CN100385248C

CN100385248C - 电池电极材料填充性能测试方法

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Publication number: CN100385248C
Application number: CNB2004100273946A
Authority: CN
Inventors: 杨绍斌; 范军; 刘甫先; 刘秉东; 廖钦林; 谢根胜; 陈杰
Original assignee: ZHAOQING FENGHUA LITHIUM BATTERY CO Ltd
Current assignee: ZHAOQING FENGHUA LITHIUM BATTERY CO Ltd
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2024-06-01
Also published as: CN1704765A

Abstract

本发明涉及一种电池电极材料填充性能测试方法，包括如下步骤：A)将包括活性材料和粘合剂在内的电极材料按照配方混合均匀、制成膏体，B)将所得膏体均匀涂布在所述集流片上，制得极片，C)令所得膏体干燥后，切割所得极片制成多片待检极片并精确称重，D)精确测量每片待检极片厚度及集流片长度，E)逐片加压地等压辊压所得的待测极片，直至出现严重变形的被测极片，F)测量变形的被测极片厚度与长度，G)根据同一被测极片重量、变形前后的厚度差值及长度差值算出所述电极材料的填充性能参数。本发明提供一种更符合电池电极材料的聚集状态、更适合于测试电极材料的充填性能、简单有效的电池电极材料填充性能测试方法。

Description

电池电极材料填充性能测试方法

【技术领域】

本发明涉及测试电池电极材料的方法，更具体地说，本发明涉及一种测试锂离子电池的电极材料的填充性能的方法。

【背景技术】

目前，以锂离子电池为代表的二次电池属于高能量密度的新型电池。随着电池容量、循环性能和安全性能要求越来越高，人们对电池正、负极材料的要求也越来越高。由于对电性能的要求日益提高，材料的充填性能越来越受到关注。因为充填性能好的电极材料在电池的电极中单位体积充填量高，因而可以相应地提升电池的容量，也就是说：电极材料的高充填率是提高电池容量的最直接有效的方法之一。由于主要的电极材料如活性物、导电剂在初始时是处于颗粒堆积状态，而后才被粘结剂粘结在集流片上，因此以前人们都是按照一般粉体颗粒的振实密度测试来测试和评价电极材料的充填性能。

振实密度的测量是用长时间物理振动使材料颗粒尽可能的紧密堆积，通过测量紧密堆积状态下颗粒材料的单位体积质量而计算出来。它是材料颗粒粒度、大小搭配程度的一个综合指标，通常测试颗粒堆积密度的仪器为各种各样的粉体或粒料特性测试仪，这类仪器很容易由市售得到。

材料的振实密度能测量出一般颗粒材料的最大堆积程度。但是一般颗粒材料的堆积状态与在电池极片中的电极颗粒材料的聚集状态并不相同。电池极片中包括有活性物质颗粒、导电剂颗粒、和粘结剂等，而且在电池极片中，颗粒的概念甚至还包括条形体、高分子的颗粒等。此外，极片还需要进行辊压，材料颗粒在辊压过程中会发生形变。显然，使用振实密度评价材料充填性能不充分不准确，不利于电池的设计、生产和工艺控制。

关于电池电极材料颗粒性质方面的问题，有申请号为01123431.8的中国专利文件公开了一种提高钴酸锂的中位径和振实密度的方法。将Li₂ CO₃、LiOH或两者的混合物、CoCO₃、Co₃O₄或两者的混合物、LiCoO₂，三种物料按比例混合均匀；在300～1000℃下合成2～20小时；将合成物料中的团聚物破碎。据称：用这种方法所制备的LiCoO₂的中位径和振实密度大，并克服了一次烧成LiCoO₂大粒子可能造成的粒子内部反应不完全和晶型不完整的问题，避免了为提高LiCoO₂中位径和振实密度而将LiCoO₂多次烧结造成锂的过度挥发、和对粒子表面的破坏以及能耗巨大等问题。可用于高能电源特别是锂离子电池的制造领域。该文件没有涉及改进颗粒填充性质测试以提高准确、合理性的内容。

有关测试材料颗粒性质方面的问题，有专利号为87210110.U的中国专利文件公开了一种测定粉体真密度的缸式(或箱式)真空装置，主要由一个装有数个比重瓶的真空容器和一个贮液器构成。加液可在真空中进行。据称该装置能够一次测得数个试样，获得均值，节省测试时间约40％，可在干粉体情况下抽气，不发生飞溅，测试结果精确。可广泛用于耐火、水泥、除尘技术，气力输送等一切需要测定粉体真密度的行业中。

该文件在其实施例中公开了其包括十个步骤的测试过程为：

1、取洗净烘干的比重瓶4个，取在110±5℃下烘干冷却至室温的实验粉体40～80克。

2、在万分之一天平上称量比重瓶.质量以M₁表示。

3、向每个比重瓶中装入5～10克干燥粉体，分别在天平上称量。以M₂表示：计算M＝M₂-M₁。M为粉体试样的质量。

4、把装有粉体的比重瓶放在托架上.再放入真空缸内.关闭旋塞阀19、22、23，取下橡胶塞17，向贮液瓶中注入900毫升液液体介质，盖上橡胶塞，开动真空泵张开旋塞，当真空容器内剩余压力达到20毫米汞柱以下时，再继续抽气30分钟。

5、关闭旋塞阀19，开启旋塞阀21，关闭真空泵。

6、依次开启旋塞闻23，向比重瓶中注液到低于瓶口12一15毫米为止.慢慢地盖上瓶塞。使瓶内和瓶塞的毛细簪中无气泡.

7、把比重瓶放入恒温水浴中恒温(20℃±0.5℃)30～40分钟，取出、擦干、称重，质量以R表示.

8、把比重瓶中试样和液体倒掉，清净，再注入贮液瓶中的液体介质。取出，盖上瓶盖，使瓶中无气泡。

9、把比重瓶放入恒温水浴中恒温(20℃±0.5℃)30～40分钟，取出、擦干、称重。质量以W表示。

10、按一定公式计算出粉体真密度。

由上可见，上述的测试过程测得的是传统的堆积密度，并不适合电极材料的填充性能测试。

【发明内容】

针对现有技术的上述缺点，本发明所要达到的技术目的是要提供一种更符合电池电极材料的聚集状态、更适合于测试电极材料的充填性能、简单有效的电池电极材料填充性能测试方法。

为此，本发明的技术方案是一种电池电极材料填充性能测试方法，所述电极包括集流片和在集流片上涂敷的电极材料，所述电极材料包括活性材料、粘合剂，该测试方法包括如下步骤：A)将包括活性材料和粘合剂在内的电极材料按照配方混合均匀、制成膏体，B)将所得膏体均匀涂布在所述集流片上，制得极片，C)令所得膏体干燥后，切割所得极片制成多片待检极片并精确称重，D)精确测量每片待检极片厚度及集流片长度，E)逐片加压地等压辊压所得的待测极片，直至出现严重变形的被测极片，F)测量变形的被测极片厚度与长度，G)根据同一被测极片重量、变形前后的厚度差值及长度差值算出所述电极材料的填充性能参数。由上可见，本发明的改进方法完全参照电极材料在电池电极中的的聚集状态、按照电极材料配方以及工艺来准备待测样片，然后对多种电极材料的聚集状态下的模拟样片进行填充性能测试，因此，本发明的方法更符合电池电极材料的聚集状态，测试得到的电极材料充填性能更为合理科学，而且本发明的测试方法简单有效。

为进一步强化本发明方法的上述基本优点，本发明采取如下具体措施：为使测试的针对性更强、更反映真实聚集状态下的材料填充性能，本发明的方法进一步区分所述的电极材料为正极电极材料或负极电极材料。

所述的填充性能参数包括压实密度，该压实密度值为变形的被测极片上所述电极材料的重量与体积之比值，该电极材料的重量等于在步骤D)中精确测得的待检极片的重量减去集流片的重量，或者还可采用其它方法算得电极材料的重量。

在所述步骤E)中，正极被测极片的长度延展率不小于2％，负极被测极片的长度延展率不小于1％。实验证实：正极材料在延展率大于2％以后，正电极材料的压实密度趋于稳定，负极材料在延展率大于1％后，负电极材料的压实密度也趋于稳定。因此以电极材料的压实密度趋于稳定时的压实密度作为电极材料填充性能的关键指标。

为了提高后续测量的精度，贴近电极中电极材料的实际聚集状态，在所述步骤D)中，所述待检极片的测量精度为：厚度精确到0.1μm，长度精确到0.1mm。在所述步骤C)中，所述待检极片尺寸为10cm×0.5cm，称重精确到1μg。在所述步骤A)中，所述粘合剂中还添加有溶剂。在所述步骤B)中，所述膏体在所述集流片上的涂布密度和/或厚度一致。所述电极材料还包括导电剂。所述集流片为金属箔或金属网。

本发明方法测试中所用电极材料按照一般电池电极中实际配方进行选用即可：

正极活性材料材料选自钴酸锂、镍酸锂、铁酸锂、锰酸锂或钴、镍的复合氧化物；

负极活性材料选自活性碳、石墨、改性人造石墨、碳微粒、包覆碳、碳纳米材料及碳合金材料。

导电剂选自乙炔黑、碳纤维、石墨、碳纳米材料。

粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚脂树脂、改性淀粉、改性纤维。

溶剂选自N-甲基吡咯烷酮以下简称NMP、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、纯水。

金属集流片选自铝箔、铜箔。

总之，本发明的方法改进具有实施简便、有效、贴近实际的优点。

以下，结合具体实施例和附图对本发明的技术解决方案作进一步说明。

【附图说明】

图1是本发明方法测得的正极电极材料填充性能曲线图。

图2是本发明方法测得的负极电极材料填充性能曲线图。

【具体实施方式】

实施例1

图1所示的正极电极材料填充性能曲线图是经过如下具体步骤测得：1)按重量百分比计，将一定量的不同正极活性材料(见表1)与导电剂乙炔黑、粘结剂聚四氟乙烯、溶剂NMP调成膏体；2)以密度和厚度均匀的铝箔片作集流片，将膏体以均匀的涂布密度涂在集流片上，干燥，切割成10cm×0.5cm的极片，称重，重量精确到总重量的1‰；3)测量每片极片的厚度与集流片长度，厚度精确到0.1um，长度精确到0.1mm；4)将极片放入等压辊压机中辊压，辊压压强为1500Kpa；5)测量辊压后的极片厚度与集流片长度，精度同上；6)重复3～5步多次，直至极片严重变形；7)计算极片厚度形变量与长度形变量：以长度形变量计算延展率即，延展率＝(变形后长度-原始长度)/原始长度×100％；以厚度形变量计算压实密度即，压实密度＝电极材料重量/变形后电极材料涂层体积；依据实际测试数据作出正极极片压实密度与延展率的曲线图。

运用上述测定方法，分别对正极活性材料(序号A、B、C、D、E)进行了测定，集流片选用密度为53g/m²、厚度为20um的铝箔，结果参见图1和表1。

表1

正极样品	A(钴酸锂)	B(镍酸锂)	C(铁酸锂)	D(锰酸锂)	E(镍钴酸锂)
正极样品	A(钴酸锂)	B(镍酸锂)	C(铁酸锂)	D(锰酸锂)	E(镍钴酸锂)	压实密度g/cm<sup>3</sup>	3.615	3.555	3.682	3.81	3.66

测试结果显示：本发明的方法测得的正极电极材料在延展率大于2％以后，其压实密度趋于稳定，这表明本发明的方法能够精确的反映电极材料实际应用时的充填性能。

实施例2

图2所示的负极电极材料填充性能曲线图是经过类似上述测试具体步骤测得：负极活性材料包括(序号A、B、C、D)几种，集流片选用密度为48g/m²，厚度为12um的铜箔，结果如图2，表2。

表2

负极样品	A(活性碳)	B(人造石墨)	C(包覆碳)	D(碳微粒)
负极样品	A(活性碳)	B(人造石墨)	C(包覆碳)	D(碳微粒)	压实密度g/cm<sup>3</sup>	1.613	1.674	1.760	1.881

测试结果显示：本发明的方法测得的负极电极材料在延展率大于1％以后，其压实密度趋于稳定，这表明本发明的方法能够精确的反映电极材料实际应用时的充填性能。

因此，本发明的测试方法简单易行，适合工业生产使用。

Claims

1.一种电池电极材料填充性能测试方法，所述电极包括集流片和在集流片上涂敷的电极材料，所述电极材料包括活性材料、粘合剂，所述测试方法包括如下步骤：A)将包括活性材料和粘合剂在内的电极材料按照配方混合均匀、制成膏体，B)将所得膏体均匀涂布在所述集流片上，制得极片，C)令所得膏体干燥后，切割所得极片制成多片待检极片并精确称重，D)精确测量每片待检极片厚度及集流片长度，E)逐片加压地等压辊压所得的待测极片，直至出现严重变形的被测极片，F)测量变形的被测极片厚度与长度，G)根据同一被测极片重量、变形前后的厚度差值及长度差值算出所述电极材料的填充性能参数。

2.如权利要求1所述的电池电极材料填充性能测试方法，其特征在于：所述的电极材料为正极电极材料或负极电极材料。

3.如权利要求1或2所述的电池电极材料填充性能测试方法，其特征在于：所述的填充性能参数包括压实密度，该压实密度值为变形的被测极片上所述电极材料的重量与体积之比值。

4.如权利要求3所述的电池电极材料填充性能测试方法，其特征在于：在所述步骤E)中，正极被测极片的长度延展率大于2％，负极被测极片的长度延展率大于1％。

5.如权利要求3所述的电池电极材料填充性能测试方法，其特征在于：在所述步骤D)中，所述待检极片的测量精度为：厚度精确到0.1μm，长度精确到0.1mm。

6.如权利要求3所述的电池电极材料填充性能测试方法，其特征在于：在所述步骤C)中，称重精确到1μg。

7.如权利要求3所述的电池电极材料填充性能测试方法，其特征在于：在所述步骤A)中，所述粘合剂中还添加有溶剂。

8.如权利要求3所述的电池电极材料填充性能测试方法，其特征在于：在所述步骤B)中，所述膏体在所述集流片上的涂布密度和/或厚度一致。

9.如权利要求3所述的电池电极材料填充性能测试方法，其特征在于：所述电极材料还包括导电剂。

10.如权利要求3所述的电池电极材料填充性能测试方法，其特征在于：所述集流片为铝箔或铜箔。