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CN118693284A - 高粘结纳米涂碳集流体及其制备方法、正极片、电池和用电装置 - Google Patents

高粘结纳米涂碳集流体及其制备方法、正极片、电池和用电装置 Download PDF

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CN118693284A
CN118693284A CN202310298102.5A CN202310298102A CN118693284A CN 118693284 A CN118693284 A CN 118693284A CN 202310298102 A CN202310298102 A CN 202310298102A CN 118693284 A CN118693284 A CN 118693284A
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CN
China
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carbon
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coated
coating
nano
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CN202310298102.5A
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王成豪
李正林
赵和平
李学法
张国平
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Jiangyin Nali New Material Technology Co Ltd
Original Assignee
Jiangyin Nali New Material Technology Co Ltd
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种高粘结纳米涂碳集流体及其制备方法、正极片、电池和用电装置。高粘结纳米涂碳集流体包括：薄膜基材层，薄膜基材层相背的两个表面上分别设置有涂碳层，涂碳层的材质包括导电碳材料、粘结剂和碳酸钙。制备上述高粘结纳米涂碳集流体的方法，包括以下步骤：配料：在水或N‑甲基吡咯烷酮中加入导电碳材料进行搅拌，加入碳酸钙进行搅拌，加入粘结剂进行搅拌；涂布：在薄膜基材层的两面通过涂布设备分别涂布浆料，形成涂碳层；烘干：在涂布后对涂碳层进行烘干收卷。通过上述方式，本发明的涂碳层内添加了碳酸钙材料，增大了剥离力，增强了涂碳层与薄膜基材层之间的粘结性能，可以极大的提升涂碳层的粘结性能和耐擦拭性能。

Description

高粘结纳米涂碳集流体及其制备方法、正极片、电池和用电 装置
技术领域
本发明涉及锂电池领域，具体涉及一种高粘结纳米涂碳集流体及其制备方法、正极片、电池和用电装置。
背景技术
目前在非水性二次电池的制造过程中，为了提升电池的倍率性能和活性物质对极片的粘接性能，常规的做法是在集流体的表面涂一层导电材料。这层的制造工艺通常是导电剂和粘结剂加入水中进行搅拌分散然后涂覆在集流体的表面，由于常规的粘结剂粘结力较差，导致活性物质与导电层的之间的粘结性能变差，容易导致活性物质涂覆后在电池的制造过程中出现掉粉的情况，严重影响电池的性能。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种能够提高粘结性能的高粘结纳米涂碳集流体及其制备方法、正极片、电池和用电装置。
一种高粘结纳米涂碳集流体，包括：薄膜基材层，所述薄膜基材层相背的两个表面上分别设置有涂碳层，所述涂碳层的材质包括导电碳材料、粘结剂和碳酸钙。
优选的，所述导电碳材料、粘结剂和碳酸钙的配比为1：0.5-1：0.01-0.05。
优选的，所述导电碳材料为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维中的一种或多种；
所述粘结剂为乙烯乙酸酯类水性胶黏剂、丙烯酸类水性胶黏剂、聚氨酯类水性胶黏剂中的一种或多种。
优选的，所述薄膜基材层为铜箔、铝箔、铜铝合金箔、复合铜集流体、复合铝集流体或其他金属元素掺杂的铜集流体、其他金属元素掺杂的铝集流体。
优选的，所述薄膜基材层的厚度为2um-18um，所述涂碳层的厚度0.05um-5um。
优选的，所述高粘结纳米涂碳集流体具有以下性能中的至少一种：
(1)涂碳层剥离力＞5N/m；
(2)高粘结纳米涂碳集流体剥离力＞50N/m；
(3)穿刺强度≥50gf；
(4)纵向拉伸强度≥150MPa，纵向延伸率≥1％；横向拉伸强度≥150MPa，横向延伸率≥1％。
还提供了一种制备上述高粘结纳米涂碳集流体的方法，包括以下步骤：
配料：在水或N-甲基吡咯烷酮中加入导电碳材料进行搅拌，加入碳酸钙进行搅拌，加入粘结剂进行搅拌，得到的浆料中的固体含量为5％-25％；
涂布：在薄膜基材层的两面通过涂布设备分别涂布所述浆料，形成涂碳层；
烘干：在涂布后对涂碳层进行烘干，将高粘结纳米涂碳集流体进行收卷。
还提供了一种正极，包括上述高粘结纳米涂碳集流体及涂覆在所述高粘结纳米涂碳集流体至少一个表面上的正极活性物质。
还提供了一种电池，包括上述的正极。
还提供了一种用电装置，包括上述的电池。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列有益效果：
提供了一种高粘结纳米涂碳集流体及其制备方法、正极片、电池和用电装置，该集流体的涂碳层内添加了碳酸钙材料，由于碳酸钙中的Ca2+与粘结剂上面的COOH-进行结合形成化学键，致使粘结剂之间发生交联形成网络结构，增大了剥离力，增强了涂碳层与薄膜基材层之间的粘结性能，可以极大的提升涂碳层的粘结性能和耐擦拭性能。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一种高粘结纳米涂碳集流体，包括：薄膜基材层，薄膜基材层相背的两个表面上分别设置有涂碳层，涂碳层的材质包括导电碳材料、粘结剂和碳酸钙。涂碳层中碳酸钙的Ca2+与粘结剂上面的COOH-进行结合形成化学键，该化学键致使粘结剂之间发生交联形成网络结构，增大了涂碳层的剥离力，可以增强涂碳层与薄膜基材层之间的粘结性能。
涂碳层中导电碳材料、粘结剂和碳酸钙的配比为1：0.5-1：0.01-0.05。在进行配制涂碳层的材料时，导电碳材料、粘结剂和碳酸钙的配比可以为1：0.5：0.01、1：0.5：0.03、1：0.5：0.05、1：0.75：0.01、1：0.75：0.02、1：0.75：0.05、1：1：0.01、1：1：0.025、1：1：0.05等。
导电碳材料是一种高导电性材料，除具有高导电性能之外，其还具有耐腐蚀、耐磨、耐高温、强度高、质轻等特点。在本发明中，主要是利用其高导电性。导电碳材料可以为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维中的一种或多种。本发明中的实施例是选用导电炭黑，导电炭黑是半导体材料，导电炭黑具有较低的电阻率，其导电性能更好。
粘结剂可以为乙烯乙酸酯类水性胶黏剂、丙烯酸类水性胶黏剂、聚氨酯类水性胶黏剂中的一种或多种。本发明中的实施例是选用丙烯酸类水性胶黏剂。
薄膜基材层为铜箔、铝箔、铜铝合金箔、复合铜集流体、复合铝集流体或其他金属元素掺杂的铜集流体、其他金属元素掺杂的铝集流体。
薄膜基材层的厚度为2um-18um，涂碳层的厚度0.05um-5um。涂碳层的厚度＜0.05um，会影响该高粘结纳米涂碳集流体的产品性能，如导电性能；涂碳层的厚度＞5um，会使得该高粘结纳米涂碳集流体的延伸性能较差。
本发明中，高粘结纳米涂碳集流体中涂碳层剥离力＞5N/m；高粘结纳米涂碳集流体剥离力＞50N/m；穿刺强度≥50gf；纵向拉伸强度≥150MPa，纵向延伸率≥1％；横向拉伸强度≥150MPa，横向延伸率≥1％。
本发明还提供了一种制备上述高粘结纳米涂碳集流体的方法，包括以下步骤：
配料：在水或N-甲基吡咯烷酮(NMP)中加入一定量的导电碳材料进行搅拌，加入一定量的碳酸钙进行搅拌，加入一定量的粘结剂进行搅拌。以N-甲基吡咯烷酮作为有机溶剂，性能稳定，能与水混溶。在配料的步骤中，不仅导电碳材料、粘结剂和碳酸钙的配比为1：0.5-1：0.01-0.05，而且得到的浆料中的固体含量为5％-25％，从而有效保证涂碳层能具有良好的性能。
涂布：在薄膜基材层的两面通过涂布设备分别涂布浆料，形成涂碳层。
烘干：在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为50℃-80℃、70℃-100℃、50℃-80℃，分段烘干可以在浆料成型为涂碳层的同时，避免烘干温度变化太大导致涂碳层干裂而影响性能。完成烘干后，通过收卷设备将高粘结纳米涂碳集流体进行收卷，收卷张力50N/m-150N/m，收卷张力太大容易扯断高粘结纳米涂碳集流体，收卷张力太小容易在收卷过程中出现褶皱。
本发明还提供了一种正极，包括上述高粘结纳米涂碳集流体及涂覆在高粘结纳米涂碳集流体至少一个表面上的正极活性物质。正极活性物质可以为锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锰镍钴复合氧化物、锂钒氧化物中的一种或多种。本发明还提供了一种电池，包括上述的正极。本发明还提供了一种用电装置，包括上述的电池。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1高粘结纳米涂碳集流体的制备
配料：在80kg的NMP中加入8kg导电炭黑，搅拌180mi n；加入0.2kg碳酸钙进行，搅拌180mi n；加入8kg丙烯酸类水性胶黏剂，搅拌90mi n。在该配料步骤中，导电炭黑、丙烯酸类水性胶黏剂、碳酸钙的配比为1:1:0.025，搅拌后得到的浆料中的固体含量为16.84％。
涂布：在厚度为13um薄膜基材层的两面通过涂布设备以平均100m/mi n的涂布速度分别涂布配制好的浆料，在薄膜基材层的两面分别形成厚度为1um的涂碳层。
烘干：在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为70℃、80℃、70℃。完成烘干后，通过收卷设备将高粘结纳米涂碳集流体进行收卷，收卷张力100N/m。测得该高粘结纳米涂碳集流体的相关性能如表1所示。
实施例2高粘结纳米涂碳集流体的制备
配料：在80kg的NMP中加入8kg导电炭黑，搅拌180mi n；加入0.16kg碳酸钙进行，搅拌180mi n；加入4kg丙烯酸类水性胶黏剂，搅拌90mi n。在该配料步骤中，导电炭黑、丙烯酸类水性胶黏剂、碳酸钙的配比为1:0.5:0.02，搅拌后得到的浆料中的固体含量为13.19％。
涂布：在厚度为8um薄膜基材层的两面通过涂布设备以平均100m/mi n的涂布速度分别涂布配制好的浆料，在薄膜基材层的两面分别形成厚度为0.5um的涂碳层。
烘干：在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为70℃、80℃、70℃。完成烘干后，通过收卷设备将高粘结纳米涂碳集流体进行收卷，收卷张力100N/m。测得该高粘结纳米涂碳集流体的相关性能如表1所示。
实施例3高粘结纳米涂碳集流体的制备
配料：在80kg的NMP中加入8kg导电炭黑，搅拌180mi n；加入0.16kg碳酸钙进行，搅拌180mi n；加入6kg丙烯酸类水性胶黏剂，搅拌90mi n。在该配料步骤中，导电炭黑、丙烯酸类水性胶黏剂、碳酸钙的配比为1:0.75:0.02，搅拌后得到的浆料中的固体含量为15.04％。
涂布：在厚度为2um薄膜基材层的两面通过涂布设备以平均100m/mi n的涂布速度分别涂布配制好的浆料，在薄膜基材层的两面分别形成厚度为0.05um的涂碳层。
烘干：在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为70℃、80℃、70℃。完成烘干后，通过收卷设备将高粘结纳米涂碳集流体进行收卷，收卷张力100N/m。测得该高粘结纳米涂碳集流体的相关性能如表1所示。
实施例4高粘结纳米涂碳集流体的制备
配料：在80kg的NMP中加入8kg导电炭黑，搅拌180mi n；加入0.4kg碳酸钙进行，搅拌180mi n；加入6kg丙烯酸类水性胶黏剂，搅拌90mi n。在该配料步骤中，导电炭黑、丙烯酸类水性胶黏剂、碳酸钙的配比为1:0.75:0.05，搅拌后得到的浆料中的固体含量为15.25％。
涂布：在厚度为15um薄膜基材层的两面通过涂布设备以平均100m/mi n的涂布速度分别涂布配制好的浆料，在薄膜基材层的两面分别形成厚度为2um的涂碳层。
烘干：在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为70℃、80℃、70℃。完成烘干后，通过收卷设备将高粘结纳米涂碳集流体进行收卷，收卷张力100N/m。测得该高粘结纳米涂碳集流体的相关性能如表1所示。
实施例5高粘结纳米涂碳集流体的制备
配料：在80kg的NMP中加入8kg导电炭黑，搅拌180mi n；加入0.08kg碳酸钙进行，搅拌180mi n；加入6kg丙烯酸类水性胶黏剂，搅拌90mi n。在该配料步骤中，导电炭黑、丙烯酸类水性胶黏剂、碳酸钙的配比为1:0.75:0.01，搅拌后得到的浆料中的固体含量为14.97％。
涂布：在厚度为18um薄膜基材层的两面通过涂布设备以平均100m/mi n的涂布速度分别涂布配制好的浆料，在薄膜基材层的两面分别形成厚度为5um的涂碳层。
烘干：在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为70℃、80℃、70℃。完成烘干后，通过收卷设备将高粘结纳米涂碳集流体进行收卷，收卷张力100N/m。测得该高粘结纳米涂碳集流体的相关性能如表1所示。
对比例1涂碳集流体的制备
在80kg的NMP中加入8kg导电炭黑，搅拌180mi n；加入8kg丙烯酸类水性胶黏剂，搅拌90mi n。在厚度为13um薄膜基材层的两面通过涂布设备以平均100m/mi n的涂布速度分别涂布配制好的浆料，在薄膜基材层的两面分别形成厚度为1um的涂碳层。在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为70℃、80℃、70℃。完成烘干后，通过收卷设备进行收卷，收卷张力100N/m。测得该涂碳集流体的相关性能如表1所示。
对比例2涂碳集流体的制备
在80kg的NMP中加入8kg导电炭黑，搅拌180mi n；加入4kg丙烯酸类水性胶黏剂，搅拌90mi n。在厚度为8um薄膜基材层的两面通过涂布设备以平均100m/mi n的涂布速度分别涂布配制好的浆料，在薄膜基材层的两面分别形成厚度为0.5um的涂碳层。在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为70℃、80℃、70℃。完成烘干后，通过收卷设备进行收卷，收卷张力100N/m。测得该涂碳集流体的相关性能如表1所示。
对比例3涂碳集流体的制备
在80kg的NMP中加入8kg导电炭黑，搅拌180mi n；加入6kg丙烯酸类水性胶黏剂，搅拌90mi n。在厚度为2um薄膜基材层的两面通过涂布设备以平均100m/mi n的涂布速度分别涂布配制好的浆料，在薄膜基材层的两面分别形成厚度为0.05um的涂碳层。在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为70℃、80℃、70℃。完成烘干后，通过收卷设备进行收卷，收卷张力100N/m。测得该涂碳集流体的相关性能如表1所示。
对比例4涂碳集流体的制备
在80kg的NMP中加入8kg导电炭黑，搅拌180mi n；加入6kg丙烯酸类水性胶黏剂，搅拌90mi n。在厚度为15um薄膜基材层的两面通过涂布设备以平均100m/mi n的涂布速度分别涂布配制好的浆料，在薄膜基材层的两面分别形成厚度为2um的涂碳层。在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为70℃、80℃、70℃。完成烘干后，通过收卷设备进行收卷，收卷张力100N/m。测得该涂碳集流体的相关性能如表1所示。
对比例5涂碳集流体的制备
在80kg的NMP中加入8kg导电炭黑，搅拌180mi n；加入6kg丙烯酸类水性胶黏剂，搅拌90mi n。在厚度为18um薄膜基材层的两面通过涂布设备以平均100m/mi n的涂布速度分别涂布配制好的浆料，在薄膜基材层的两面分别形成厚度为5um的涂碳层。在涂布后通过三节烘箱对涂碳层进行烘干，三节烘箱烘干温度分别为70℃、80℃、70℃。完成烘干后，通过收卷设备进行收卷，收卷张力100N/m。测得该涂碳集流体的相关性能如表1所示。
表1高粘结纳米涂碳集流体的相关性能测试结果
剥离力测试性能测试参见国标GB18287_2000，耐NMP擦拭性能和耐电解液擦拭性能参见行标T/CIAP0005-2018。
1)剥离力测试：分别各测试10PCS实施例1-实施例5和对比例1-对比例5涂碳层的剥离力以及涂碳集流体的剥离力，并取均值；
2)擦拭性能测试：分别各测试10PCS实施例1-实施例5和对比例1-对比例5在NMP中擦拭200次以及在电解液中擦拭200次的掉粉情况。此处的掉粉情况是指该涂碳集流体中金属粉末掉落的情况。
由表1可知，由本发明的制备方法制得的高粘结纳米涂碳集流体中涂碳层的剥离力大于其他制备方法制得的涂碳集流体中涂碳层的剥离力，且该剥离力＞5N/m；由本发明的制备方法制得的高粘结纳米涂碳集流体的剥离力大于其他制备方法制得的涂碳集流体的剥离力，且该剥离力＞50N/m。在擦拭性能测试中，由本发明的制备方法制得的高粘结纳米涂碳集流体的掉粉情况远远好于其他制备方法制得的涂碳集流体的掉粉情况。由此可见，由本发明的制备方法制得的高粘结纳米涂碳集流体增大了剥离力，增强了涂碳层与薄膜基材层之间的粘结性能，可以极大的提升涂碳层的粘结性能和耐擦拭性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (10)

1.一种高粘结纳米涂碳集流体，其特征在于，包括：薄膜基材层，所述薄膜基材层相背的两个表面上分别设置有涂碳层，所述涂碳层的材质包括导电碳材料、粘结剂和碳酸钙。
2.根据权利要求1所述的一种高粘结纳米涂碳集流体，其特征在于：所述导电碳材料、粘结剂和碳酸钙的配比为1：0.5-1：0.01-0.05。
3.根据权利要求1所述的一种高粘结纳米涂碳集流体，其特征在于：
所述导电碳材料为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维中的一种或多种；
所述粘结剂为聚偏二氟乙烯水性胶黏剂、聚乙烯醇类水性胶黏剂、乙烯乙酸酯类水性胶黏剂、丙烯酸类水性胶黏剂、聚氨酯类水性胶黏剂、环氧水性胶黏剂、酚醛水性胶黏剂、有机硅类水性胶黏剂、橡胶类水性胶黏剂中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种高粘结纳米涂碳集流体，其特征在于：所述薄膜基材层为铜箔、铝箔、铜铝合金箔、复合铜集流体、复合铝集流体或其他金属元素掺杂的铜集流体、其他金属元素掺杂的铝集流体。
5.根据权利要求1所述的一种高粘结纳米涂碳集流体，其特征在于：所述薄膜基材层的厚度为2um-18um，所述涂碳层的厚度0.05um-5um。
6.根据权利要求1所述的高粘结纳米涂碳集流体，其特征在于，所述高粘结纳米涂碳集流体具有以下性能中的至少一种：
(1)涂碳层剥离力＞5N/m；
(2)高粘结纳米涂碳集流体剥离力＞50N/m；
(3)穿刺强度≥50gf；
(4)纵向拉伸强度≥150MPa，纵向延伸率≥1％；横向拉伸强度≥150MPa，横向延伸率≥1％。
7.一种制备如权利要求1-6任一项所述的高粘结纳米涂碳集流体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
配料：在水或N-甲基吡咯烷酮中加入导电碳材料进行搅拌，加入碳酸钙进行搅拌，加入粘结剂进行搅拌，得到的浆料中的固体含量为5％-25％；
涂布：在薄膜基材层的两面通过涂布设备分别涂布所述浆料，形成涂碳层；
烘干：在涂布后对涂碳层进行烘干，将高粘结纳米涂碳集流体进行收卷。
8.一种正极，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的高粘结纳米涂碳集流体及涂覆在所述高粘结纳米涂碳集流体至少一个表面上的正极活性物质。
9.一种电池，其特征在于：包括权利要求8所述的正极。
10.一种用电装置，其特征在于：包括权利要求9所述的电池。
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