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CN112151736A - 一种含涂层极片的制备方法及锂离子电池 - Google Patents

一种含涂层极片的制备方法及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，公开了一种含涂层极片的制备方法及锂离子电池。在正极、负极活性物质层表面设置一层安全涂层，制备得安全涂层极片，安全涂层材料由绝缘体颗粒、锂盐、粘结剂等组成。在本发明中，在绝缘体颗粒和锂盐的协同作用下，含安全涂层极片可有效防止所有类型正负极之间短路，极大提高锂离子电池的针刺、过充、热箱等安全性，同时锂盐可提升锂离子传导能力，改善绝缘体颗粒带来的影响，保证锂离子电池电性能。

Description

一种含涂层极片的制备方法及锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种含涂层极片的制备方法及锂离子电池。
背景技术
近年来，由于便携式电子产品、电动汽车、储能电站等领域的快速发展，电化学储电装置受到高度重视，特别是锂离子电池，由于其高的能量密度而成为电化学领域的首要选择，并且其能量密度也越来越高。伴随着锂离子电池能量密度越来越高，它面临的安全问题越来越严峻，已经严重限制了高能量密度锂离子电池的终端使用。锂离子电池的安全问题主要是由于电池热失控产生的。电池内部因为异常产热反应，导致电池内部温度持续升高，继而引发更多产热副反应，导致电池起火甚至爆炸，从而严重威胁使用者的生命财产安全。
为了改善这一问题，人们采用各种策略来提高锂离子电池的安全特性。目前常采用的有常规PP、PE、无纺布、陶瓷涂层隔膜或多材料复合膜、负极单一安全涂层、正极单一安全涂层等，但均不能真正改善锂离子电池的安全性能，比如专利CN 1086666525A在负极活性材料表面涂布单一绝缘耐热材料，只能避免二次电池内部短路时瞬间大功率放电；专利CN 105742566A在正负极集流体与活性材料层之间涂布隔热材料，有效防止热量从集流体扩散至正极或负极活性物质层，但是不能真正改善强制破坏时的短路。专利CN 105098139A在正极集流体表面涂布磷酸锰锂，增加短路时正负极膜片电阻，但是对电芯电性能影响较大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种在正极膜片活性材料、负极膜片活性材料或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，以及利用该安全涂层极片制备的一种锂离子电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：安全主材M的制备；
步骤S2：安全主材M与粘结剂组成浆料涂覆在正极膜片活性材料或负极膜片活性材料或同时正负极膜片活性材料表面，得到安全涂层极片。
作为优选，步骤S1中安全涂层M的制备主要由绝缘体颗粒、难溶锂盐和粘结剂混合后，经过砂磨喷雾制粒得到。
作为优选，步骤S1中安全涂层M的制备中绝缘体颗粒选自金属氧化物、金属氟化物、氢氧化物、磷酸盐等中的一种或多种。
作为优选，步骤S1中安全涂层M的制备中难溶锂盐选自磷酸锂、氟化锂、碳酸锂的一种。
作为优选，步骤S1中安全涂层M的制备中粘结剂选自酚醛树脂、葡萄糖、可溶纤维素等残碳材料的一种。
作为优选，步骤S2中正极膜片的活性材料选自镍钴锰三元、镍钴铝三元、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂、镍锰酸锂中的一个或几个。
作为优选，步骤S2中负极膜片活性材料选自碳基负极、硅基负极、碳硅负极一个或几个。
作为优选，步骤S2中涂层面密度选自0.3-5mg/cm2。
作为优选，步骤S2中涂层面密度优选择0.3-1.6mg/cm2。
一种锂电池包括正极、负极、隔膜等构成，其中正极及负极膜片使用上述方法制备的安全涂层极片，隔膜使用锂离子电池专用隔膜。
因此，本发明具有以下有益效果：
1. 在本发明中，安全涂层主要由绝缘体颗粒构成，可有效避免电池内部短路时瞬间大功率放电，防止所有类型正负极之间短路，极大提高锂离子电池的针刺、过充、热箱等安全性。
2. 本发明的安全涂层中含有锂盐，在锂电池充电过程中可提升锂离子传导能力，改善绝缘体颗粒带来的影响，保证锂离子电池电性能。
3. 在绝缘体颗粒及锂盐的协同作用下，带安全涂层的锂离子电池既可提升安全性，电性能也可得到保障。
附图说明
图1为实施例1制备的安全涂层极片的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明做详细描述。
实施例1
1.正/负极极片制备：将正极活性材料镍钴锰三元材料、导电剂Super-P、粘结剂PVDF按质量比97:2:1均匀分散在溶剂NMP中，制成正极活性材料浆料。将浆料均匀涂布在铝箔两面，烘干后可得初步正极极片，正极极片根据镍钴锰三元特性辊压至3.3mg/cm3的压实密度，制备得到正极极片。
负极极片制备：将负极活性材料石墨、导电剂SP、粘结剂SBR、CMC按质量比96:1:2:1与去离子水混合均匀制成负极活性材料浆料。将浆料均匀涂布在铜箔两面，烘干后按1.55mg/cm3压实密度进行辊压，即得负极极片。
2.安全涂层浆料制备：安全涂层浆料主材是绝缘体颗粒与锂盐经处理后产品。将Al2O3粉末和Li3PO4粉末按质量比97:3混合，并加入上述总质量3%酚醛树脂一起球磨，球磨后颗粒粒径D50为500nm，在100℃喷雾干燥器干燥，喷雾制颗粒后进行600℃-750℃处理成型，得到产品，此时粒径约为3um。将上述混合产品、粘结剂SBR、CMC按重量比96:2.5:1.5与去离子水混合，在搅拌机中高速分散后制备成安全涂层浆料，粘度约为500 mPa.s。
3.安全涂层极片制备：将所得安全涂层浆料转移涂布至负极活性材料表面上，涂布宽度刚好覆盖所有活性物质层，经烘烤后去除溶剂，形成安全涂层负极极片，此时涂层面密度约为1.1mg/cm2。
如说明书附图1安全涂层极片的剖面结构示意图所示，安全涂层极片由铜/铝集流体（101）、集流体上下两层活性物质层（102）、最外面两层相同安全涂层（103）构成，安全涂层完全覆盖所有活性物质层, 且与活性物质层宽度一致，而铜/铝集流体左右各有10-15mm空箔。
4. 锂离子电池制备：采用上述制备所得安全涂层的负极极片和只含活性物质的正极极片，使用锂离子电池专用隔膜，经后续叠片、封装、注液、化成制得锂离子电池L-1。该实施例所制备的电池容量为25Ah，能量密度为180Wh/kg。
实施例2
与实施例1相比，安全涂层浆料主材是由MgO和LiF制备而成，得到负极安全涂层的锂离子电池L-2。
实施例3
与实施例1相比，将Al2O3粉末和Li3PO4粉末按质量比93:7混合，并加入上述总质量5%酚醛树脂一起球磨，经喷雾得到产品，制备得到负极安全涂层的锂离子电池L-3。
实施例4
与实施例1相比，安全涂层浆料制备方法如下：溶剂是NMP，绝缘体颗粒与锂盐处理后产品、PVDF按重量比96:4与NMP混合均匀，同实施例1的方案制备得到负极安全涂层的锂离子电池L-4。
实施例5
与实施例1相比，将安全涂层浆料凹版印刷至正极两面上，经烘干后得安全涂层正极极片，此时涂层面密度约为0.3mg/cm2。采用上述制备所得安全涂层正极极片及安全涂层负极极片，经后续卷绕、封装、注液、化成制得锂离子电池。
制备得到负正极安全涂层的锂离子电池L-5。
实施例6
与实施例1相比，安全涂层负极极片面密度为1.6mg/cm2 。制备得到负极安全涂层的锂离子电池L-6。
对比例1
与实施例1相比，采用只含活性材料正极正片和只含活性材料负极片，经后续装配、封装、注液、化成制得锂离子电池。
对比例2
实施例1相比，安全涂层浆料主材只含Al2O3粉末，将氧化铝粘结剂SBR、CMC按重量比96:2.5:1.5与去离子水混合，在搅拌机中高速分散后制备成安全涂层浆料。
对比例3
与实施例1相比，安全涂层浆料主材只含Li3PO4粉末，将氧化铝粘结剂SBR、CMC按重量比96:2.5:1.5与去离子水混合，在搅拌机中高速分散后制备成安全涂层浆料。
采用实施例1-6及比较例1-3制得锂离子电池，将进行如下测试。
1. 安全性能测试：按照GB-T31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及实验方法进行安全测试，项目包括针刺测试、过充测试、热箱测试，每组重复测试5个电池。在各项测试中，锂离子电池不冒烟、不起火、不爆炸则视为通过测试。
2. 循环性能测试：以1C倍率恒定电流充电到锂离子电池的电压为4.2V，随后以恒定电压充电到电流为0.1C；放电时采用1C恒定电流放到电压为2.8V，最终计容量衰减至首次放电比容量的80%时停止。
锂离子电池安全、循环性能测试结果如表1所示。
表1. 锂电池安全、循环性能测试结果：
Figure 463264DEST_PATH_IMAGE001
从表1测试结果可知，含安全涂层极片的锂离子电池可有效提升电芯安全性能，各项安全测试均能全部通过，尤其是针刺测试及过充测试，同时其循环性能较好。而从对比例1-3中，不含安全涂层或只含磷酸锂涂层的锂离子电池安全性能不能保证，只含Al2O3 涂层的锂离子电池则循环性能较差，说明电芯安全性能主要由绝缘体颗粒提供，而锂盐则可改善电芯导锂离子性能，在二者协同作用下，即可提高锂离子电池的安全性，又可保障锂离子电池电性能。

Claims (10)

1.本发明提供一种在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：安全主材M的制备；
步骤S2：安全主材M与粘结剂组成浆料涂覆在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面，得到安全涂层极片。
2.根据权利要求1所述的一种在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，其特征在于：步骤S1中安全涂层M的制备主要由绝缘体颗粒、难溶锂盐和粘结剂混合后，经过砂磨喷雾制粒得到。
3.根据权利要求1所述的一种在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，其特征在于：步骤S1中安全涂层M的制备中绝缘体颗粒选自金属氧化物、金属氟化物、氢氧化物、磷酸盐等中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，其特征在于：步骤S1中安全涂层M的制备中难溶锂盐选自磷酸锂、氟化锂、碳酸锂的一种。
5.根据权利要求1所述的一种在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，其特征在于：步骤S1中安全涂层M的制备中粘结剂选自酚醛树脂、葡萄糖、可溶纤维素等残碳材料的一种。
6.根据权利要求1所述的一种在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，其特征在于：步骤S2中正极膜片的活性材料选自镍钴锰三元、镍钴铝三元、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂、镍锰酸锂中的一个或几个。
7.根据权利要求1所述的一种在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，其特征在于：步骤S2中负极膜片活性材料选自碳基负极、硅基负极、碳硅负极一个或几个。
8.根据权利要求1所述的一种在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，其特征在于：步骤S2中涂层面密度选自0.3-5mg/cm2。
9.根据权利要求1所述的一种在正极膜片、负极膜片或正负极膜片活性材料表面进行安全涂层处理制备安全涂层极片的方法，其特征在于：步骤S2中涂层面密度优选择0.3-1.6mg/cm2 。
10.本发明包括利用权利要求1所述的安全涂层极片制备的一种锂离子电池，其特征在于：锂电池包括正极、负极、隔膜等构成，其中正极及负极膜片使用上述方法制备的安全涂层极片，隔膜使用锂离子电池专用隔膜。
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