CN115241410A - 一种不含导电剂的正极极片、锂电池及其制备方法 - Google Patents

一种不含导电剂的正极极片、锂电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不含导电剂的正极极片、锂电池及其制备方法，所述正极极片包括导电正极材料和粘结剂，所述正极极片由以下按重量百分比计的组分组成：导电正极材料98％～99％；粘结剂1％～2％；所述导电正极材料包括液态水性的聚合物导电浆料和正极材料；其中所述液态水性的聚合物导电浆料和正极材料的质量比为：液态水性的聚合物导电浆料：正极材料＝1:1～1:0.3；所述液态水性的聚合物导电浆料由以下按重量百分比计的组分组成：去离子水95％～99％；聚3，4乙烯二氧噻吩‑聚苯乙烯磺酸1％～5％，本发明简化正极极片制备工艺，提升锂电池的能量密度，可有效提高锂电池的首次充放电效率，减少不可逆容量损失。

Description

一种不含导电剂的正极极片、锂电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及正极极片制造技术领域，特别涉及一种不含导电剂的正极极片、锂电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池包括正极、负极、隔膜和电解液四种关键材料，还有外壳等其他辅材。
正极材料有钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂等，而制备锂离子电池时，首先需要把正极材料与导电剂、溶剂、粘接剂、添加剂等一起混合制成极片，然后再与负极、隔膜、电解液及外壳等其他辅材组装成电池。
锂离子电池的容量由正极材料，特别是正极材料的活性物质含量决定，活性物质的含量越高，锂离子电池的容量也越高，其体积能量密度也越高。
为提升锂离子电池正极材料的导电性，一般添加乙炔黑、导电石墨、导电碳纳米管、石墨烯等。随着科学技术的发展，对锂离子电池快充快放的要求起来越多，为满足快充快放的要求，需要大幅提升锂离子电池正负极材料的导电性和锂离子的迁移速度。
常规的正极极片中，一般活性物质含量为92～96.2％，导电剂为2～4％，粘接剂1.8～4％。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种不含导电剂的正极极片、锂电池及其制备方法，简化正极极片制备工艺，提高生产效率，提高了正极极片中活性物质含量，提升锂电池的能量密度，可有效提高锂电池的首次充放电效率，减少不可逆容量损失。
为实现上述目的，本发明提供了一种不含导电剂的正极极片，所述正极极片包括导电正极材料和粘结剂，
所述正极极片由以下按重量百分比计的组分组成：
导电正极材料 98％～99％；
粘结剂 1％～2％；
所述导电正极材料包括液态水性的聚合物导电浆料和正极材料；其中所述液态水性的聚合物导电浆料和正极材料的质量比为：液态水性的聚合物导电浆料：正极材料＝1:1～1:0.3；
所述液态水性的聚合物导电浆料由以下按重量百分比计的组分组成：
去离子水 95％～99％；
聚3，4乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸 1％～5％。
作为优选的，所述正极材料为钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂和磷酸铁锂中的任意一种。
本发明还提供了一种不含导电剂的正极极片制备方法，所述正极极片制备方法还包括液态水性的聚合物导电浆料和导电正极材料制备方法，
所述液态水性的聚合物导电浆料制备方法，包括以下步骤：
步骤S11，按质量比例去离子水：聚3，4乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸＝95％～99％：1％～5％称取所需材料，通过搅拌机混料得到液态水性的聚合物导电浆料；
所述导电正极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤S21，按质量比例液态水性的聚合物导电浆料：正极材料＝1:1～1:0.3称取所需材料，在25℃的条件下，投入混料机中，在氮气保护下进行混合，混合时间3.5-4.5小时；
步骤S22，在混料机中，加入粘接剂，在氮气保护下进行混合，混合时间4-8小时；
步骤S23，混合均匀后，将混合溶液进行干燥，干燥后得到黑色粉末，即导电正极材料；
所述正极极片制备方法，包括以下步骤：
步骤S31，按质量比例导电正极材料：粘结剂＝98％～99％：1％～2％；称取所需材料，投入混料机中，并加入N-甲基吡咯烷酮或水作为溶剂，在25℃的条件下，真空快速搅拌，混合1-4小时；
步骤S32，加入N-甲基吡咯烷酮或水，调节浆料粘度，在25℃的条件下，真空慢速搅拌，混合0.5-2小时；
步骤S33，置换空气，抽真空，消除气泡；
步骤S34，将浆料转入涂布机，在铝集流体上涂布烘干，制得不含导电剂的正极极片。
作为优选的，所述液态水性的聚合物导电浆料的PH值为1.5-3.0，密度为1.0g/cm3。
作为优选的，在步骤S23中所述干燥方法包括减压蒸馏、微波干燥和喷雾干燥。
本发明还提供了一种不含导电剂的锂电池，包括上述所述的一种不含导电剂的正极极片。
本发明还提供了一种不含导电剂的锂电池及其制备方法，包括上述所述的一种不含导电剂的正极极片，将制备好的不含导电剂的正极极片、负极极片-焊极耳-卷绕-装配-烘烤-注液-高温老化-化成-二封-成型-分容工序制成锂电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过3，4乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸对正极材料进行改性制备出不含导电剂的正极极片，简化正极极片制备工艺，提高生产效率；并且可以不添加导电剂，粘接剂的用量也相应减少，从而提高了正极极片中活性物质含量，制成的锂电池体积能量密度可以提升3％-10％，所述锂电池可以有效提高电池的首次充放电效率，减少不可逆容量损失，还可以提高锂电池大电流充放电性能及低温充放电性能，拓宽锂电池工作温度范围，降低大电流充放电时的阻抗及锂电池表面温度。
具体实施方式
下面对本发明本实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的本实施方式是本发明的一种实施方式，而不是全部的本实施方式。基于本发明中的本实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他本实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一
实施例一提供一种不含导电剂的磷酸铁锂正极极片和磷酸铁锂锂电池。
所述液态水性的聚合物导电浆料制备方法，包括以下步骤：
步骤S11，按质量比例去离子水：聚3，4乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸＝98.5％：1.5％称取所需材料，通过搅拌机混料得到液态水性的聚合物导电浆料；所述液态水性的聚合物导电浆料的PH值为1.5，密度为1.0g/cm3。
所述导电磷酸铁锂正极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤S21，按质量比例液态水性的聚合物导电浆料：磷酸铁锂材料＝1:1称取所需材料，在25℃的条件下，投入混料机中，在氮气保护下进行混合，混合时间4小时；
步骤S22，在混料机中，加入粘接剂，在氮气保护下进行混合，混合时间8小时；
步骤S23，混合均匀后，将混合溶液进行干燥，具体的，采用减压蒸馏的方式进行干燥，干燥后得到黑色粉末，即导电磷酸铁锂正极材料。
所述磷酸铁锂正极极片制备方法，包括以下步骤：
步骤S31，按质量比例导电磷酸铁锂正极材料：聚偏氟乙烯(PVDF)＝98％：2％；称取所需材料，投入混料机中，并加入N-甲基吡咯烷酮或水作为溶剂，在25℃的条件下，真空快速搅拌，混合3小时；
步骤S32，加入N-甲基吡咯烷酮或水，调节浆料粘度，在25℃的条件下，真空慢速搅拌，混合2小时；
步骤S33，置换空气，抽真空，消除气泡；
步骤S34，将浆料转入涂布机，在铝集流体上涂布烘干，制得不含导电剂的磷酸铁锂正极极片。
将制备好的不含导电剂的磷酸铁锂正极极片、负极极片-焊极耳-卷绕-装配-烘烤-注液-高温老化-化成-二封-成型-分容工序制成磷酸铁锂锂电池。
实施例二
实施例二提供一种不含导电剂的镍钴锰酸锂正极极片和镍钴锰酸锂锂电池。
所述液态水性的聚合物导电浆料制备方法，包括以下步骤：
步骤S11，按质量比例去离子水：聚3，4乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸＝95％：5％称取所需材料，通过搅拌机混料得到液态水性的聚合物导电浆料；所述液态水性的聚合物导电浆料的PH值为3.0，密度为1.0g/cm3。
所述导电镍钴锰酸锂正极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤S21，按质量比例液态水性的聚合物导电浆料：镍钴锰酸锂材料＝1:0.5称取所需材料，在25℃的条件下，投入混料机中，在氮气保护下进行混合，混合时间3.5小时；
步骤S22，在混料机中，加入粘接剂，在氮气保护下进行混合，混合时间6小时；
步骤S23，混合均匀后，将混合溶液进行干燥，具体的，采用微波干燥的方式进行干燥，干燥后得到黑色粉末，即导电镍钴锰酸锂正极材料。
所述镍钴锰酸锂正极极片制备方法，包括以下步骤：
步骤S31，按质量比例导电镍钴锰酸锂正极材料：聚偏氟乙烯(PVDF)＝99％：1％；称取所需材料，投入混料机中，并加入N-甲基吡咯烷酮或水作为溶剂，在25℃的条件下，真空快速搅拌，混合2小时；
步骤S32，加入N-甲基吡咯烷酮或水，调节浆料粘度，在25℃的条件下，真空慢速搅拌，混合2小时；
步骤S33，置换空气，抽真空，消除气泡；
步骤S34，将浆料转入涂布机，在铝集流体上涂布烘干，制得不含导电剂的镍钴锰酸锂正极极片。
将制备好的不含导电剂的镍钴锰酸锂正极极片、负极极片-焊极耳-卷绕-装配-烘烤-注液-高温老化-化成-二封-成型-分容工序制成镍钴锰酸锂锂电池。
实施例三
实施例三提供一种不含导电剂的钴酸锂正极极片和钴酸锂锂电池。
所述液态水性的聚合物导电浆料制备方法，包括以下步骤：
步骤S11，按质量比例去离子水：聚3，4乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸＝97％：3％称取所需材料，通过搅拌机混料得到液态水性的聚合物导电浆料；所述液态水性的聚合物导电浆料的PH值为2.5，密度为1.0g/cm3。
所述导电钴酸锂正极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤S21，按质量比例液态水性的聚合物导电浆料：钴酸锂材料＝1:0.3称取所需材料，在25℃的条件下，投入混料机中，在氮气保护下进行混合，混合时间4.5小时；
步骤S22，在混料机中，加入粘接剂，在氮气保护下进行混合，混合时间5小时；
步骤S23，混合均匀后，将混合溶液进行干燥，具体的，采用喷雾干燥的方式进行干燥，干燥后得到黑色粉末，即导电钴酸锂正极材料。
所述钴酸锂正极极片制备方法，包括以下步骤：
步骤S31，按质量比例导电钴酸锂正极材料：聚偏氟乙烯(PVDF)＝98.5％：1.5％；称取所需材料，投入混料机中，并加入N-甲基吡咯烷酮或水作为溶剂，在25℃的条件下，真空快速搅拌，混合4小时；
步骤S32，加入N-甲基吡咯烷酮或水，调节浆料粘度，在25℃的条件下，真空慢速搅拌，混合1小时；
步骤S33，置换空气，抽真空，消除气泡；
步骤S34，将浆料转入涂布机，在铝集流体上涂布烘干，制得不含导电剂的钴酸锂正极极片。
将制备好的不含导电剂的钴酸锂正极极片、负极极片-焊极耳-卷绕-装配-烘烤-注液-高温老化-化成-二封-成型-分容工序制成钴酸锂锂电池。
实施例四
实施例四提供一种不含导电剂的锰酸锂正极极片和锰酸锂锂电池。
所述液态水性的聚合物导电浆料制备方法，包括以下步骤：
步骤S11，按质量比例去离子水：聚3，4乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸＝96％：4％称取所需材料，通过搅拌机混料得到液态水性的聚合物导电浆料；所述液态水性的聚合物导电浆料的PH值为2.8，密度为1.0g/cm3。
所述导电锰酸锂正极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤S21，按质量比例液态水性的聚合物导电浆料：锰酸锂材料＝1:0.8称取所需材料，在25℃的条件下，投入混料机中，在氮气保护下进行混合，混合时间4小时；
步骤S22，在混料机中，加入粘接剂，在氮气保护下进行混合，混合时间5.5小时；
步骤S23，混合均匀后，将混合溶液进行干燥，具体的，采用微波干燥的方式进行干燥，干燥后得到黑色粉末，即导电锰酸锂正极材料。
所述锰酸锂正极极片制备方法，包括以下步骤：
步骤S31，按质量比例导电锰酸锂正极材料：聚偏氟乙烯(PVDF)＝98％：2％；称取所需材料，投入混料机中，并加入N-甲基吡咯烷酮或水作为溶剂，在25℃的条件下，真空快速搅拌，混合3小时；
步骤S32，加入N-甲基吡咯烷酮或水，调节浆料粘度，在25℃的条件下，真空慢速搅拌，混合2小时；
步骤S33，置换空气，抽真空，消除气泡；
步骤S34，将浆料转入涂布机，在铝集流体上涂布烘干，制得不含导电剂的锰酸锂正极极片。
将制备好的不含导电剂的锰酸锂正极极片、负极极片-焊极耳-卷绕-装配-烘烤-注液-高温老化-化成-二封-成型-分容工序制成锰酸锂锂电池。
对上述制得的导电磷酸铁锂正极材料、镍钴锰酸锂正极材料、钴酸锂正极材料和锰酸锂正极材料进行导电实验，得到以下测试数据。
Figure BDA0003036509040000091
由上表可知通过3，4乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸对正极材料进行改性制备出导电正极材料，所述导电正极材料的粉体电导率大幅提升，可以不添加导电剂，简化正极极片制备工艺，提高生产效率；不添加导电剂导致粘接剂的用量也相应减少，从而提高了正极极片中活性物质含量，制成的锂电池体积能量密度可以提升3％-10％。
对上述制得的磷酸铁锂锂电池、镍钴锰酸锂锂电池和钴酸锂锂电池进行导如下测试，得到以下测试数据。
对磷酸铁锂锂电池进行测试，在25℃的条件下，0.1C恒流充电至4.00V，再恒压充电至电流小于或者等于0.02C；冷却或者搁置10分钟后，0.1C恒流放电至2.0V。
对镍钴锰酸锂锂电池进行测试，在25℃的条件下，0.1C恒流充电至4.30V，再恒压充电至电流小于或者等于0.02C；冷却或者搁置10分钟后，0.1C恒流放电至2.8V。
对钴酸锂锂电池进行测试，在25℃的条件下，0.1C恒流充电至4.45V，再恒压充电至电流小于或者等于0.02C；冷却或者搁置10分钟后，0.1C恒流放电至2.8V。
Figure BDA0003036509040000101
由上表可知，改性后锂电池的首次放电容量大于改性前锂电池的首次放电容量，改性后锂电池的首次放电效率大于改性前锂电池的首次放电效率，改性后锂电池的容量保持率大于改性前锂电池的容量保持率。
可以得出如下结论：所述改性后锂电池可以有效提高电池的首次充放电效率，减少不可逆容量损失，还可以提高锂电池大电流充放电性能及低温充放电性能，拓宽锂电池工作温度范围，降低大电流充放电时的阻抗及锂电池表面温度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种不含导电剂的正极极片，其特征在于，所述正极极片包括导电正极材料和粘结剂，
所述正极极片由以下按重量百分比计的组分组成：
导电正极材料 98％～99％；
粘结剂 1％～2％；
所述导电正极材料包括液态水性的聚合物导电浆料和正极材料；其中所述液态水性的聚合物导电浆料和正极材料的质量比为：液态水性的聚合物导电浆料：正极材料＝1:1～1:0.3；
所述液态水性的聚合物导电浆料由以下按重量百分比计的组分组成：
去离子水 95％～99％；
聚3，4乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸 1％～5％。
2.根据权利要求1所述的一种不含导电剂的正极极片，其特征在于，所述正极材料为钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂和磷酸铁锂中的任意一种。
3.一种不含导电剂的正极极片制备方法，其特征在于，所述正极极片制备方法还包括液态水性的聚合物导电浆料和导电正极材料制备方法，
所述液态水性的聚合物导电浆料制备方法，包括以下步骤：
步骤S11，按质量比例去离子水：聚3，4乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸＝95％～99％：1％～5％称取所需材料，通过搅拌机混料得到液态水性的聚合物导电浆料；
所述导电正极材料制备方法，包括以下步骤：
步骤S21，按质量比例液态水性的聚合物导电浆料：正极材料＝1:1～1:0.3称取所需材料，在25℃的条件下，投入混料机中，在氮气保护下进行混合，混合时间3.5-4.5小时；
步骤S22，在混料机中，加入粘接剂，在氮气保护下进行混合，混合时间4-8小时；
步骤S23，混合均匀后，将混合溶液进行干燥，干燥后得到黑色粉末，即导电正极材料；
所述正极极片制备方法，包括以下步骤：
步骤S31，按质量比例导电正极材料：粘结剂＝98％～99％：1％～2％；称取所需材料，投入混料机中，并加入N-甲基吡咯烷酮或水作为溶剂，在25℃的条件下，真空快速搅拌，混合1-4小时；
步骤S32，加入N-甲基吡咯烷酮或水，调节浆料粘度，在25℃的条件下，真空慢速搅拌，混合0.5-2小时；
步骤S33，置换空气，抽真空，消除气泡；
步骤S34，将浆料转入涂布机，在铝集流体上涂布烘干，制得不含导电剂的正极极片。
4.根据权利要求3所述的一种不含导电剂的正极极片制备方法，其特征在于，所述液态水性的聚合物导电浆料的PH值为1.5-3.0，密度为1.0g/cm3。
5.根据权利要求3所述的一种不含导电剂的正极极片制备方法，其特征在于，在步骤S23中所述干燥方法包括减压蒸馏、微波干燥和喷雾干燥。
6.一种不含导电剂的锂电池，其特征在于，包括权利要求1～2中的任一项所述的一种不含导电剂的正极极片。
7.一种不含导电剂的锂电池及其制备方法，其特征在于，包括权利要求1～2中的任一项所述的一种不含导电剂的正极极片，将制备好的不含导电剂的正极极片、负极极片-焊极耳-卷绕-装配-烘烤-注液-高温老化-化成-二封-成型-分容工序制成锂电池。
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