TWI771142B - 鋰離子電池電極的製備方法及製備裝置 - Google Patents

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Abstract

一種鋰離子電池電極的製備方法，包括以下步驟：製備一奈米碳管原 料；提供鋰離子電池電極活性材料及一溶劑；將所述奈米碳管原料和所述電極活性材料與所述溶劑混合，並超聲分散一段時間，使所述奈米碳管原料和電極活性材料相互混合形成一電極混合液；將電極混合液噴塗在一基板上形成一電極層，乾燥所述電極層後去除所述基板形成鋰離子電池電極。本發明進一步涉及一種鋰離子電池電極的製備裝置。

Description

鋰離子電池電極的製備方法及製備裝置
本發明涉及一種鋰離子電池電極的製備方法及製備裝置。
鋰離子電池儲能被廣泛應用於移動電子、電動運輸和電力儲能等領域。隨著高續航電動汽車，大規模工業儲能、智慧電網等高儲能設備應用需求的增大，鋰離子電池的能量密度也亟待提升。以目前商用鋰離子電池為例，活性物質與導電劑、粘結劑和集流體共同組成正負極片。但值得注意的是，在正負極片中所有的導電劑、粘結劑和集流體屬於非活性物質，無法提供容量。因此，盡可能地降低非活性物質含量可以有效地提高鋰離子電池的能量密度，例如製備高活性物質面載量的電極來降低集流體的品質占比等。
活性物質在低面載量極片中可以均勻分佈，但是，當提升電極中的活性物質面載量時，需要同時改進導電劑和粘結劑，否則活性物質無法實現在極片中均勻分佈。當面載量提升後，極片的表面出現了微裂縫。這是由於隨著電極厚度地增加，電極的不均勻程度加劇，導致局部的粘結效果不均勻，表面張力分佈不均勻所導致的。而這些微裂縫的存在則會導致電解液消耗加劇和結構穩定性的下降。
有鑑於此，確有必要提供一種鋰離子電池電極的製備方法及其製備裝置，所製備的鋰離子電池電極中的活性物質均勻分佈。
一種鋰離子電池電極的製備方法，包括以下步驟：製備一奈米碳管原料；提供鋰離子電池電極活性材料及一溶劑；將所述奈米碳管原料和所述電極活性材料與所述溶劑混合，並超聲分散一段時間，使所述奈米碳管原料和 電極活性材料相互混合形成一電極混合液；將電極混合液噴塗在一基板上形成一電極層，乾燥所述電極層後去除所述基板形成鋰離子電池電極。
一種鋰離子電池電極的製備裝置，包括一轉動裝置、一回收裝置、一基板及一噴槍，所述轉動裝置工作時繞其轉動軸轉動，所述回收裝置固定在所述轉動裝置上，所述基板固定於所述回收裝置的內部，所述噴槍設置在所述基板的上方用於向所述基板噴塗電極混合液。
本發明所提供的鋰離子電池電極的製備方法具有以下有益效果：採用噴槍直接在基板上噴塗電極混合液可以保證電極混合液的均勻性，使電極活性材料和奈米碳管沉降速率相同形成均勻的鋰離子電池電極，在同樣高的載量下可以有效地避免電極微裂縫的產生；採用噴槍的噴塗工藝使電極活性材料的損耗大大降低，有利於提高鋰離子電池的迴圈性能。所述鋰離子電池電極的製備裝置具有以下優點：採用噴槍噴塗電極混合液方式製備鋰離子電池電極可以保證電極混合液的均勻性，形成活性物質均勻分佈的鋰離子電池電極；同時，鋰離子電池電極的製備裝置實現了電極混合液的迴圈利用，可以節約電極材料，並提高製造鋰離子電池電極的效率。
100:鋰離子電池電極的製備裝置
10:噴槍
12:基板
14:支撐體
16:回收裝置
18:轉動裝置
20:鋰離子電池電極
圖1為本發明提供的鋰離子電池電極的製備裝置的結構示意圖。
圖2為本發明提供的鋰離子電池電極的製備方法流程圖。
圖3為本發明提供的實施例1的鋰離子電池正極的掃描電鏡(SEM)照片。
圖4為本發明提供的實施例1的鋰離子電池正極的掃描電鏡(SEM)照片。
圖5本發明提供的對比例1的鋰離子電池正極的掃描電鏡(SEM)照片。
圖6為本發明所提供的實施例1的鋰離子電池正極在空氣氣氛下的熱重分析(TGA)曲線圖。
圖7為本發明所提供的實施例2和對比例2的扣式電池在0.5C倍率下的性能對比圖。
圖8為本發明所提供的實施例2和對比例2的扣式電池在1C倍率下的性能對比圖。
圖9為實施例2和對比例2的扣式電池倍率性能對比圖。
圖10為實施例1的鋰離子電池正極在不同倍率下的容量-電壓曲線圖。
圖11為對比例1的鋰離子電池正極在不同倍率下的容量-電壓曲線圖。
圖12為實施例1的鋰離子電池正極迴圈前後的電化學阻抗(EIS)曲線圖。
圖13為對比例1的鋰離子電池正極迴圈前後的EIS曲線圖。
圖14為實施例3的扣式電池與對比例3的扣式電池在0.5C倍率下的性能對比圖。
以下將結合附圖及具體實施例對本發明實施例所提供的鋰離子電池電極的製備裝置100作進一步的詳細說明。
請參閱圖1，本發明提供一種鋰離子電池電極的製備裝置100。所述鋰離子電池電極的製備裝置100包括包括一轉動裝置18、一回收裝置16、一基板12及一噴槍10，所述轉動裝置18工作時繞其轉動軸轉動，所述回收裝置16固定在所述轉動裝置18上，所述基板12固定於所述回收裝置16的內部，所述噴槍10設置在所述基板12的上方用於向所述基板12噴塗電極混合液。
所述基板12用於承載電極混合液。所述基板12可以為一實體平面結構，例如，聚四氟乙烯，聚乙烯等聚合物，鋁，銅等金屬，玻璃板等。所述基板12也可以為一個網格結構，例如，不銹鋼濾網，分子篩等。本實施例中，所述基板12為一不銹鋼濾網，其濾網目數為1000目。
所述基板12固定於所述回收裝置16的內部。進一步，所述基板12可通過一支撐體14固定在所述回收裝置16的內部。所述支撐體14用於承載所述基板12。所述支撐體14設置在所述回收裝置16上。具體地，所述支撐體14包括一主體及至少三個支撐柱。所述支撐體14的主體用於承載所述基板12。進一步，可以理解，所述支撐體14的主體可以包括一凹槽結構，所述基板12 設置在凹槽中。另外，所述支撐體14的主體可以為一中空框架，所述基板12設置在中空框架上並懸空設置在所述回收裝置16的內部。所述基板12的面積小於所述回收裝置16的橫截面積。所述支撐體14的支撐柱固定在所述回收裝置16上。所述支撐體14的支撐柱可以固定在所述回收裝置16的外表面，也可以固定在所述回收裝置16的內表面，只要保證基板12設置在所述回收裝置16的內部。所述支撐體14的支撐柱固定在所述回收裝置16上的方式不限，可以通過卡扣方式固定在所述回收裝置16上，或者可以通過粘結劑固定在所述回收裝置16上。所述基板12包括一第一表面(圖未標)及與該第一表面相對的第二表面(圖未標)。所述第一表面設置在支撐體14上。優選地，所述基板12第二表面的高度低於回收裝置16的高度且所述基板12的第一表面高於回收裝置16中承載的電極混合液的高度，以便更好的回收未噴塗在所述基板12上的電極混合液。本實施例中，所述支撐體14包括一主體和三個支撐柱，所述支撐柱通過粘結劑固定在所述回收裝置16的外表面上，所述主體為一中空框架，所述濾網設置在中空框架上。
所述回收裝置16固定在所述轉動裝置18上用於承載電極混合液。所述回收裝置16由所述轉動裝置18支撐，並隨著轉動裝置18的轉動而轉動。所述回收裝置16具有一凹槽162。所述基板12和至少一部分支撐體14設置在所述凹槽162中。所述凹槽162用於承載電極混合液。所述回收裝置16的材料不限，只要能夠承載電極混合液即可。所述回收裝置16的尺寸和形狀可以根據實際需要進行選擇。本實施例中，所述回收裝置16的材料為玻璃，所述回收裝置16為一圓筒狀結構。
所述轉動裝置18用於承載並固定所述回收裝置16，使所述回收裝置16隨所述轉動裝置18的轉動而轉動，進而進一步帶動所述基板12一同轉動。所述轉動裝置18轉動時，所述噴槍10的位置不變。所述轉動裝置18形狀和材料不限，只要能夠帶動所述回收裝置16旋轉即可。本實施例中，所述轉動裝置18為一轉盤。
所述噴槍10用於向所述基板12噴塗電極混合液。所述噴槍10包括一進氣口102和一進液口104。所述進液口104連接進液管106，進液管106的末端設置在所述凹槽162內與所述電極混合液接觸，用於向噴槍10提供電極 混合液，使電極混合液可以迴圈利用。所述進氣口102連接進氣管108用於向噴槍10提供空氣。
本發明提供的所述鋰離子電池電極的製備裝置100具有以下優點：採用噴槍噴塗電極混合液方式製備鋰離子電池電極可以保證電極混合液的均勻性，形成活性物質均勻分佈的鋰離子電池電極。同時，鋰離子電池電極的製備裝置100實現了電極混合液的迴圈利用，可以節約電極材料，並提高製造鋰離子電池電極的效率。
請參閱圖2，本發明提供一種鋰離子電池電極的製備方法，其包括以下步驟：步驟S1，製備一奈米碳管原料；步驟S2，提供鋰離子電池電極活性材料及一溶劑；步驟S3，將該奈米碳管原料和所述電極活性材料與所述溶劑混合，並超聲分散一段時間，使該奈米碳管原料和電極活性材料相互混合形成一電極混合液；步驟S4，將電極混合液噴塗在一基板上形成一電極層，乾燥所述電極層後去除所述基板形成鋰離子電池電極。
在步驟S1中，所述奈米碳管原料由複數個奈米碳管組成。所述奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管。奈米碳管的直徑為1奈米~200奈米。所述奈米碳管的長度大於100微米，優選地，奈米碳管的長度大於300微米。奈米碳管的長度可以相等，也可以不相等。優選地，奈米碳管的長度相等。奈米碳管優選為表面純淨不含雜質的奈米碳管。所述奈米碳管原料的製備方法為：製備一奈米碳管陣列於一基底；將該奈米碳管陣列從該基底上刮下，獲得奈米碳管原料。當奈米碳管原料是從奈米碳管陣列直接獲得時，採用該奈米碳管原料所製備的鋰離子電池電極具有更大的強度。優選地，所述奈米碳管陣列為一超順排奈米碳管陣列，所謂超順排奈米碳管陣列是指該奈米碳管陣列中的奈米碳管長度較長，一般大於300微米，奈米碳管的表面純淨，基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等，且奈米碳管的排列方向基本一致。所述奈米碳管陣列的製備方法不限，可以為化學氣相沉積法、電弧放電製備方法或氣溶膠製備方法等。
在步驟S2中，所述鋰離子電池電極活性材料可以為鋰離子電池正極活性材料或者鋰離子電池負極活性材料。具體地，當製備鋰離子電池正極時採用鋰離子電池正極活性材料；當製備鋰離子電池負極時採用鋰離子電池負極活性材料。
所述正極活性材料可包括磷酸鐵鋰(LiFePO4)、鋰鎳鈷(LiNi0.8Co0.2O2)、、鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳酸鋰(LiNiO2)、磷酸鈷鋰(LiCoPO4)、錳酸鋰(LiMn2O4)、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)以及鋰鎳鈷錳(LiNixCoyMnzO2)(其中，x：y：z的比例可以為1：1：1，5：3：2，8：1：1或9：0.5：0.5)中的一種或幾種。
所述負極活性材料包括石墨、鈦酸鋰、一氧化矽、二氧化矽、矽及奈米合金中的一種或幾種。
所述溶劑包括乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇、丙酮及水中的一種或幾種。優選地，所述溶劑為易揮發且無毒的溶劑。本實施例中，採用乙醇作為有機溶劑。當所述溶劑為易揮發且無毒的溶劑時，可將溶劑直接蒸發無需額外的處理工藝，製備方法簡單。
在步驟S3中，所述奈米碳管原料和電極活性材料與溶劑混合的順序不限。本實施例中，將奈米碳管原料和電極活性材料加入容器中之後，再加入適量乙醇。
所述奈米碳管原料的品質與奈米碳管和電極活性材料總品質的比率為大於等於0.1wt%小於等於20wt%，優選為1%至10%，可以為3%、5%或10%。
所述超聲的功率為400瓦至1500瓦，優選為800瓦至1000瓦。超聲震盪的時間為2分鐘至30分鐘，優選為5分鐘至10分鐘。在超聲震盪之後，所述奈米碳管原料與所述電極活性材料均勻混合組成一電極混合液。
在步驟S4中、採用噴槍10將電極混合液噴塗在所述基板12上乾燥形成鋰離子電池電極20。請再次參照圖1，該步驟中，採用鋰離子電池電極的製備裝置100製備鋰離子電池電極20。
所述採用鋰離子電池電極的製備裝置100製備鋰離子電池電極20的方法包括：S41，將所述電極混合液放置在所述回收裝置16中；S42，將所述進液管106放置在所述回收裝置16中並固定噴槍的位置； S43，啟動轉動裝置18帶動所述基板12旋轉，使用噴槍10向所述基板12的表面噴塗電極混合液形成所述電極層；S44，乾燥所述電極層後去除所述基板12獲得鋰離子電池電極。
步驟S41中，將步驟S3中獲得的所述電極混合液放置在所述回收裝置16的所述凹槽162中。
步驟S42中，所述進液管106放置在所述凹槽162的電極混合液中用於向所述噴槍10提供電極混合液。固定所述噴槍10使噴嘴垂直於所述基板12，控制槍距為5cm-30cm。本實施例中，槍距為20cm。
步驟S43中，啟動轉動裝置18使轉動裝置18旋轉並帶動所述基板12旋轉，通過所述進氣管108向所述噴槍10通入空氣並啟動所述噴槍10向所述基板12的表面噴塗電極混合液。所述轉動裝置18轉動時，所述噴槍10的位置不變。所述轉動裝置18的轉速為10r/min-200r/min。本實施例中，所述轉動裝置18為一轉盤，所述轉盤的轉速50r/min。所述噴槍10的空氣使用量50L/min-250L/min。本實施例中，所述噴槍10的空氣使用量為225L/min。所述噴槍10的空氣壓力為0.2MPa-0.5MPa。本實施例中，所述噴槍10的空氣壓力為0.25MPa。所述電極混合液的噴出量為85mL/min-210mL/min。本實施例中，所述電極混合液的噴出量為170mL/min。所述噴槍10的噴幅大小為100mm-200mm。本實施例中，所述噴槍10的噴幅大小為優選175mm。
步驟S44中，等所述回收裝置16中的所述電極混合液澄清後停止噴塗，乾燥蒸發所述電極層中的溶劑，待完全乾燥後，將電極從所述基板12上揭下，獲得鋰離子電池電極。所述鋰離子電極的厚度可以根據實際需要進行製備。本實施例中，電極厚度為100微米。進一步地，可以包括一裁剪的步驟將所述鋰離子電池電極切割成鋰離子電池裝配所需的尺寸。例如，可以利用環刀或者刀片對鋰離子電池電極切割成電池裝配所需的圓片或者方形極片。(
本發明提供的鋰離子電池電極的製備方法具有以下有益效果：採用噴槍直接在基板上噴塗電極混合液可以保證電極混合液的均勻性，使電極活性材料和奈米碳管沉降速率相同形成均勻的鋰離子電池電極，在同樣高的載量下可以有效地避免電極微裂縫的產生；採用噴槍的噴塗工藝使電極活性材料的損耗大大降低，有利於提高鋰離子電池的迴圈性能；本發明所提供的鋰離子電池電極的製備方法無需添加粘結劑，因此，所製備的鋰離子電池電極由鋰離子 電池電極活性材料和奈米碳管組成，鋰離子電池電極活性材料的比重較高；由於鋰離子電池電極活性材料之間沒有絕緣物質的阻隔，鋰離子電池電極整體的導電性也會相應得到提高；且本發明所提供的鋰離子電池電極的製備方法操作簡單，成本較低。
實施例1
將0.2g超順排奈米碳管與1g磷酸鐵鋰(LFP)粉末在600mL乙醇中進行超聲分散30分鐘獲得電極混合液。將獲得的電極混合液通過噴槍噴塗在1000目的濾網中，乾燥後從濾網上揭下自支撐的鋰離子電池正極。
對比例1
將活性物質磷酸鐵鋰，導電劑super-p(導電炭黑)和粘結劑(PVDF)以品質比為8：1：1進行混合，並分散在NMP溶劑中獲得漿料。將漿料塗覆在金屬集流體(Al或Cu)上烘乾後即可得到鋰離子電池正極。
圖3和圖4為實施例1的鋰離子電池正極的SEM照片。圖5為對比例1中鋰離子電池正極的SEM照片。在圖3~圖5中，實施例1的鋰離子電池正極中磷酸鐵鋰和對比例1的鋰離子電池正極中磷酸鐵鋰具有相同的高面載量，具體地，其面載量為10mg/cm2。由圖3可見，實施例1的鋰離子電池正極表面磷酸鐵鋰分佈均勻沒有微裂縫。同時如圖4所示，從實施例1的鋰離子電池正極的正反面的SEM照片可以看出實施例1的鋰離子電池正極具有優異的均勻性。參考圖5，對比例1鋰離子電池正極的表面具有微裂縫，磷酸鐵鋰分佈不均勻。與對比例1鋰離子電池正極相比，在同樣高的載量下，實施例1的鋰離子電池正極得益于奈米碳管薄膜的優異的網路結構，可以有效地避免微裂縫的產生。同時，噴塗的方式可以保證電極混合液的均勻性，進而可以保證鋰離子電池正極中磷酸鐵鋰分佈的均勻性。
圖6為實施例1的鋰離子電池正極在空氣氣氛下的熱重分析(TGA)曲線圖。通過圖6可以確定磷酸鐵鋰在實施例1的鋰離子電池正極中的含量。如圖6所示，在600℃-700℃的空氣氣氛下，鋰離子電池正極有明顯的19.03%的失重，其對應著奈米碳管在這個溫度區間的分解。在750℃後，鋰離子電池正極的品質趨於穩定。因此磷酸鐵鋰的含量可以確定為80.97%。實施例1的鋰離子電池正極製備的品質配比在實施例中明確記載，其中磷酸鐵鋰在實施例1的鋰離 子電池正極中的理論含量為83.33%。通過採用噴塗工藝，可以看到活性物質磷酸鐵鋰的損耗大大降低。
實施例2
採用實施例1的鋰離子電池正極為正極，聚丙烯薄膜為隔膜，鋰箔為負極，並使用不銹鋼墊片，先後堆疊用CR2016電池殼進行組裝，使用在FEC：FEMC：HFE(品質百分比為2：6：2)中具有1M LiPF6作為電解質。扣式電池的組裝過程均在氬氣手套箱中進行。
對比例2
對比例2的扣式電池的結構與實施例1中的扣式電池的結構基本相同，不同點在於採用對比例1的鋰離子電池正極作為正極。
圖7為在0.5C倍率下的實施例2和對比例2的扣式電池性能對比圖。由圖7可見，實施例2的扣式電池在0.5C下的初始比容量為168.4mAh/g，在150次迴圈後仍然保持166.5mAh/g，對應著高達98.87%的容量保持率和99.9924%的平均庫倫效率。對比例2的扣式電池在0.5C下的初始比容量僅為157.4mAh/g，並且在後續幾個迴圈中迅速衰減，並在6次迴圈後幾乎釋放不出容量。由此可見，實施例2的扣式電池的性能顯著優於對比例2的扣式電池的性能。
圖8為在1C倍率下的實施例2和對比例2的扣式電池性能對比圖。如圖8所示，實施例2的扣式電池在1C下的初始比容量為160.1mAh/g，在300次迴圈後仍然保持152.7mAh/g，對應著高達95.38%的容量保持率和99.9842%的平均庫倫效率。而對比例2的扣式電池在1C下無迴圈容量。
圖9為實施例2和對比例2的扣式電池倍率性能對比圖。兩種電池分別在0.2C，0.5C，1C和2C的倍率下進行迴圈，之後切換回0.2C和0.5C的倍率來探究其電極的可逆性。如圖9所示，實施例2的扣式電池在0.2C，0.5C，1C和2C倍率下的迴圈比容量分別為170.9mAh/g,168.1mAh/g,163.3mAh/g，155.2mAh/g。當電流密度切換到0.2C和0.5C時，迴圈比容量分別為170.9mAh/g和169.2mAh/g，與之前這兩個倍率下的的迴圈比容量幾乎一致，展示了優異的電極可逆性。而對比例2的扣式電池在0.2C展示出157.7mAh/g的比容量，當電流增大到0.5C時，初始容量為138.2mAh/g，並迅速衰減。在0.5C的迴圈後期、1C和2C倍率下，無迴圈比容量。當電流重新增大到0.2C後，迴圈比容量 恢復成158.5mAh/g，但是再次增大至0.5C後，仍然沒有迴圈比容量。以上性能證明了對比例2的扣式電池只能在極低的倍率下才能正常工作，意味著其內部的電子轉移和離子傳輸情況極差，而實施例2的扣式電池可以顯著地改善這些問題。
圖10為實施例1的鋰離子電池正極在不同倍率下的容量-電壓曲線圖。圖11為對比例1的鋰離子電池正極在不同倍率下的容量-電壓曲線圖。電壓-容量曲線可以更直觀的顯示在不同倍率下的電極充放電情況，也可以解釋為何對比例1的鋰離子電池正極在高倍率下無迴圈容量。如圖10所示，對於實施例1的鋰離子電池正極，不同的倍率對於其充放電平臺影響很小，電池的極化(充電平臺電位與放電平臺電位之差)也較小，所以實施例1的鋰離子電池正極在高倍率下仍然表現出出色的迴圈性能。而對比例1的鋰離子電池正極在0.2C下的初始極化就較大，而且當倍率增大到0.5C時，電池極化進一步擴大，並且接近截止電壓，因此當隨著迴圈的進行或者倍率的增大，都會進一步增大電池極化，從而導致無迴圈容量。
圖12為實施例1的鋰離子電池正極迴圈前後的電化學阻抗(EIS)曲線圖。圖13為對比例1的鋰離子電池正極迴圈前後的EIS曲線圖。電化學阻抗(EIS)測試實驗可以用來進一步解釋實施例1的鋰離子電池正極對於電池性能的提升的原理。如圖12所示，在迴圈前，實施例1的鋰離子電池正極的電荷轉移阻抗為39.6Ω，並且在迴圈後僅為34.2Ω。電荷轉移阻抗的大小代表著活性物質表面電荷轉移的難易程度，實施例1的鋰離子電池正極的低電荷轉移阻抗是由於奈米碳管的獨特結構的網路結構。所貢獻的。因為奈米碳管網路的出色導電性給其負載的活性物質顆粒提供了全方向，多位點的完整的導電網路，同時奈米碳管薄膜中的多孔結構還可以充分浸潤電解液，使得鋰離子可以在電極中充分的傳輸，這些都使得實施例1的鋰離子電池正極即使在高面載量條件下仍然保持優異的電子、離子傳輸能力。而在迴圈後，實施例1的鋰離子電池正極仍然保持更小的電荷轉移阻抗，這說明了實施例1的鋰離子電池正極具有出色的結構穩定性。
如圖13所示，對比例1的鋰離子電池正極在迴圈前的電荷轉移阻抗高達247.9Ω，並且在迴圈後電荷轉移阻抗更是提高至893.1Ω。可以看出，高面載量條件下的對比例1的鋰離子電池正極內部的電子、離子轉移極差。這 是因為對比例1的鋰離子電池中正極活性物質顆粒只與少量的導電劑點接觸，當面載量提高時，活性物質顆粒和導電劑顆粒各自會不可避免地發生團聚。並且微裂縫的產生說明了粘結劑的粘結效果變差，這些都導致了在迴圈過程中，對比例1的鋰離子電池正極極差的電子、離子傳導情況。
實施例3
將0.2g超順排奈米碳管與1g NCA粉末在600mL乙醇中進行超聲分散30分鐘獲得電極混合液。將獲得的電極混合液通過噴槍噴塗在1000目的濾網中，乾燥後從濾網上揭下自支撐的鋰離子電池正極。採用上述鋰離子電池正極為正極，聚丙烯薄膜為隔膜，鋰箔為負極，並使用不銹鋼墊片，先後堆疊用CR2016電池殼進行組裝，使用在FEC：FEMC：HFE(品質百分比為2：6：2)中具有1M LiPF6作為電解質。扣式電池的組裝過程均在氬氣手套箱中進行。
對比例3
將活性物質NCA，導電劑super-p(導電炭黑)和粘結劑(PVDF)以品質比為8：1：1進行混合，並分散在NMP溶劑中獲得漿料。將漿料塗覆在金屬集流體(Al或Cu)上烘乾後即可得到鋰離子電池正極。對比例3的扣式電池的結構與實施例3中的扣式電池的結構基本相同，不同點在於上述鋰離子電池正極作為正極。
圖14為實施例3的扣式電池與對比例3的扣式電池在0.5C倍率下的性能對比圖。如圖14所示，實施例3的扣式電池在0.5C倍率下迴圈150次後的比容量為120.6mAh/g。對比例3的扣式電池在0.5C倍率下迴圈150次後的比容量分別為45.3mAh/g。由此可見，當活性材料為NCA時，與對比例3的扣式電池比較，實施例3的扣式電池仍具有良好的迴圈性能。
由此可見，本案製備鋰離子電池電極的方法可以採用噴塗工藝噴塗不同的鋰離子電池活性材料獲得鋰離子電池正極或負極，且形成的鋰離子電池電極具有良好的迴圈性能。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (9)

  1. 一種鋰離子電池電極的製備方法，包括以下步驟：S1，製備一奈米碳管原料；S2，提供鋰離子電池電極活性材料及一溶劑；S3，將所述奈米碳管原料和所述電極活性材料與所述溶劑混合，並超聲分散一段時間，使所述奈米碳管原料和電極活性材料相互混合形成一電極混合液；S4，啟動一轉動裝置帶動所述基板旋轉，使用一噴槍向一基板的表面噴塗所述電極混合液形成一電極層，乾燥所述電極層後去除所述基板形成鋰離子電池電極。
  2. 如請求項1所述之鋰離子電池電極的製備方法，其中，所述奈米碳管原料的製備方法為：提供一設置於基底表面的奈米碳管陣列；將該奈米碳管陣列從該基底上刮下獲得奈米碳管原料。
  3. 如請求項1所述之鋰離子電池電極的製備方法，其中，所述電極活性材料為正極活性材料或負極活性材料。
  4. 如請求項1所述之鋰離子電池電極的製備方法，其中，所述溶劑包括乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇、丙酮及水中的一種或幾種。
  5. 如請求項1所述之鋰離子電池電極的製備方法，其中，所述噴槍的噴嘴口徑為0.8mm-1.8mm，所述噴槍的噴幅大小為100mm-200mm，所述電極混合液的噴出量為85mL/min-210mL/min。
  6. 如請求項5所述之鋰離子電池電極的製備方法，其中，所述噴槍的空氣使用量50L/min-250L/min，所述噴槍的空氣壓力為0.2MPa-0.5MPa。
  7. 如請求項5所述之鋰離子電池電極的製備方法，其中，所述轉動裝置的轉速為10r/min-200r/min。
  8. 一種鋰離子電池電極的製備裝置，包括一轉動裝置、一回收裝置、一基板及一噴槍，所述轉動裝置工作時繞其轉動軸轉動，所述回收裝置固定在所述轉動裝置上，所述基板固定於所述回收裝置的內部，所述噴槍設置在所述基板的上方用於向所述基板噴塗電極混合液。
  9. 如請求項8所述之鋰離子電池電極的製備裝置，其中，所述基板為一濾網，所述濾網目數為1000目。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103886932A (zh) * 2014-03-25 2014-06-25 深圳市纳米港有限公司 碳纳米管导电浆料及其制备方法和用途
CN104904034A (zh) * 2012-10-10 2015-09-09 无限科技全球公司 印刷能量储存装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3825336B2 (ja) * 2001-03-12 2006-09-27 双葉電子工業株式会社 ナノカーボンの製造方法及びナノカーボンの製造装置
CN102740985A (zh) 2009-09-03 2012-10-17 分子纳米***公司 用于制造电池电极的方法和***以及从其获得的装置
FR3012450B1 (fr) * 2013-10-30 2017-10-13 Commissariat Energie Atomique Materiau d'electrode pour batterie organique
CN110858644B (zh) * 2018-08-24 2021-04-02 清华大学 正极及其制备方法，以及使用该正极的电池
JP2020119664A (ja) * 2019-01-21 2020-08-06 トヨタ自動車株式会社 塗工装置
US11535517B2 (en) 2019-01-24 2022-12-27 Honda Motor Co., Ltd. Method of making self-standing electrodes supported by carbon nanostructured filaments
DE102021118458A1 (de) * 2021-07-16 2023-01-19 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren und Schneidvorrichtung zum Schneiden von Elektrodenfolien

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104904034A (zh) * 2012-10-10 2015-09-09 无限科技全球公司 印刷能量储存装置
CN103886932A (zh) * 2014-03-25 2014-06-25 深圳市纳米港有限公司 碳纳米管导电浆料及其制备方法和用途

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