CN109390586A - 一种锂离子电池的负极膨胀抑制结构和负极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池的负极膨胀抑制结构和负极及其制备方法，所述负极膨胀抑制结构包括多孔铜箔以及超长线性导电剂，所述超长线性导电剂穿插于多孔铜箔的孔洞之间。通过多孔铜箔的孔洞连通了多孔铜箔正反面的活性主材。负极膨胀抑制结构，利用超长线性导电剂通过箔材的孔洞连通了箔材正反面的活性主材，使超长线性导电剂像针线一样穿插于三维铜箔的孔洞之间，紧固箔材两面的活性材料，加强活性主材与箔材的结合力，可以同时提高极片导电率和剥离强度。

Description

一种锂离子电池的负极膨胀抑制结构和负极及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种锂离子电池的负极膨胀抑制结构和负极及其制备方法。
背景技术
在新能源变革与急剧发展的今天，新能源汽车已经开始走进千家万户，国家也大力扶持新能源产业，面对里程焦虑，对锂离子电池的能量密度和循环寿命提出了更高的要求。根据国家部委相关指导文件，到2020年，锂离子动力电池单体比能量大于300Wh/kg，目前使用的石墨负极体系已无法满足要求，这就用到新的负极体系--硅负极，但硅体系负极有一个明显的缺点，体积膨胀大，因此，大量研究着眼于降低或抑制硅体系负极在使用过程中的膨胀。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在一种锂离子电池的负极膨胀抑制结构和负极及其制备方法，使用具有新型结构的三维多孔铜箔和超长线性导电剂，使超长线性导电剂像针线一样穿插于三维铜箔的孔洞之间，紧固箔材两面的活性材料，在提高极片导电率的同时，提高极片剥离，缓解负极主材膨胀，降低负极极片膨胀率，提高整体电池性能。
一种锂离子电池的负极膨胀抑制结构，包括多孔铜箔以及超长线性导电剂，所述超长线性导电剂穿插于多孔铜箔的孔洞之间。通过多孔铜箔的孔洞连通了多孔铜箔正反面的活性主材。
负极膨胀抑制结构主要是通过使用具有新型结构的三维多孔铜箔和超长线性导电剂来实现，传统颗粒导电剂结构和传统线性导电剂结构只能实现一个面内的导通作用，无法同时作用于箔材的正反面，但负极膨胀抑制结构，利用超长线性导电剂通过箔材的孔洞连通了箔材正反面的活性主材，使超长线性导电剂像针线一样穿插于三维铜箔的孔洞之间，紧固箔材两面的活性材料，加强活性主材与箔材的结合力，可以同时提高极片导电率和剥离强度。
电池充放电过程中，负极片发生膨胀，传统颗粒导电剂结构和传统线性导电剂结构由于束缚力弱，抗膨胀能力差，极片膨胀大，极片中活性主材容易与箔材开裂剥落，但是负极膨胀抑制结构具有强的束缚力，能有效降低负极膨胀，从而改善电池的充放电特性，提升电池循环寿命，延长电池使用时间。
优选的，所述超长线性导电剂的长径比≥1万；直径为0.5-200nm；优选的，所述超长线性导电剂为单壁碳管，双壁碳管，多壁碳管，纳米碳纤维，石墨烯条带及其以这些材料为基础的改性材料中的一种或两种以上；还可以使用其他的具有长径比特征的导电剂。
优选的，所述多孔铝箔中，孔径大小为0.01-2mm；孔与孔之间的间距为0.5-10mm；多孔铝箔的厚度为5-30μm；多孔铜箔的面密度为25-125g/m2。
多孔铜箔为具有孔洞分布的铜箔，且孔贯穿铜箔本体，其制备方法包括但不限于扎孔，压孔，腐蚀，电解，电镀等可以制备多孔分布铜箔的方法。
本发明还提供一种锂离子电池的负极，包括如上所述的负极膨胀抑制结构。
本发明同时提供一种锂离子电池的负极，包括多孔铝箔以及浆料，所述浆料包括硅碳、石墨、超长线性导电剂以及粘剂剂，所述硅碳与石墨的质量比为(0.5～2):(2～20)；超长线性导电剂占浆料质量的0.01～1.5％；粘结剂占浆料质量的2％～10％；所述浆料涂布在多孔铜箔上。
优选的，所述粘结剂为CMC(羧甲基纤维素钠)、SBR(丁苯橡胶)、PAA(聚丙烯酸)、PAN(聚丙烯腈)、PI(聚异戊二烯)、PAM(聚丙烯酰胺)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)中的一种或两种以上；所述超长线性导电剂的长径比≥1万；直径为0.5-200nm；优选的，超长线性导电剂为单壁碳管，双壁碳管，多壁碳管，纳米碳纤维，石墨烯条带及其以这些材料为基础的改性材料中的一种或两种以上。
本发明也提供一种制备如上所述的负极的方法，包括如下步骤，将硅碳和石墨按一定比例混合，加入超长线性导电剂和粘结剂进行匀浆，匀浆完成后，过筛涂布，涂布时所用箔材为多孔箔材，经烘箱烘干后，进行辊压，经分切和模切得到负极；优选的，涂布的厚度为100～200μm；烘干的温度为90～130℃。
将负极所需主材，粘结剂，导电剂和添加剂按照一定的比例和顺序进行匀浆，然后涂布，涂布过程中，浆料的运动可使浆料中包含的超长线性导电剂通过箔材孔洞到达箔材的另一面，像针线一样穿插于箔材的正反两面，构成一个整体的具有强束缚力的三维导电网络，连通正反两面。通常的线性导电剂由于长径比小，无法实现穿插功能，需使用超长线性导电剂才可实现本目的。涂布烘干后，溶剂挥发，经过辊压进一步加强了三维导电网络对箔材和活性主材的束缚力，在后期电池使用过程中可以很好的起到抑制膨胀和开裂的作用，分切和模切后即可得到具有膨胀抑制结构的负极片。再与正极片，隔膜，保护外壳组装，注液，化成和分容后得到包含负极膨胀抑制结构的锂离子电池。
本发明还提供一种锂离子电池，包括如上所述的负极，正极、隔膜，所述正极包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂中的一种或两种以上；所述隔膜为PP(聚丙烯)，PE(聚丙烯酸酯)及其复合膜中的一种。
相对于现有技术，本发明所述的一种锂离子电池的负极膨胀抑制结构和负极及其制备方法，具有以下优势：
本发明利用超长线性导电剂通过箔材的孔洞连通了箔材正反面的活性主材，使超长线性导电剂像针线一样穿插于三维铜箔的孔洞之间，紧固箔材两面的活性材料，加强活性主材与箔材的结合力，在提高极片导电率的同时，提高极片剥离，缓解负极主材膨胀，降低负极极片膨胀率，提高整体电池性能。
附图说明
图1为负极结构的简单结构示意图；
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种锂离子电池的负极包括多孔铝箔以及浆料，所述浆料包括硅碳、石墨、超长线性导电剂以及粘剂剂，所述硅碳与石墨的质量比为1:15；超长线性导电剂占浆料质量的0.1％；粘结剂占浆料质量的4％；所述浆料涂布在多孔铜箔上。
所述超长线性导电剂为单壁碳管导电剂，碳管直径为1-2nm，长至少20μm，粘结剂为CMC与SBR的混合物，且两者的质量比为1:3。
所述多孔铝箔中，孔径大小为0.8mm；孔与孔之间的间距为1mm；多孔铝箔的厚度为10μm；多孔铜箔的面密度为50g/m2。
一种制备如上所述的负极的方法，包括如下步骤，将硅碳和石墨按一定比例混合，加入超长线性导电剂和粘结剂进行匀浆，匀浆完成后，过筛涂布，涂布厚度为150μm，涂布时所用箔材为多孔箔材，经110℃烘箱烘干后，进行碾压，经分切和模切得到负极。
将上述制备的负极片，与镍钴锰酸锂为正极的正极片，复合膜隔膜，保护外壳组装成未注液电芯，烘箱烘烤12h至水分达标后进行注液，电解液为EC:EMC:DMC＝2:3:5，静置24h后，进行化成，除气和分容，得到包含负极膨胀抑制结构的锂离子电池。
实施例2
一种锂离子电池的负极包括多孔铝箔以及浆料，所述浆料包括硅碳、石墨、超长线性导电剂以及粘剂剂，所述硅碳与石墨的质量比为1:5；超长线性导电剂占浆料质量的0.1％；粘结剂占浆料质量的4％；所述浆料涂布在多孔铜箔上。
所述超长线性导电剂为石墨烯条带，直径为50nm，长至少0.5mm，粘结剂为PAA类；包括多孔铝箔以及浆料，所述浆料包括硅碳、石墨、超长线性导电剂以及粘剂剂，
所述多孔铝箔中，孔径大小为1.5mm；孔与孔之间的间距为2mm；多孔铝箔的厚度为15μm；多孔铜箔的面密度为68g/m2。
一种制备如上所述的负极的方法，包括如下步骤，将硅碳和石墨按一定比例混合，加入超长线性导电剂和粘结剂进行匀浆，匀浆完成后，过筛涂布，涂布厚度为150μm，涂布时所用箔材为多孔箔材，经110℃烘箱烘干后，进行碾压，经分切和模切得到负极。
将上述制备的负极片，与镍钴锰酸锂为正极的正极片，复合膜隔膜，保护外壳组装成未注液电芯，烘箱烘烤12h至水分达标后进行注液，电解液为EC:EMC:DMC＝2:3:5，静置24h后，进行化成，除气和分容，得到包含负极膨胀抑制结构的锂离子电池。
对比组除涂布时用无孔箔材，其余过程与实施例1相同。
将所得到锂离子电池进行满电拆解，测量负极片的膨胀情况，对比组负极片相比于碾压后的极片(对照组1)膨胀45％，而实施例1包含负极膨胀抑制结构的负极片相比于碾压后的极片(实施例1)膨胀只有35％，降低了负极极片的膨胀率。
实施例2包含负极膨胀抑制结构的负极片相比于碾压后的极片(实施例2)膨胀只有32％，降低了负极极片的膨胀率。
导电率的测试结果：利用四探针法测试极片的导电率，对比组负极片导电率为5S/cm，而实施例1得到的包含负极膨胀抑制结构的负极片导电率为6S/cm；实施例2得到的包含负极膨胀抑制结构的负极片导电率为6.5S/cm。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锂离子电池的负极膨胀抑制结构，其特征在于：包括多孔铜箔以及超长线性导电剂，所述超长线性导电剂穿插于多孔铜箔的孔洞之间；通过多孔铜箔的孔洞连通了多孔铜箔正反面的活性主材。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池的负极膨胀抑制结构，其特征在于：所述超长线性导电剂的长径比≥1万；直径为0.5-200nm；优选的，所述超长线性导电剂为单壁碳管，双壁碳管，多壁碳管，纳米碳纤维，石墨烯条带及其以这些材料为基础的改性材料中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池的负极膨胀抑制结构，其特征在于：所述多孔铝箔中，孔径大小为0.01-2mm；孔与孔之间的间距为0.5-10mm；多孔铝箔的厚度为5-30μm；多孔铜箔的面密度为25-125g/m2。
4.一种锂离子电池的负极，其特征在于：包括如权利要求1～3任一项所述的负极膨胀抑制结构。
5.一种锂离子电池的负极，其特征在于：包括多孔铝箔以及浆料，所述浆料包括硅碳、石墨、超长线性导电剂以及粘剂剂，所述硅碳与石墨的质量比为(0.5～2):(2～20)；超长线性导电剂占浆料质量的0.01～1.5％；粘结剂占浆料质量的2％～10％；所述浆料涂布在多孔铜箔上。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池的负极，其特征在于：所述粘结剂为CMC、SBR、PAA、PAN、PI、PAM、PMMA中的一种或两种以上；所述超长线性导电剂的长径比≥1万；直径为0.5-200nm；优选的，超长线性导电剂为单壁碳管，双壁碳管，多壁碳管，纳米碳纤维，石墨烯条带及其以这些材料为基础的改性材料中的一种或两种以上。
7.一种制备如权利要求5所述的负极的方法，其特征在于：包括如下步骤，将硅碳和石墨按一定比例混合，加入超长线性导电剂和粘结剂进行匀浆，匀浆完成后，过筛涂布；涂布时所用箔材为多孔箔材，经烘箱烘干后，进行碾压，经分切和模切得到负极；优选的，涂布的厚度为100～200μm；烘干的温度为90～130℃。
8.一种锂离子电池，其特征在于，包括如权利要求4或5所述的负极，正极、隔膜，所述正极包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂中的一种或两种以上；所述隔膜为PP，PE及其复合膜中的一种。
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