CN110534701A - 一种电极极片,电极极片制造方法及电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电极极片、电极极片制造方法及电化学装置,其中，电极极片包括集流体，还包括分别对称设于所述集流体上、下表面上的活性物质层；分别设于所述第一活性物质层上的第二活性物质层；所述第二活性物质层边缘处的集流体形成极耳。本发明通过改变传统涂覆方式，将两种不同性能的材料分层涂覆在集流体上，使其表层具有较快脱嵌锂离子能力，降低极片表面析锂风险，提高了电池安全性能，延长了电池使用寿命，而且还提高了电池的功率性能。

Description

一种电极极片,电极极片制造方法及电化学装置

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种电极极片,电极极片制造方法及电化学装置。

背景技术

随着新能源汽车的发展，锂离子电池由于其高能量密度，无记忆性能，环境友好等优异性能，在储能、便携式电子产品、电动汽车等产品上受到广泛的应用。

但是随着锂离子电池的大面积推广，也暴露出越来越多的问题，比如现在备受关注的负极析锂问题，这不仅会导致电池能量的损失，降低使用寿命，甚者，锂枝晶的生长还有可能刺穿隔膜，导致电池短路，引发危险。因此解决电池析锂问题已经成为迫在眉睫的问题。目前解决电池析锂问题一般是从电池设计出发，调节电池N/P，或者控制电池充放电深度等方面考虑，这些方法虽然从一定程度降低了电池析锂风险，但是效果并不理想。

有鉴于此，亟需提供一种降低电极极片表面的析锂风险，提高了电池的安全性，延长电池使用寿命。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种电极极片,包括集流体，包括分别对称设于所述集流体上、下表面上的活性物质层；

分别设于所述第一活性物质层上的第二活性物质层；

所述第二活性物质层边缘处的集流体形成极耳。

在上述方案中，所述第二活性物质层厚度小于所述第一活性物质层厚度。

在上述方案中，所述第一活性物质层包括人造石墨，天然石墨，MCMB、 Si或C中的一种或多种材料；和/或

所述第二活性物质层包括活性炭、软碳、硬碳、天然石墨、改性石墨中的一种或多种材料。

本发明还提供了一种上述电极极片的制造方法，包括以下步骤：

A1、制备材料A与材料B；

A2、通过涂布机将预先设定尺寸的材料A对称、间隔地涂覆在集流体上、下表面上，形成用于储存锂离子的活性物质层A；

A3、通过涂布机将材料B涂覆在所述活性物质层A上，材料B完全包覆于活性物质层A形成活性物质层B。

在上述方法中，所述步骤A2包括步骤：

A21：根据需求设定涂布机参数，涂布机按设定尺寸同时将材料A对称、间隔地涂覆在集流体上、下表面上；

A22：将所述涂覆材料A的集流体通过烘干箱进行烘干，形成具有活性物质层A的极片A。

在上述方法中，所述材料A包括人造石墨，天然石墨，MCMB或Si/C 中的一种材料或多种材料的混合物；和/或

材料B包括但不限于活性炭、软碳、硬碳、天然石墨、改性石墨中的一种材料或多种材料的混合物。

在上述方法中，步骤A3包括步骤：

A31：根据需求设定涂布机参数，涂布机将材料B涂覆在所述活性物质层A上；

A32：将步骤S31涂覆材料B的极片通过烘干箱进行烘干，形成具有活性物质层B的极片B；

还包括步骤：将极片B通过辊压机进行辊压，辊压后对空白区进行裁片，形成电极极片。

在上述方法中，所述材料B的涂覆厚度为2.5μm-5μm。

在上述方法中，所述三阶温度烘干箱包括预热段、第一加热段和第二加热段。

本发明还提供了一种电化学装置，包括由正极极片和负极极片及设于所述正、负极极片间的隔膜形成的电极组件，所述电极组件放置于设有电解液的电池壳，所述电池壳封装制成锂离子电池，所述负极极片为上述的电极极片。

本发明通过改变传统涂覆方式，将两种不同性能的材料分层涂覆在集流体上，使其表层具有较快脱嵌锂离子能力，降低极片表面析锂风险，提高了电池安全性能，延长了电池使用寿命，而且还提高了电池的功率性能。

附图说明

图1为本发明中提供的电极极片分层涂布示意图；

图2为本发明中提供的电极极片截面示意图；

图3为本发明中提供的电极极片制作方法流程图；

图4为本发明中提供的辊压后未裁剪的极片条示意图。

具体实施方式

本发明通过改变传统涂覆方式，将两种不同性能的材料分层涂覆在集流体上，使其表层具有较快脱嵌锂离子能力，降低极片表面析锂风险，提高了电池安全性能，延长了电池使用寿命，而且还提高了电池的功率性能。下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明，但是申请文件中的实施例不应理解为对本申请文件的限制。

如图1-2所示，本发明提供了一种电极极片，包括集流体，起到传递电子的作用；本实施例优选集流体可选导电性能优良的铜箔和锡箔；

分别对称设于集流体上、下表面上的第一活性物质层1，第一活性物质层1面积大小与锂电池需求相关，用于储存锂离子；

分别设于第一活性物质层1上的第二活性物质层2，具有快速的脱嵌锂离子性能，降低极片表面析锂风险，减小电池极化；

第二活性物质层2边缘处的集流体形成极耳3，边缘处为表面未涂覆第一活性物质层1及第二活性物质层2的集流体区域；

第一活性物质层1能够储存较多的锂离子，但是脱嵌锂离子较慢，第二活性物质层2储存锂离子的能力低，但是脱嵌锂离子速度快；

第一活性物质层1包括人造石墨，天然石墨，MCMB等石墨化碳材料，或Si/C等材料中的一种材料或多种材料，具有很好的导电性能；

第二活性物质层2可为活性炭、软碳、硬碳、天然石墨、改性石墨等纳米级碳材料中的一种材料或多种材料，这些材料具有快速的脱嵌锂离子性能，且料颗粒均匀，浸润性好，且保证第二活性物质层2能快速的锂离子脱嵌能力；

第二活性物质层2与第一活性物质层1大小一致；

第一活性物质层1的厚度大于第二活性物质层2的厚度；第二活性物质层2主要起辅助作用，因为电池析锂一般与极片表面材料脱嵌锂离子速度有关，所以第二活性物质层2只是涂覆在第一活性物质层1表面，降低极片表面析锂风险，减小电池极化，所以第二活性物质层2厚度的设计只需要保证能达到脱嵌锂离子的功能的同时厚度越小越好，因为电极极片的厚度直接影响锂电池的厚度，因此电极极片越薄才能使锂电池越薄，那么运用锂电池的产品的体积也将更小，例如，现在市场上的锂电池手机，所有厂商都在最求的是通过改变元件的大小，或保证锂电池续航时间的同时减小锂电池的厚度；本实施例中第二活性物质层2厚度为1.5μm-3μm，优选为2μm；

本发明还提供一种制作上述实施例极片的方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1、根据需求进行混料，制备材料A与材料B；

S2、通过涂布机预先设定尺寸将材料A对称、间隔地涂覆在集流体上、下表面上，形成活性物质层A，用于储存锂离子；

S3、通过涂布机将材料B涂覆在所述活性物质层A上，材料B完全包覆于活性物质层A形成活性物质层B，具有快速的脱嵌锂离子性能，降低极片表面析锂风险，减小电池极化的功能。

本实施例方法将两种不同性能的材料分层涂覆在集流体上，使其表层具有较快脱嵌锂离子能力，降低极片表面析锂风险，提高了电池安全性能，延长了电池使用寿命，而且还提高了电池的功率性能；

但实际上由于电极制作过程中的匀浆、涂布、烘烤及辊压都存在较大的变量，因此各组分的混合状态差异很大，这种差异性会直接影响到电极的整体性能。

上述步骤S2包括步骤：

S21：根据需求设定涂布机参数，涂布机按设定尺寸同时将材料A对称、间隔地涂覆在集流体上、下表面上；

本实施例，材料A涂覆在集流体上的面积大小根据实际应用需求进行设置，以锂电池为例，由于制作完成后的集流体需要进行裁剪形成电极极片，需将不整齐的边缘部分去掉，例如涂覆材料时由于是间隔涂覆，那么两端一般会形成凸缘，这些凸缘对极片导电、析锂都存在影响，所以材料 A涂覆面积大小要大于锂电池包装壳大小，例如锂电池包装壳大小为20cm ×20cm，那么材料A涂覆面积至少设置为20cm×21cm。

S22：将上述涂覆材料A的集流体通过烘干箱进行烘干，形成具有活性物质层A的极片A；

本实施例优选的，烘干箱为两阶或三阶温度烘干箱，两阶温度烘干箱包括预热段，加热段；三阶温度烘干箱包括预热段，第一加热段和第二加热段；

涂覆材料A的集流体分别通过烘干箱内的网带按预设速度从低温段向高温段移动，例如使用三阶温度烘干箱，涂覆材料A的集流体分别移动经过预热段，第一加热段和第二加热段；由于材料A中水的沸点较低，表面张力较大，若直接经过高温烘烤，涂层水分急剧蒸发，会导致其中携带的粘结剂更多聚集于电极的表面，或是导致涂层开裂。

由于材料A制备材料的不同，要达到更好锂离子储存能力，涂覆厚度则不相同；

本实施例，材料A包括但不限于人造石墨，天然石墨，MCMB等石墨化碳材料，或Si/C等材料中的一种材料或多种材料的混合物；材料B包括但不限于活性炭、软碳、硬碳、高功率石墨、改性石墨等纳米级碳材料中的一种材料或多种材料混合物；在具体实施例中材料A/材料B形成的材料种类不一样，则形成的电极脱嵌锂离子性能，降低极片表面析锂风险程度也是不一样的；

材料A和材料B除了含有上述材料外，还需要根据比例加入导电剂、粘结剂；具体举例说明为：

材料A各成分比重可为人造石墨:SP(导电剂):CMC(粘结剂)＝95:2:3 或MCMB:SP:CMC＝90:3:7；

材料B各成分比重可为高功率石墨:SP:PVDF(粘结剂)为92:3:5或硬碳:SP:PVDF为89:3:8。

本实施例中两种材料A,B在性能上有一定的区别，首先A材料具有较高的比容量，可以储存较多的锂离子，但是其在脱嵌锂离子的时候速度比较慢，这样我们在进行大电流充放电的时候，会产生极化，造成表面析锂。B材料比容量较低，首次循环效率比较差，但是其在大电流充放电的时候可以快速的脱嵌锂，减小电池极化现象，降低了表面析锂风险，因此利用了两种材料的优点，将B材料涂在表面，可以快速储存正极转移过来的锂离子，避免析锂。

另外，材料A的涂覆厚度根据电池NP比，以及材料的容量等进行设定，这个材料的NP比要在一定的范围内是合适的，在这个范围内基本对电池性能不会影响，但是NP比小于1，电池会析锂，NP比大于1.1左右，便会造成负极容量浪费，负极容量发挥降低，本实施例中，

NP＝负极活性物质克容量*负极面密度*负极活性物质百分比/正极活性物质克容量*正极面密度*正极活性物质百分；

厚度＝面密度/面积；

从此公式中我们可以看出，厚度与材料A克容量以及NP比是相关的，如下表所示。

下表1中设定正极克容量150mAh/g，活性物质含量0.95，正极面密度150，N/P比为1.06，正极材料各种参数不变。

表1、材料A的涂覆厚度与材料A克容量以及NP比关系表

材料A的涂覆厚度不一样，那么在通过烘干箱的各段加热段及移动速度也有差异，本实施例预热段温度为50℃-60℃，第一加热段温度为70℃ -105℃，第二加热段为75℃-85℃；涂覆材料A的集流体通过烘干箱的移动速度为1.2-1.8m/s，烘干箱的移动速度合理的设置保证集流体涂覆的材料A 即能保证烘干，又能避免长时间的烘烤导致涂层开裂同时节省时间。

本实施例优选的，预热段、第一加热段和第二加热段的温度分别为60 ℃,90℃,80℃；

优选的，涂覆材料A的集流体通过烘箱速度为1.5m/s，速度太快可能导致极片不能烘干。

上述步骤S3包括步骤：

S31：根据需求设定涂布机参数，涂布机将材料B包覆涂抹在所述活性物质层A上；

S32：同理，根据上述步骤S22，将步骤S31涂覆材料B的极片A通过烘干箱进行烘干，形成具有活性物质层B的极片B；

本实施例中材料B涂覆厚度为10μm-20μm,优选为15μm；

由于活性物质层B主要是可达到脱嵌锂离子的功能，为了保证烘干、辊压后的电极极片厚度最薄，只需要材料B在涂覆时3的涂覆厚度大于材料B 中活性物质最大颗粒的直径，为了避免材料涂覆或辊压时活性物质颗粒被压碎或刮坏；例如，材料B中包括活性炭、软碳两种材料，且活性炭和软碳的物质颗粒直径分别为13μm和18μm，那么材料B涂覆的厚度应大于18μm。

根据材料B制备材料的不同，涂覆厚度则不相同，烘干时移动的速度也不相同，由于材料B涂覆厚度薄于材料A的涂覆厚度，因此加热温度及加热时的移动速度需要重新调整。

本实施例预热段温度为40℃-50℃，第一加热段温度为90℃-105℃，第二加热段为60℃-75℃；涂覆材料B的极片A通过烘干箱的移动速度为 2-2.5m/s，烘干箱的移动速度合理的设置保证集流体涂覆的材料B即能烘干又能避免长时间的烘烤导致涂层开裂。

本实施例优选的，预热段、第一加热段和第二加热段的温度分别为40 ℃,95℃,60℃；

优选的，涂覆材料B的极片A通过烘箱速度为2.2m/s。

本实施例，将材料B包覆涂抹在所述活性物质层A上是为了最后将极片 B进行裁剪时，要将每个成型极片区因涂覆形成的凹凸边缘进行切除，材料 B包覆涂抹在所述活性物质层A上可以保证在裁剪后活性物质层B与活性物质层A大小一致，不影响极片的电能性质。

本实施例，还包括以下步骤：

S4、将极片B通过辊压机进行辊压，对辊压后的极片B进行裁片，形成电极极片，如图4所示，示意为辊压后未裁剪的极片B。

本实施例中，由于材料B材料的不同，及烘干后的活性物质层B厚度的不同，辊压机进行辊压的力度就会不一样，本实施例优选辊压机压力为 1-2.5Mpa，将两层材料压紧实的同时不会压碎活性物质层A及活性物质层 B，优选辊压机压力为1.6Mpa。

因锂离子电池使用时厚度越薄越好，本实施例优选活性物质层B厚度＜活性物质层A厚度；

为了便于剪裁且使剪裁后的电极极片电能性质不受影响，极片B上每个独立极片区4的大小应大于裁后的电极极片。

另外，需要说明的是，在本实施例中，因为集流体是连续的，在整个材料A和材料B涂覆的过程中，是可以使涂布机和烘干箱流水工作，这样节省时间；

下面通过具体实施案例来说明本方法，详见表4，表中预热段温度为C1，第一加热段温度为C2，第二加热段温度为C3，烘干机移动速度V1。

(1)下表为使用本实施例中的电极极片(包含人造石墨的材料A层和、包含硬碳的材料B层)和只设置活性物质层A涂层的电极极片制作成对称电池，并对其离子转移阻抗(Rion)进行测试，下表中，只分析了材料A与材料B中都只包含上述一种材料的情况。

表2、不同材料层电极极片制作成对称电池的离子阻抗结果

通过上表中测试结果，发现由材料A和材料B叠加形成的电极极片(本实施例电极极片)具有较低的离子转移阻抗，说明材料B形成的活性物质层在脱嵌锂离子的时候受到较小的阻力，所以这就会减小充放电时的电池极化，降低析锂风险。

(2)对上表中电池功率测试，如下表所示。

表3、对上表中电池功率测试

上表中，将天然石墨和硬碳材料复合使用的电极极片，且在电池充、放条件分别为3.7C和5C的测试条件下会发现其功率比单一的功率要高，内阻要小，这说明本实施例电极极片具有较小的内阻。在充放电测试条件下离子转移阻力较小，大电流充放电时可以减小电池极化，降低电池析锂风险。

(3)各影响因素对电极极片析锂影响，如下表4所示。

表4、电极极片制作各影响因素对电池析锂影响

下表为对应表4中材料A及材料B的组分质量比

表5、对应表4中材料A及材料B的组分质量比

上述表中，当人造石墨(材料A)和硬碳(材料B)为涂覆厚度分别为 60μm和20μm时，电池表现出较高的功率和较低的内阻，在常温条件下，5C 放电，3.75C充电的测试条件下，其功率比单独使用人造石墨材料制成的单独一层活性物质层时放电功率提高了24％，充电功率提高了19.7％，放电内阻降低了17.4％，充电内阻降低了20％。这是因为本实验所用硬碳具有较快的锂离子脱嵌能力，进行充放电时对锂离子阻碍作用比较小，而且其颗粒相对于人造石墨较小，涂覆在人造石墨表面可以改变极片表面平整度，减小材料界面内阻。当电池在进行充放电时，表面硬碳可以迅速进行脱嵌锂，降低电池析锂风险。

本发明还提供了一种电化学装置，包括有上述电极极片制成的锂离子电池，包括正极极片、上述电极极片制成的负极极片，由该正、负极极片和设于正、负极极片间的隔膜形成的电极组件，将电极组件放置电池壳，加入电解液后封装制成锂离子电池。正极极片为现在常规使用的例如磷酸铁锂，三元材料制成的极片。

运用本实施例提供的电极极片的电化学装置，电极极片表层具有较快脱嵌锂离子能力，极片表面析锂风险低，电池安全性能更高，延长了电池使用寿命，而且提高了电池的功率性能。

本实施例中，上述电化学装置的应用未进行限定，只要可用本电化学装置的电子产品，例如储能电池、便携式电子产品、电动车辆等等都将落入本发明的保护范围。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电极极片,包括集流体，其特征在于，包括分别对称设于所述集流体上、下表面上的活性物质层；

分别设于所述第一活性物质层上的第二活性物质层；

所述第二活性物质层边缘处的集流体形成极耳。

2.如权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述第二活性物质层厚度小于所述第一活性物质层厚度。

3.如权利要求1或2所述的电极极片，其特征在于，所述第一活性物质层包括人造石墨，天然石墨，MCMB、Si或C中的一种或多种材料；和/或

所述第二活性物质层包括活性炭、软碳、硬碳、天然石墨、改性石墨中的一种或多种材料。

4.一种权利要求1-3中任意一项电极极片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1、制备材料A与材料B；

A2、通过涂布机将预先设定尺寸的材料A对称、间隔地涂覆在集流体上、下表面上，形成用于储存锂离子的活性物质层A；

A3、通过涂布机将材料B涂覆在所述活性物质层A上，材料B完全包覆于活性物质层A形成活性物质层B。

5.如权利要求1所述的电极极片制造方法，其特征在于，所述步骤A2包括步骤：

A21：根据需求设定涂布机参数，涂布机按设定尺寸同时将材料A对称、间隔地涂覆在集流体上、下表面上；

A22：将所述涂覆材料A的集流体通过烘干箱进行烘干，形成具有活性物质层A的极片A。

6.如权利要求1所述的电极极片制造方法，其特征在于，所述材料A包括人造石墨，天然石墨，MCMB或Si/C中的一种材料或多种材料的混合物；和/或

材料B包括但不限于活性炭、软碳、硬碳、天然石墨、改性石墨中的一种材料或多种材料的混合物。

7.如权利要求4所述的电极极片制造方法，其特征在于，步骤A3包括步骤：

A31：根据需求设定涂布机参数，涂布机将材料B涂覆在所述活性物质层A上；

A32：将步骤S31涂覆材料B的极片通过烘干箱进行烘干，形成具有活性物质层B的极片B；

还包括步骤：将极片B通过辊压机进行辊压，辊压后对空白区进行裁片，形成电极极片。

8.如权利要求7所述的电极极片制造方法，其特征在于，所述材料B的涂覆厚度为2.5μm-5μm。

9.如权利要求5或7所述的电极极片制造方法，其特征在于，所述三阶温度烘干箱包括预热段、第一加热段和第二加热段。

10.一种电化学装置，包括由正极极片和负极极片及设于所述正、负极极片间的隔膜形成的电极组件，所述电极组件放置于设有电解液的电池壳，所述电池壳封装制成锂离子电池，其特征在于，所述负极极片为权利要求1-3中任意一项的电极极片。