CN110635106A - 极片、锂离子电池及极片的制作方法 - Google Patents

极片、锂离子电池及极片的制作方法 Download PDF

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吉纯
钟宽
王文华
李影
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Gree Electric Appliances Inc of Zhuhai
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Abstract

本公开涉及一种极片、锂离子电池及极片的制作方法。极片包括：集流体层，边缘具有空箔区；活性物质层，设于集流体层的表面，且与空箔区无交叠；改性层，设于集流体层的、设有活性物质层的表面，且位于活性物质层与空箔区之间。

Description

极片、锂离子电池及极片的制作方法
技术领域
本公开涉及电池技术领域，特别涉及一种极片、锂离子电池及极片的制作方法。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池，即充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作。
锂离子电池作为清洁动力和清洁电力的来源，契合了我国绿色可持续发展的宗旨，在新能源行业的地位与应用普遍性日益突出。目前，锂离子电池已被广泛应用于移动终端、电动工具、电动汽车等各类电子产品中。
如何改善锂离子电池的使用寿命和使用安全性，是本领域技术人员研发的关键课题。
发明内容
本公开实施例提供一种极片、锂离子电池及极片的制作方法，以改善锂离子电池的使用寿命和使用安全性。
根据本公开实施例的一个方面，提供了一种极片，包括：
集流体层，边缘具有空箔区；
活性物质层，设于所述集流体层的表面，且与所述空箔区无交叠；
改性层，设于所述集流体层的、设有所述活性物质层的表面，且位于所述活性物质层与所述空箔区之间。
在一些实施例中，所述改性层为应力缓冲层，所述应力缓冲层与所述活性物质层接触。
在一些实施例中，所述极片为负极片，所述改性层为负极改性层，所述负极改性层的材料包括钛酸锂。
在一些实施例中，所述极片为负极片，所述改性层为负极改性层，所述负极改性层的材料包括均匀混合的钛酸锂与石墨，或者，所述负极改性层的材料包括被钛酸锂包覆层包覆的石墨颗粒。
在一些实施例中，所述极片为负极片，所述改性层为负极改性层；所述负极改性层的材料包括均匀混合的钛酸锂与石墨，其中，钛酸锂与石墨的质量配合比大于等于1/6且小于等于4/9；或者，所述负极改性层的材料包括被钛酸锂包覆层包覆的石墨颗粒，其中，石墨的粒径D50大于等于5μm且小于等于25μm；钛酸锂包覆层的厚度大于等于50纳米且小于等于100纳米。
在一些实施例中，所述负极改性层的厚度大于等于0.2微米且小于等于71微米。
在一些实施例中，所述极片为正极片，所述改性层为正极改性层，所述正极改性层的材料为绝缘粘性材料。
在一些实施例中，所述正极改性层的材料包括聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、或纳米金属氧化物与树脂的混合材料。
在一些实施例中，所述正极改性层的厚度大于等于0.2微米且小于等于80微米。
在一些实施例中，所述改性层的宽度大于等于5毫米且小于等于20毫米；和/或，所述改性层与所述活性物质层的交叠宽度小于等于4毫米。
在一些实施例中，所述活性物质层设于所述集流体层的两侧表面，所述改性层设于所述集流体层的两侧表面。
根据本公开实施例的另一个方面，提供了一种锂离子电池，包括根据前述任一技术方案所述的极片，以及与所述极片的空箔区连接的极耳。
根据本公开实施例的又一个方面，提供了一种极片的制作方法，包括：
在集流体层的表面形成活性物质层，所述活性物质层与集流体层的空箔区无交叠；
在集流体层的、设有活性物质层的表面形成改性层，所述改性层位于活性物质层与空箔区之间。
在一些实施例中，所述极片为负极片，所述改性层为负极改性层，所述负极改性层的材料包括钛酸锂；
形成所述负极改性层，包括：
在集流体层的表面、且在活性物质层与空箔区之间涂覆负极改性材料；
对负极改性材料进行烘烤；
对负极改性材料进行辊压。
在一些实施例中，所述极片为正极片，所述改性层为正极改性层，所述正极改性层的材料为绝缘粘性材料；
形成所述正极改性层，包括：
在集流体层的表面、且在活性物质层与空箔区之间涂覆正极改性材料；
对正极改性材料进行烘烤；
对正极改性材料进行辊压。
在一些实施例中，所述正极改性材料的浆料浓度大于等于1％且小于等于20％，或者大于等于3％且小于等于15％；
所述正极改性材料的浆料粘度大于等于1000毫帕/秒且小于等于5000毫帕/秒。
采用本公开前述实施例技术方案，可以提高极耳与极片连接的可靠性，延长锂离子电池的使用寿命，减少安全隐患。
通过以下参照附图对本公开的实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1a为本公开一实施例的极片与极耳连接后的截面示意图；
图1b为本公开另一实施例的极片与极耳连接后的截面示意图；
图2a为本公开一实施例的负极片与负极耳连接后的截面示意图；
图2b为本公开一实施例的正极片与正极耳连接后的截面示意图；
图3a为本公开一实施例的极片与极耳连接后的俯视图；
图3b为本公开另一实施例的极片与极耳连接后的俯视图；
图4a为本公开一实施例锂离子电池的内部结构***图；
图4b为本公开另一实施例锂离子电池的内部结构截面示意图；
图5为本公开一实施例极片的制作方法流程图。
应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种实施例。对实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置应被解释为仅仅是示意性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定元件位于第一元件和第二元件之间时，在该特定元件与第一元件或第二元件之间可以存在居间元件，也可以不存在居间元件。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
锂离子电池的内部结构主要包括正极片、与正极片连接的正极耳、负极片、与负极片连接的负极耳、隔膜以及电解液。其中，正极片与正极耳构成锂离子电池的正极，负极片与负极耳构成锂离子电池的负极。正极片和负极片浸润在电解液中并通过隔膜间隔。隔膜的作用是允许锂离子自由通过，而不允许电子通过，从而防止正、负极之间通过电解液发生短路。锂离子以电解液为介质在正、负极之间运动，从而可以实现锂离子电池的充、放电。锂离子电池充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱出，经过电解液后***到负极材料的晶格中，使得负极富锂，正极贫锂；放电时锂离子从负极材料的晶格中脱出，经过电解液后***到正极材料的晶格中，使得正极富锂，负极贫锂。
本申请的发明人在实现本申请的过程中发现，相关技术的锂离子电池，其极耳处易出现发热、膨胀、掉料以及析锂等现象，从而影响到锂离子电池的使用寿命，还带来安全隐患。
为解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种极片、锂离子电池及极片的制作方法。
如图1a所示，本公开一实施例提供了一种极片100，包括：
集流体层1，边缘具有空箔区10；
活性物质层2，设于集流体层1的表面，且与空箔区10无交叠；
改性层3，设于集流体层1的、设有活性物质层2的表面，且位于活性物质层2与空箔区10之间。
其中，空箔区10用于与极耳4连接。活性物质层2与空箔区10无交叠可以理解为，在垂直于集流体层1表面的方向上，活性物质层2与空箔区10无面积重叠。
本公开实施例的极片100，改性层3与活性物质层2设于集流体层1的同侧表面，且改性层3位于活性物质层2与空箔区10之间，改性层3可以改善极片100靠近空箔区10部分的化学和/或物理特性，从而提高极耳4与极片100连接的可靠性，延长锂离子电池的使用寿命，减少安全隐患。
在本公开的一个实施例中，改性层3可以为应力缓冲层，应力缓冲层与活性物质层2接触。应力缓冲层可以释放极片在极耳焊接处的应力，减少膨胀、掉料发生。
如图2a所示，在本公开的一些实施例中，极片为负极片100b。负极片100b的集流体层1b采用铜箔。负极片100b的活性物质层2b采用石墨。在一些实施例中，石墨的粒径D50(指颗粒累积分布为50％的粒径)与粉体OI值(表征石墨的晶向指数)满足：3.14≤100/(D50+2.8×OI)≤8.45，5μm≤D50≤25μm。在负极片100b的结构中，改性层为图中的负极改性层3b，其材料包括钛酸锂。与负极片100b连接的负极耳4b采用镍材料。
相关技术中的锂离子电池，其负极耳与负极片的空箔区焊接。由于石墨与铜箔的结合力相对较小，负极耳与负极片的焊接应力极易导致附近的石墨料脱落，这种现象称为掉料。此外，焊接应力还会导致负极耳与负极片在焊接处膨胀分离，从而影响到连接可靠性。
锂离子电池处于正常工作状态时，锂离子从正极片脱出，经过电解液、隔膜后嵌入负极片。如果锂离子嵌入负极片的过程受阻，则会在负极片表面以金属锂的形式沉积，这种现象称为析锂。相关技术的锂离子电池，由于焊接应力的存在，负极耳与负极片膨胀变形后对嵌锂造成很大影响，从而产生析锂现象。析锂的过程不可逆，析锂后会造成低电压、低容量、低寿命和电池膨胀等，而锂金属为极活泼的化学元素，因此，极易燃烧起火。
因此，相关技术锂离子电池的使用寿命不理想，还存在一定的安全隐患。
本公开实施例的负极片100b，在集流体层1b的表面且在活性物质层2b与空箔区10b之间设置了负极改性层3b，其材料包括钛酸锂。
钛酸锂被称为零应变材料，其在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化小于1％。在充放电循环中，这种“零应变”特性能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致的结构破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少循环带来的比容量衰减，具有非常好的耐过充、过放特征。钛酸锂具有较高的锂离子扩散系数，可进行高倍率充放电。此外，钛酸锂不易产生锂晶枝，从而减小析锂发生，为保障锂离子电池的安全提供了基础。
本公开实施例的负极片100b，其负极改性层3b作为石墨层(即活性物质层2b)与空箔区10b之间的“缓冲带”，在锂离子脱嵌过程中体积几乎不膨胀，并能有效释放焊接应力，因此，可以减少相关技术中因焊接应力导致的掉料、膨胀和析锂现象，提高石墨层与集流体层1b的粘结性，延长了锂离子电池的使用寿命并减少了安全隐患。
在本公开的一些实施例中，负极改性层3b的材料包括均匀混合的钛酸锂与石墨。此外，负极改性层3b的材料还可以包括一些辅料，辅料例如为溶剂、分散剂、导电剂和粘结剂等。其中，钛酸锂与石墨的质量配合比大于等于1/6且小于等于4/9。
在本公开的另一些实施例中，负极改性层3b的材料包括被钛酸锂包覆层包覆的石墨颗粒。此外，负极改性层3b的材料还可以包括一些辅料，辅料例如为溶剂、分散剂、导电剂和粘结剂等。其中，石墨的粒径D50大于等于5μm，小于等于25μm，钛酸锂包覆层的厚度大于等于50纳米且小于等于100纳米。
在本公开的又一些实施例中，负极改性层3b的材料也可以只包括钛酸锂以及一些辅料，辅料例如为溶剂、分散剂、导电剂和粘结剂等。
如前所述，基于钛酸锂的前述优势，采用上述实施例的负极片100b，可以有效延长锂离子电池的使用寿命，减少了安全隐患。
在本公开实施例中，负极改性层3b的厚度大于等于0.2微米且小于等于71微米，以不超过活性物质层2b的厚度为宜，可以采用先涂覆，再烘烤，然后再辊压的工艺形成。其中，涂覆与烘烤的工艺也可以在涂覆烘烤一体机中同步进行。
如图2b所示，在本公开的一些实施例中，极片为正极片100a。正极片100a的集流体层1a一般采用铝箔。正极片100a的活性物质层2a的具体材料不限，例如可以采用磷酸铁锂、镍酸锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴铝三元、镍钴锰三元等等。在本公开的一些具体实施例中，正极片100a的活性物质层2a的材料包括LiNixCoyMn1-x-yO2及其改性化合物、LiNixCoyAl1-x-yO2及其改性化合物中的至少一种，其中，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1。在正极片100a的结构中，改性层为正极改性层3a，正极改性层3a的材料为绝缘粘性材料。例如，正极改性层3a的材料包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸酯(PAA)，或者，纳米金属氧化物与树脂的混合材料，等等。
锂离子电池在设计时，为防止负极析锂短路，通常将负极的容量设计地大于正极容量，例如，在一个实施例中，负极片100b的活性物质层2b的边缘超出正极片100a的活性物质层2a的边缘大于等于2毫米且小于等于4毫米。
相关技术中的锂离子电池，正极片的空箔区与负极片的活性物质层正对，导致该区域发热量很大，大倍率产热容易引起锂离子电池鼓胀，从而带来一定安全隐患。
本公开实施例的正极片100a，在集流体层1a的表面、且在活性物质层2a与空箔区10a之间设置了绝缘且具有粘性的正极改性层3a。正极改性层3a与集流体层1a可靠粘接，可以将正极片100a的空箔区10a与负极片100b的活性物质层3b间隔，从而有效减少该区域的发热现象。此外，正极改性层3a可以作为活性物质层2a与空箔区10a之间的“缓冲带”，还可以有效减少焊接应力及加工外力对活性物质层2a的影响，从而延长了锂离子电池的使用寿命。
在本公开实施例中，正极改性层3a的厚度大于等于0.2微米且小于等于80微米，以不超过活性物质层2a的厚度为宜，可以采用先涂覆，再烘烤，然后再辊压的工艺形成。涂覆与烘烤的工艺也可以在涂覆烘烤一体机中同步进行。其中，所涂覆的正极改性材料的浆料浓度大于等于1％且小于等于20％，优选大于等于3％且小于等于15％；浆料粘度大于等于1000毫帕/秒且小于等于5000毫帕/秒。
在本公开上述实施例的极片(正极片100a以及负极片100b)中，活性物质层2设于集流体层1的两侧表面，改性层3设于集流体层1的两侧表面。如图1b所示，在本公开的另一些实施例中，活性物质层2也可以只设于集流体层1的一侧表面，改性层3设于集流体层1设有活性物质层2的一侧表面。
在本公开实施例中，上述正极改性层3a和负极改性层3b的宽度可以设计为大于等于5毫米且小于等于20毫米。为便于工艺制作，使改性层3与活性物质层2可靠接触，改性层3与活性物质层2可以有一定交叠(即在垂直于集流体层1表面的方向上，改性层3与活性物质层2包括面积相重叠的部分)，例如，交叠宽度小于等于4毫米。
本公开实施例还提供了一种锂离子电池，包括前述任一实施例的极片，以及与极片的空箔区连接的极耳。
在一些实施例中，锂离子电池包括了前述实施例的正极片100a，与正极片100a连接的正极耳4a，负极片100b，以及与负极片100b连接的负极耳4b。正极耳4a与正极片100a之间，以及负极耳4b与负极片100b之间，可以采用焊接方式连接，也可以通过导电胶连接。如3a所示，在极片100的其中一个边侧或者相对的两个边侧，极耳4可以为呈条状连续的全极耳。如图3b所示，在极片100的其中一个边侧或者相对的两个边侧，极耳4也可以为多个并间隔排列。
锂离子电池可以为叠片式或者卷绕式。其中，如图4a所示，叠片式锂离子电池的多个正极片100a和多个负极片100b交替堆叠并通过隔膜5间隔。如图4b所示，卷绕式锂离子电池的正极片100a和负极片100b层层包裹卷绕并通过隔膜5间隔。
如图5所示，本公开实施例还提供了一种极片的制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：在集流体层的表面形成活性物质层，活性物质层与集流体层的空箔区无交叠；
步骤S2：在集流体层的、设有活性物质层的表面形成改性层，改性层位于活性物质层与空箔区之间。
改性层可以改善极片靠近空箔区部分的化学和/或物理特性，从而提高极耳与极片连接的可靠性，延长锂离子电池的使用寿命，减少安全隐患。
在一些实施例中，所制作的极片为负极片，改性层为负极改性层，负极改性层的材料包括钛酸锂；上述步骤S2，包括：
在集流体层的表面、且在活性物质层与空箔区之间涂覆负极改性材料；
对负极改性材料进行烘烤，以增加其与集流体层的黏附结合性；
对负极改性材料进行辊压，以增加其致密性。
其中，涂覆与烘烤的工艺也可以在涂覆烘烤一体机中同步进行。
集流体层、活性物质层和负极改性层的材料和尺寸参数选择参考前述描述，这里不再重复赘述。在一些实施例中，负极改性层的厚度大于等于0.2微米且小于等于71微米，为经过辊压工序后的厚度。
锂离子电池采用上述实施例方法制作的负极片，可以有效减少因焊接应力导致的掉料、膨胀和析锂现象，从而延长了锂离子电池的使用寿命，减少了安全隐患。
在一些实施例中，所制作的极片为正极片，改性层为正极改性层，正极改性层的材料为绝缘粘性材料；上述步骤S2，包括：
在集流体层的表面、活性物质层与空箔区之间涂覆正极改性材料；
对正极改性材料进行烘烤，以增加其与集流体层的黏附结合性；
对正极改性材料进行辊压，以增加其致密性。
其中，涂覆与烘烤的工艺也可以在涂覆烘烤一体机中同步进行。
其中，正极改性材料的浆料浓度大于等于1％且小于等于20％，或者大于等于3％且小于等于15％；正极改性材料的浆料粘度大于等于1000毫帕/秒且小于等于5000毫帕/秒。
集流体层、活性物质层和正极改性层的材料和尺寸参数参考前述描述，这里不再重复赘述。
锂离子电池采用上述实施例方法制作的正极片，可以有效减少极耳处发热。此外，在正极片加工及锂离子电池的使用过程中，还可以有效减少焊接应力及加工外力对活性物质层的影响，从而延长了锂离子电池的使用寿命。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (16)

1.一种极片，包括：
集流体层，边缘具有空箔区；
活性物质层，设于所述集流体层的表面，且与所述空箔区无交叠；
改性层，设于所述集流体层的、设有所述活性物质层的表面，且位于所述活性物质层与所述空箔区之间。
2.根据权利要求1所述的极片，其中：所述改性层为应力缓冲层，所述应力缓冲层与所述活性物质层接触。
3.根据权利要求1所述的极片，其中：所述极片为负极片，所述改性层为负极改性层，所述负极改性层的材料包括钛酸锂。
4.根据权利要求1所述的极片，其中：所述极片为负极片，所述改性层为负极改性层，所述负极改性层的材料包括均匀混合的钛酸锂与石墨，或者，所述负极改性层的材料包括被钛酸锂包覆层包覆的石墨颗粒。
5.根据权利要求1所述的极片，其中：所述极片为负极片，所述改性层为负极改性层；
所述负极改性层的材料包括均匀混合的钛酸锂与石墨，其中，钛酸锂与石墨的质量配合比大于等于1/6且小于等于4/9；或者
所述负极改性层的材料包括被钛酸锂包覆层包覆的石墨颗粒，其中，石墨的粒径D50大于等于5μm，小于等于25μm；钛酸锂包覆层的厚度大于等于50纳米且小于等于100纳米。
6.根据权利要求3至5任一项所述的极片，其中：所述负极改性层的厚度大于等于0.2微米且小于等于71微米。
7.根据权利要求1所述的极片，其中：所述极片为正极片，所述改性层为正极改性层，所述正极改性层的材料为绝缘粘性材料。
8.根据权利要求7所述的极片，其中：所述正极改性层的材料包括聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、或者，纳米金属氧化物与树脂的混合材料。
9.根据权利要求7或8所述的极片，其中：所述正极改性层的厚度大于等于0.2微米且小于等于80微米。
10.根据权利要求1所述的极片，其中：所述改性层的宽度大于等于5毫米且小于等于20毫米；和/或，所述改性层与所述活性物质层的交叠宽度小于等于4毫米。
11.根据权利要求1所述的极片，其中：所述活性物质层设于所述集流体层的两侧表面，所述改性层设于所述集流体层的两侧表面。
12.一种锂离子电池，包括根据权利要求1至11任一项所述的极片，以及与所述极片的空箔区连接的极耳。
13.一种极片的制作方法，包括：
在集流体层的表面形成活性物质层，所述活性物质层与集流体层的空箔区无交叠；
在集流体层的、设有活性物质层的表面形成改性层，所述改性层位于活性物质层与空箔区之间。
14.根据权利要求13所述的制作方法，其中：所述极片为负极片，所述改性层为负极改性层，所述负极改性层的材料包括钛酸锂；
形成所述负极改性层，包括：
在集流体层的表面、且在活性物质层与空箔区之间涂覆负极改性材料；
对负极改性材料进行烘烤；
对负极改性材料进行辊压。
15.根据权利要求13所述的制作方法，其中：所述极片为正极片，所述改性层为正极改性层，所述正极改性层的材料为绝缘粘性材料；
形成所述正极改性层，包括：
在集流体层的表面、且在活性物质层与空箔区之间涂覆正极改性材料；
对正极改性材料进行烘烤；
对正极改性材料进行辊压。
16.根据权利要求15所述的制作方法，其中：
所述正极改性材料的浆料浓度大于等于1％且小于等于20％，或者大于等于3％且小于等于15％；
所述正极改性材料的浆料粘度大于等于1000毫帕/秒且小于等于5000毫帕/秒。
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