种电池，包括电池壳体以及位于电池壳体内部的电芯组件和电解液，所述电芯组件包括依次层叠的正极极片、隔膜和负极极片，所述正极极片为上述正极极片或者采用上述方法制备得到的正极极片。
本发明通过在正极集流体表面涂覆缓冲导电层，当充电超过标准放电范围，缓冲导电层会脱锂，使电子电导大幅增加，从而正极极片内阻显著增加，电池得到过充保护。
并且，本发明公开的正极极片中的缓冲导电层厚度为2-50μm，并不会导致电池能量密度降低，同时，在所述缓冲导电层中磷酸盐含量为40-90wt%，第一导电剂含量为5-10wt%，第一粘结剂含量为5-50wt%的前提下，采用粒径小于75μm的第一导电剂，可极大程度的发挥防过充性能，避免存在正极极片局部形成导通通路而使过充时正极极片内阻上升受到影响。
附图说明
图1是本发明提供的正极极片剖视图。
图2是实施例1的循环性能测试曲线。
图3是实施例1的放电性能测试曲线。
其中，1、正极集流体；2、缓冲导电层；3、正极活性层。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开的正极极片包括依次层叠的正极集流体、缓冲导电层和正极活性层；所述缓冲导电层包括磷酸盐、第一导电剂和第一粘结剂，所述磷酸盐具有如下通式：LiMPO4，其中M选自Fe、Mn、Co中的一种或多种的复合，所述缓冲层厚度为2-50μm，第一导电剂粒径小于75μm；所述缓冲导电层中，磷酸盐含量为40-90wt%，第一导电剂含量为5-10wt%，第一粘结剂含量为5-50wt%。
上述磷酸盐是本领域公知的，例如LiFePO4。可通过商购得到。
所述第一导电剂选自碳黑、石墨、乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种。
优选情况下，第一导电剂粒径小于50μm，对进一步提高过充性能更有利。
所述第一粘结剂选自聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶中的一种或几种。
所述正极活性层可以采用现有技术中常用的，例如正极活性层包括正极活性材料、第二粘结剂和第二导电剂；所述正极活性层中，正极活性材料的添加量为80-98%，所述第二粘结剂的添加量为1.5-10%，第二导电剂的添加量为0.5-10%。
具体的，所述正极活性材料选自钴酸锂、磷酸亚铁盐、锰酸锂、硅酸盐、及多元镍、钴、锰多元复合材料中的一种或几种；所述第二导电剂选自碳黑、石墨、乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、羰基镍粉、铜粉、铁粉、锌粉或铝粉一种或几种；所述第二粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶中的一种或几种。
同时，本发明还公开了上述正极极片的制备方法，包括：
S1、将磷酸盐、第一导电剂、第一粘结剂按质量比40-90：5-10：5-50混合均匀，加入溶剂，得到缓冲导电层浆料，其中，缓冲导电层浆料的固含量为10-50%，粘度为200-1500Pa·s；
S2、将缓冲导电层浆料涂覆于正极集流体上，烘烤，在正极集流体上形成厚度为2-50μm的缓冲导电层；
S3、在所述缓冲导电层表面形成正极活性层。
上述步骤S1中的溶剂为N-甲基吡咯烷酮或去离子水。
本发明中，如步骤S1，制备缓冲导电层时，将固含量调至10-50%，粘度调至200-1500Pa·s，在缓冲导电层浆料在正极集流体上干燥后，利于磷酸盐和第一导电剂在缓冲导电层中的合理分布，对提高过充性能十分有利。
在步骤S1之后，S2之前还包括将缓冲导电层浆料过200目筛。
所述正极活性层的制备方法包括：将正极活性材料、第二粘结剂、第二导电剂混合均匀，然后加入N-甲基吡咯烷酮进行搅拌，得到正极活性浆料，将正极活性浆料以1-8m/min的速度涂覆于缓冲导电层表面，然后辊压、冲切。
如本领域公知的，将正极活性材料、第二粘结剂、第二导电剂可按质量比80-98：1.5-10：0.5-10进行混合。
通过上述方即可制备得到本发明公开的正极极片，如图1所示，该正极极片包括由下至上依次层叠的正极集流体1、缓冲导电层2和电极活性层3。
另外，本发明还公开了采用上述正极极片的电池，包括电池壳体以及位于电池壳体内部的电芯组件和电解液，所述电芯组件包括依次层叠的正极极片、隔膜和负极极片，所述正极极片为前述方法制备得到的正极极片。
本发明对于采用的正极集流体/负极集流体、正极活性材料、负极活性材料、第二导电剂、负极导电剂和第二粘结剂没有限制，可以采用现有技术中的各种材料。例如，所述正极活性材料选自钴酸锂、磷酸亚铁盐、锰酸锂、硅酸盐、及多元镍、钴、锰多元复合材料中的一种或几种。所述负极活性物质选自石墨、石油焦、有机裂解碳、中间相碳微球、碳纤维、锡合金、硅合金中的一种或几种。负极导电剂选自乙炔黑、碳纳米管、石墨烯、羰基镍粉、铜粉、铁粉、锌粉或铝粉一种或几种。所述负极粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯橡胶、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸中的一种或几种。所述负极粘结剂也可以与溶剂形成胶状物，所述溶剂选自水、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲基亚砜、甲乙酮、乙酸乙酯中的一种或几种。
电极集流体为本领域技术人员公知的各种电极集流体，例如，正极集流体可以为铝箔、铝网等。负极集流体可以为铜箔。
本发明公开的电池中，正极极片为本发明公开的方法制备得到，负极极片可通过现有方法制备得到，例如将上述负极活性材料、丁苯橡胶乳（SBR）、甲基纤维素（CMC）和super-P加适量去离子水混合均匀，涂覆在9μm铜箔上，干燥，辊压后，冲切即可。
电池其他部件，例如电池壳体、隔膜、电解液等均为本领域常用的，没有限制。
例如，隔膜具有电绝缘性能和液体保持性能，设置于正极和负极之间，并与正极、负极和电解液一起密封在电池壳体中。所述隔膜可以是本领域常用的各种隔膜，例如有本领域技术人员在公知的各厂家生产的各生产牌号的改性聚乙烯毡、改性聚丙烯毡、超细玻璃纤维毡、维尼纶毡或尼龙毡与可湿性聚烯烃微孔膜经焊接或粘结而成的复合膜。
电解液为本领域常用的电解液，如电解质锂盐和非水溶剂的混合溶液。电解质锂盐选自六氟磷酸锂（LiPF6）、高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、卤化锂、氯铝酸锂、氟烃基磺酸锂中的一种或几种。有机溶剂可以选自链状酸酯和环状酸酯混合溶液。其中，链状酸酯可以为碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸甲丙酯（MPC）、碳酸二丙酯（DPC）以及其他含氟、含硫或含不饱和键的链状有机酯类中的至少一种。环状酸酯可以为碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸亚乙烯酯（VC）、γ-丁内酯（γ-BL）、磺内酯以及其他含氟、含硫或含不饱和键的环状有机酯类中的一种或多种。所述电解液中，电解质锂盐的浓度一般为0.1-2mol/l，优选为0.8-1.2mol/l。
所述电池可以采用现有的方法制备得到，例如将上述正极片、聚丙烯隔膜与负极片依次重叠成电芯，装入电池壳体中，将电解液注入电池壳体中，经封口、化成、分容、静置制作成电池。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明公开的正极极片及其制备方法。
缓冲导电层浆料制备：
将16克LiCoPO4活性材料（D50小于5μm）、4克导电碳粉Super-P（D50小于50μm）、20克粘结剂PAA混合，加入60克去离子水搅拌，调节粘度800-1200Pa·s，过200目筛。涂覆在14μm铝箔集流体上，85度真空烘烤1小时。形成25μm厚的缓冲导电层。
正极极片制备：
秤取95克钴酸锂活性材料、2克导电碳粉、3克粘结剂PVDF混合，加200克NMP搅拌，获得活性材料浆料，将其涂覆在涂层浆料处理过的铝集流体上，控制干燥温度及涂覆速度，获得正极极片。
电池制作：
负极极片制备：称取95克石墨，2.5克丁苯橡胶乳SBR，1.5克羟甲基纤维素CMC，1克导电剂Super-p，加入适量的去离子水混合均匀，涂覆在9μm铜箔上制成负极极片，然后85度真空烘烤8小时，极片水含量控制在200ppm以下。
将制作好的的正负极片，按照工序：辊压、冲切、叠片、干燥、注液、封口、化成、分容、静置制作成454261型号软包电池。其中注液时灌注电解液（1MLiPF6，EC:DMC:EMC=1:1:1），聚丙烯微孔膜为隔膜。
电池过充测试:以1C/2C/3C恒流恒压充电，截止电压10V，恒压时间12小时，监控样品状态。
电池循环测试：以0.5C恒流恒压充电，截止电压4.2V，截止电流0.05C;静置10min、放电以0.5C恒流放电，截止电压3.0V，循环300周，容量保持率。
电池的循环性能测试曲线见图2，放电性能曲线见图3。
实施例2
本实施例用于说明本发明公开的正极极片及其制备方法。
缓冲导电层浆料制备：
将16克LiFePO4活性材料（D50小于2μm）、4克导电碳粉Super-P（D50小于50μm）、20克粘结剂PAA混合，加入60克去离子水搅拌，调节粘度800-1200Pa·s，过200目筛。涂覆在14μm铝箔集流体上，85度真空烘烤1小时。形成25μm厚的缓冲导电层。
正极片制备、电池制备方法和测试方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例用于说明本发明公开的正极极片及其制备方法。
缓冲导电层浆料制备：
将16克LiMnPO4活性材料（D50小于2μm）、4克导电碳粉Super-P（D50小于50μm）、20克粘结剂PAA混合，加入60克去离子水搅拌，调节粘度800-1200Pa·s，过200目筛。涂覆在14μm铝箔集流体上，85度真空烘烤1小时。形成25μm厚的缓冲导电层。
正极片制备、电池制备方法和测试方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例用于对比说明本发明公开的正极极片及其制备方法。
电池制备方法与实施例1类似，不同的是，为制作缓冲导电层。
测试方法与实施例1相同。
实施例1-3、对比例1的测试结果填入表1和表2。
表1
| 项目 | 3C/4.8V | 1C/10V | 2C/6V | 2C/10V | 3C/10V |
| 实施例1 | Pass(10/10) | Pass(10/10) | Pass(10/10) | Pass(10/10) | Pass(10/10) |
| 实施例2 | Pass(10/10) | Pass(10/10) | Pass(10/10) | Pass(10/10) | Fail(5/10) |
| 实施例3 | Pass(10/10) | Pass(10/10) | Pass(10/10) | Pass(10/10) | Fail(2/10) |
| 对比例1 | Pass(10/10) | Fail(10/10) | Fail(8/10) | Fail(10/10) | Fail(10/10) |
表2
从表1和表2以及图2和图3的测试结果可以看出，本发明公开的正极极片用于电池中，可显著提高电池的过充性能，并且循环性能和倍率放电性能也得到了提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种正极极片，其特征在于，包括依次层叠的正极集流体、缓冲导电层和正极活性层；所述缓冲导电层包括磷酸盐、第一导电剂和第一粘结剂，所述磷酸盐具有如下通式：LiMPO4，其中M选自Fe、Mn、Co中的一种或多种的复合，所述缓冲层厚度为2-50μm，第一导电剂粒径小于75μm；所述缓冲导电层中，磷酸盐含量为40-90wt%，第一导电剂含量为5-10wt%，第一粘结剂含量为5-50wt%。
2.根据权利要求1所述的正极极片，其特征在于，所述第一导电剂选自碳黑、石墨、乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种，所述第一导电剂粒径小于50μm；所述第一粘结剂选自聚丙烯酸、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的正极极片，其特征在于，所述正极活性层包括正极活性材料、第二粘结剂和第二导电剂；所述正极活性层中，正极活性材料的添加量为80-98%，所述第二粘结剂的添加量为1.5-10%，第二导电剂的添加量为0.5-10%。
4.根据权利要求3所述的正极极片，其特征在于，所述正极活性材料选自钴酸锂、磷酸亚铁盐、锰酸锂、硅酸盐、及多元镍、钴、锰多元复合材料中的一种或几种；所述第二导电剂选自碳黑、石墨、乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、羰基镍粉、铜粉、铁粉、锌粉或铝粉一种或几种；所述第二粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶中的一种或几种。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的正极极片的制备方法，包括：
S1、将磷酸盐、第一导电剂、第一粘结剂按质量比40-90：5-10：5-50混合均匀，加入溶剂，得到缓冲导电层浆料，其中，缓冲导电层浆料的固含量为10-50%，粘度为200-1500Pa·s；
S2、将缓冲导电层浆料涂覆于正极集流体上，烘烤，在正极集流体上形成厚度为2-50μm的缓冲导电层；
S3、在所述缓冲导电层表面形成正极活性层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1之后，S2之前还包括将缓冲导电层浆料过200目筛。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮或去离子水。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述正极活性层的制备方法包括：将正极活性材料、第二粘结剂、第二导电剂混合均匀，然后加入N-甲基吡咯烷酮进行搅拌，得到正极活性浆料，将正极活性浆料以1-8m/min的速度涂覆于缓冲导电层表面，然后辊压、冲切。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，将正极活性材料、第二粘结剂、第二导电剂混合按质量比80-98：1.5-10：0.5-10混合。
10.一种电池，包括电池壳体以及位于电池壳体内部的电芯组件和电解液，所述电芯组件包括依次层叠的正极极片、隔膜和负极极片，其特征在于，所述正极极片为权利要求5-9中任意一项所述的方法制备得到的正极极片。
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