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CN102270762B - 锂离子电池电极浆料及应用该电极浆料制备的电极片 - Google Patents

锂离子电池电极浆料及应用该电极浆料制备的电极片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池电极浆料，其包括活性组分、导电组分、高分子交联剂、有机溶剂及曲拉通。本发明还涉及一种锂离子电池电极片。

Description

锂离子电池电极浆料及应用该电极浆料制备的电极片
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池电极浆料及应用该电极浆料制备的电极片。
背景技术
在锂离子电池的工业生产中通常是将锂离子电池的电极浆料涂覆在铝箔等极片载体上，经过机器刮涂、滚压、烘干等步骤，再经过裁剪、卷绕制成可使用的电极片。
现有技术中锂离子电池电极浆料的组成成分一般包括活性组分、导电组分、高分子交联剂以及溶剂。其中活性组分为正极活性物质如钴酸锂、锰酸锂或磷酸铁锂，或负极活性物质如石墨。导电组分可以是乙炔黑、碳纳米管或石墨。高分子交联剂起到粘结活性组分和导电组分的作用，常用丁苯橡胶(SBR)或聚偏氟乙烯(PVDF)。溶剂起到溶解高分子交联剂的作用，通常为水或非水性有机溶剂，如N-甲基吡咯烷酮(NMP)等，溶剂在制作电极片的烘干步骤中去除。电极浆料的性能好坏对电极片的制作过程、电极片性能以及锂离子电池的性能都有很大的影响。
然而，即使采用相同组分形成的电极浆料制备的锂离子电池，其性能也可能不同。例如，当电极浆料的各种组分加入的先后顺序不同时，最终得到的锂离子电池的倍率性能可能差别很大。这可能是由于导电组分在电极浆料中的分散不均匀所导致。现有技术中常采用在电极浆料中加入分散剂的方式改善导电组分在电极浆料中的分散性能。公告日为2008年8月6日的中国专利ZL 200480008658.1公开了一种用于改进电极浆料的分散性能的分散剂，这种分散剂具有能够表面吸附的聚合物骨架和具有非离子表面活性剂性质的侧链。然而，在实际应用时，这种高分子聚合物分散剂在与水性溶剂进行配合时能具有一定的分散效果，但在应用于非水性有机溶剂时，由于大分子量的高分子聚合物分散剂自身的分散及粘度问题，对电极浆料的分散性能改善则不明显。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种适用于有机溶剂且能够提高锂离子电池性能的电极浆料，以及应用该方法制备的电极片。
一种锂离子电池电极浆料，其包括活性组分、导电组分、高分子交联剂、溶剂及曲拉通。
一种锂离子电池电极片，其包括一集流体以及形成于该集流体表面的电极材料，该电极材料包括活性组分、导电组分、高分子交联剂及曲拉通。
相较于现有技术，本发明在采用有机溶剂的电极浆料中添加曲拉通，在不影响浆料粘度的情况下可使活性组分和导电组分在电极浆料中均匀分散，得到具有较高分散性能的电极浆料，使锂离子电池的倍率性能得到改善。
附图说明
图1为本发明实施例采用含曲拉通的电极浆料制备的电极片的低放大倍率扫描电镜照片。
图2为采用不含曲拉通的电极浆料制备的电极片的低放大倍率扫描电镜照片。
图3为本发明实施例采用含曲拉通的电极浆料制备的电极片的高放大倍率扫描电镜照片。
图4为采用不含曲拉通的电极浆料制备的电极片的高放大倍率扫描电镜照片。
图5为采用含有曲拉通及不含曲拉通的磷酸铁锂正极电极片在1C倍率下的循环性能测试曲线。
图6为采用含有曲拉通及不含曲拉通的磷酸铁锂正极电极片在3C倍率下的循环性能测试曲线。
图7为采用含有曲拉通及不含曲拉通的磷酸铁锂正极电极片在5C倍率下的循环性能测试曲线。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的电极浆料及其制备方法，以及应用该方法制备的电极片作进一步的详细说明。
本发明提供一种电极浆料，其包括活性组分、导电组分、高分子交联剂、有机溶剂以及辛基苯基聚氧乙烯醚(Octylphenolpoly(ethyleneglycolether)x，x＝9～10，俗称曲拉通)。
该活性组分为正极活性物质或负极活性物质中的一种。该正极活性物质可以为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂及镍酸锂中的一种或多种，该负极活性物质可以为石墨、有机裂解碳及中间相碳微球(MCMB)中的一种或多种，该导电组分可以为石墨、乙炔黑及碳纳米管中的一种或多种，该有机溶剂可以为NMP、二甲基甲酰胺(DMF)、二乙基甲酰胺(DEF)、二甲基亚砜(DMSO)、四氢呋喃及醇类中的一种或多种，该高分子交联剂可以为PVDF、聚四氟乙烯(PTFE)及SBR中的一种或多种。可以理解，该正极活性物质、负极活性物质、导电组分、有机溶剂及高分子交联剂也可采用其他常用的材料。
在该电极浆料中，该活性组分、导电组分及高分子交联剂的总质量与该有机溶剂的质量之比可以为3∶1～4∶1，优选为3∶1，从而可以使该电极浆料具有较好的流变性，并利于分散。
在该活性组分、导电组分以及高分子交联剂中，该活性组分的质量占总质量的75％～90％，优选为80％，该导电组分的质量占总质量的5％～15％，优选为10％，该高分子交联剂的质量占总质量的5％～15％，优选为10％。
本实施例中所用曲拉通的平均分子量约为647。该曲拉通占电极浆料总质量的0.25％～1.25％，优选为0.5％。
该锂离子电池电极浆料可以通过以下步骤制备：
首先，提供活性组分、导电组分、高分子交联剂、有机溶剂以及曲拉通；以及
其次，将该活性组分、导电组分、高分子交联剂、有机溶剂以及曲拉通均匀混合。具体地，可先将该曲拉通溶解在该有机溶剂中，再将所述活性组分、导电组分及高分子交联剂与溶有该曲拉通的有机溶剂混合。经过试验证明，所述活性组分、导电组分及高分子交联剂的加入顺序对电极浆料的性能并无显著影响，即，当该分散剂采用曲拉通时，无论将活性组分、导电组分及高分子交联剂一同加入有机溶剂后进行混合，还是逐一加入有机溶剂进行混合，均可使导电组分均匀的分散在活性组分之间。
现有技术中作为分散剂的有机高分子聚合物的分子量在10,000至30,000之间，具有较强的增稠作用，且本身分散十分困难，因此对采用非水性溶剂的电极浆料性能的改进不明显。而本申请中，由于曲拉通的分子量较小，本身可以容易地在有机溶剂中分散，且曲拉通的加入对浆料的粘度几乎不产生影响，提高了电极浆料的性能。并且，所述混合的方式可以是球磨、超声震荡或研磨，甚至是普通的机械搅拌也可以达到有效分散导电组分及活性组分的目的，大大简化了电极浆料的制备工艺。
本发明实施例进一步提供一种锂离子电池电极片，其包括一集流体以及形成于集流体表面的电极材料。该集流体可以是铜箔或铝箔，该电极材料为将所述电极浆料烘干后剩下的物质，包括活性组分、导电组分、高分子交联剂以及曲拉通。该曲拉通的质量占电极材料总质量的1％～5％，优选为2％。该电极片厚度均匀，且整体厚度约为50微米～300微米。该电极片的制备方法包括以下步骤：提供一集流体；将该电极浆料涂覆在该集流体表面；以及将该电极浆料在小于120℃的温度下烘干。该电极浆料中的有机溶剂通过该烘干步骤去除，用于分散活性组分和导电组分的曲拉通在小于120℃不挥发或分解，因此以杂质的形式留在电极材料中。然而，实验证明少量的曲拉通不会对锂离子电池的性能造成影响，且能够有效地促进活性组分及导电组分的分散，提高锂离子电池的倍率性能。
本实施例以曲拉通作为分散剂制备正极电极浆料，并将该电极浆料涂覆于正极集流体表面制成正极电极片，并与未加入曲拉通的正极电极片进行对比。
首先制备待测正极电极片。将曲拉通溶解在NMP中，配制成曲拉通质量百分含量为1％的曲拉通/NMP溶液，将PVDF溶解在NMP中，配制成PVDF质量百分含量为10％的PVDF/NMP溶液，将1.6g磷酸铁锂、0.2g乙炔黑、2g所述PVDF/NMP溶液加入至4.2g所述曲拉通/NMP溶液中，用玻璃棒充分搅拌均匀，制备成电极浆料，并将该电极浆料刮涂在铝箔表面，并在100℃下烘干，得到正极电极片。
其次制备对比电极片。将1.6g磷酸铁锂、0.2g乙炔黑、2g所述PVDF/NMP溶液加入至4.2gNMP中，制成不含曲拉通的电极浆料，并同样地将电极浆料刮涂在铝箔表面，烘干得到对比电极片。
请参阅图1-4，可以发现，加入曲拉通的正极电极片中，在磷酸铁锂大颗粒周围分散有大量乙炔黑小颗粒。而未加入曲拉通的正极电极片中，多个磷酸铁锂大颗粒聚集在一起，并未与乙炔黑均匀分散。
将上述待测正极电极片与对比电极片在相同的条件下分别与相同的负极金属锂片、电解液及隔膜组装成半电池，并采用1C(0.6mA/cm2)，3C(1.8mA/cm2)及5C(3.0mA/cm2)电流对上述两种电池进行充放电循环测试。电池的隔膜采用聚乙烯/丙烯多孔膜(Celgard 2400)。电解液为1mol/L的LiPF6/EC+DMC+DEC(1∶1∶1，v/v/v)溶液，其中电解液的溶剂为碳酸乙烯酯，碳酸二乙酯及碳酸二甲酯以体积比1∶1∶1混合，电解质盐为六氟磷酸锂。
请参阅图5～7，通过测试发现，虽然在小电流下充放电时，加入曲拉通与未加曲拉通的电极片性能差别并不明显，但随着充放电倍率增大，加入曲拉通的电极片显示出较高的比容量及容量保持率，因此曲拉通的加入有效的提高了锂离子电池的倍率性能。
本技术方案在含有机溶剂的电极浆料中添加曲拉通，无需调节浆料粘度即可使活性组分和导电组分在电极浆料中均匀分散，得到具有较高分散性能的电极浆料，使锂离子电池的倍率性能得到改善。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种锂离子电池电极片，其包括一集流体以及形成于该集流体表面的电极材料，该电极材料包括活性组分、导电组分以及高分子交联剂，其特征在于，该电极材料进一步包括曲拉通，该活性组分为正极活性物质或负极活性物质，该负极活性物质为石墨、有机裂解碳及中间相碳微球中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的锂离子电池电极片，其特征在于，该曲拉通的质量占所述电极材料总质量的1％～5％。
3.如权利要求1所述的锂离子电池电极片，其特征在于，该曲拉通的质量占所述电极材料总质量的2％。
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