一种极片和锂离子电池的制作方法

1.本发明涉及一种极片和锂离子电池，涉及锂离子电池技术领域。


背景技术：

2.随着锂离子电池的发展，消费者对其充电速度、续航时间、安全性能等需求越来越高。目前通过辊压工序对锂离子电池中的极片进行压实，以降低极片体积，提高锂离子电池的能量密度，同时保证极片表面光滑平整。
3.然而，由于轧辊的长期使用和受力不均匀，导致不同区域的轧辊的磨损情况不同、挠度不同，当使用该种轧辊辊压极片时，容易发生辊压后的极片出现厚度不均匀的情况，这种情况一方面会使极片在后续化成过程中粘结性变差，导致锂离子电池发生析锂的情况，降低锂离子电池的循环性能，另一方面由较薄部分分切而成极片制成的锂离子电池整体厚度减小，降低锂离子电池的生产良率。因此，如何解决轧辊变形导致的极片厚度一致性较差的问题，受到了越来越多的关注。


技术实现要素：

4.本发明提供一种极片，用于解决轧辊变形导致的极片厚度一致性较差的问题。
5.本发明还提供一种包括上述极片的锂离子电池，该锂离子电池具有较好的循环性能。
6.本发明第一方面提供一种极片，包括集流体和设置在所述集流体至少一个功能表面的活性层，所述极片经轧辊辊压后得到，在平行于所述轧辊轴线方向上，所述轧辊和活性层包括n个相互对应的区域，n为大于等于1的正整数；
7.其中，在所述活性层中，与所述轧辊中挠度最小区域对应的区域的塑性应变为ε
p1
，与所述轧辊中挠度最大区域对应的区域的塑性应变为ε
p2
，1.0<ε
p1
：ε
p2
<1.07。
8.本发明提供一种极片，其包括集流体和设置在集流体至少一个功能表面的活性层，一般来说，集流体为薄片状，其功能表面是指集流体中两个相对的面积较大的表面，用于实现对活性层的负载，具体是指集流体长度和宽度方向组成的上、下两个表面，活性层设置在集流体的一个或两个功能表面，图1为本发明一实施例提供的极片辊压示意图，如图1所示，在极片制备过程中，首先制备得到活性层浆液，并涂覆在集流体的两个功能表面，得到活性层200，随后将活性层200和集流体100在轧辊300下辊压得到极片，轧辊为圆柱体结构，为了便于表述，我们将集流体一个功能表面中较长的边的距离规定为集流体的长度，较短的边的距离规定为集流体的宽度，轧辊的前进方向即为集流体的长度方向，其轴线方向即为集流体宽度方向，由于轧辊不同区域的磨损程度不同、挠度不同，导致辊压后，与轧辊对应区域的活性层的塑性应变不同，一般情况下，在活性层中，与轧辊挠度较小区域对应的活性层区域的塑性应变大于与轧辊挠度较大区域对应的活性层区域的塑性应变，且二者的差值较大，通常可达到1.07
‑
1.2倍，导致极片厚度一致性较差，为了解决上述问题，本技术根据不同区域的轧辊的挠度，调整对应区域内活性层的塑性应变，以提高辊压后极片厚度
的一致性，具体地，图2为本发明一实施例提供的极片左视图，如图2所示，在轧辊300轴线方向，即集流体宽度方向上，轧辊300和活性层200包括n个相互对应的区域(一个虚线框内为一个相互对应的区域)，n个区域内，与轧辊挠度最小的区域所对应的活性层的区域的塑性应变为ε
p1
，与轧辊挠度最大的区域所对应的活性层的区域的塑性应变为ε
p2
，通过降低塑性应变为ε
p1
弥补活性层厚度一致性差的问题，塑性应变又称为永久应变，是指应力全部消失后材料单元仍保留的应变，也就是说，提高与轧辊挠度最大的区域所对应的活性层的区域的反弹效果，有助于弥补辊压造成的极片厚度一致性较差的问题，进而缓解锂离子电池的析锂情况，提高锂离子电池的循环性能。
9.在极片具体制备过程中，通常轧辊中间部分的磨损较大，而边缘部分磨损较小，进而形成内凹形挠度，相应的，导致辊压后极片边缘部分较薄，而中间部分较厚，例如，图3为本发明现有技术中极片辊压后的左视图，根据图3可看出，在集流体宽度方向上，位于极片两侧的活性层的厚度明显低于位于极片中间的活性层的厚度，因此，本发明进一步将活性层分为三个区域，即n＝3，并降低位于第一区域和第三区域的活性层的塑性应变，使得位于所述第一区域和第三区域的活性层的塑性应变为ε
p1
，位于所述第二区域的活性层的塑性应变为ε
p2
，1.0<ε
p1
：ε
p2
<1.07。
10.图4为本发明又一实施例提供的极片的左视图，图5为本发明又一实施例提供的极片的俯视图，如图4
‑
5所示，极片包括集流体100和设置在集流体100一个功能表面的活性层200，在集流体宽度方向(也是轧辊轴线方向)上，将活性层200依次分为第一区域201、第二区域202和第三区域203，本实施方式降低位于所述第一区域和第三区域的活性层的塑性应变，使得辊压后位于所述第一区域和第三区域的活性层的塑性应变为ε
p1
，位于所述第二区域的活性层的塑性应变为ε
p2
，1.0<ε
p1
：ε
p2
<1.07，以提高位于第一区域和第三区域的活性层的反弹厚度以此弥补轧辊挠度不同导致的极片厚度一致性较差的问题，图6为本发明又一实施例提供的极片辊压后的左视图，根据图6可知，极片厚度的一致性明显优于图3，可以理解的是，由于轧辊两边挠度相差不大，因此位于第一区域和第三区域的活性层的塑性应变可以相同，在极片制备过程中，可分别制备第一活性层浆液和第二活性层浆液，并根据轧辊挠度的不同，划分出第一区域、第二区域和第三区域，并将第一活性层浆液涂布在第一区域和第三区域，将第二活性层浆液涂布在第二区域，得到塑性应变不同的活性层。
11.在一种实施方式中，根据式1所示的公式可知，塑性应变与弹性模量、塑性模量、屈服强度有关，因此，可以通过调节不同区域的活性层的弹性模量、塑性模量和屈服强度实现塑性应变的不同，具体地，位于所述第一区域和第三区域的活性层的弹性模量小于位于所述第二区域的活性层的弹性模量，位于所述第一区域和第三区域的活性层的屈服强度大于位于所述第二区域的活性层的屈服强度，位于所述第一区域和第三区域的活性层的硬化模量大于位于所述第二区域的活性层的硬化模量。
12.ε
p
＝σ/e (σ
a
‑
σ)/e
p
‑
σ
a
/e 式1
13.其中，ε
p
为塑性应变，e为弹性模量，e
p
为塑性模量，σ为屈服强度，σ
a
为辊压时的应力。
14.为了兼顾锂离子电池的综合性能，本发明也提供了位于第一区域和第二区域的活性层与位于第二区域的活性层的弹性模量、塑性模量、屈服强度的关系，具体地：
15.位于所述第一区域和第三区域的活性层的弹性模量为e1，位于所述第二区域的活
性层的弹性模量为e2，0.1≤e1：e2＜1；
16.位于所述第一区域和第三区域的活性层的屈服强度为σ1，位于所述第二区域的活性层的屈服强度为σ2，1＜σ1：σ2≤2；
17.位于所述第一区域和第三区域的活性层的硬化模量为ep1，位于所述第二区域的活性层的硬化模量为ep2，1＜ep1：ep2≤5。
18.根据以上内容，本领域技术人员可以合理设置不同区域活性层的材料改变不同区域活性层的塑性应变，本领域技术人员知晓，活性层包括活性物质、粘结剂和导电剂，例如，可以通过改变粘结剂的种类和含量从而改变不同区域活性层的塑性应变，在一种具体实施方式中，可以提高位于第一区域和第二区域的活性层中粘结剂的含量，但粘结剂含量过多会影响活性物质的含量，进而影响锂离子电池的能量密度，因此粘结剂的含量应保持在一定范围内较为适宜，所述粘结剂的质量为所述活性层总质量的0.4
‑
6％，具体地，位于所述第一区域和第三区域的活性层中粘结剂的质量百分数为a1，位于所述第二区域的活性层中粘结剂的质量百分数为a2，a1≥a2，且0.6≤a1≤6％，0.4≤a2≤5.8％；在另一种具体实施方式中，可以调节粘结剂的种类，其中，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚丙烯酸、羧甲基纤维钠、丁苯乳胶、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯中的一种或多种，目前常用的粘结剂为丁苯乳胶sbr和聚丙烯酸paa，可以通过调节paa的含量实现不同区域内活性层塑性应变的不同，具体地，所述活性层包括丁苯乳胶和聚丙烯酸，且所述丁苯乳胶和聚丙烯酸的质量比小于0.5。
19.根据极片的不同，所使用的活性物质也不相同，当极片为正极片时，所述活性物质可以为钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、磷酸铁锰锂、镍锰酸锂中的一种或多种；当极片为负极片时，所述活性物质可以为人造石墨、天然石墨、包覆改性剂的石墨、硅负极、含硅负极材料中的一种或多种；导电剂可依据本领域常规手段进行选择，例如，所述导电剂为导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、导电石墨、导电碳纤维、碳纳米管、金属粉、导电纤维中的一种或多种。
20.在极片制备过程中，首先将活性物质、粘结剂和导电剂按照一定质量比例分散在溶剂中，制备得到不同的活性层浆液，并根据轧辊挠度的不同分别涂布在集流体的至少一个功能表面的不同区域，得到活性层，随后进行辊压得到极片，经发明人研究发现，本发明提供的极片更适用于负极片，因此，本发明也提供了负极活性层中各组分的质量比，具体地，所述极片为负极片时，所述活性层按照质量百分含量包括90
‑
98％的负极活性物质、0.2％
‑
4％的导电剂和0.4％
‑
6％粘结剂，负极活性层浆料的粘度为2000
‑
7000mpa.s，固含量为70％
‑
80％。
21.综上，本发明根据轧辊不同区域挠度的不同，设计对应区域内活性层的塑性应变，有助于弥补辊压造成的极片厚度一致性较差的问题，进而缓解锂离子电池的析锂情况，提高锂离子电池的循环性能。
22.本发明第二方面提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述任一所述的极片。
23.在本发明第一方面提供的极片的基础上，本领域技术人员可根据本领域常规技术手段制备得到锂离子电池，使用本发明提供的极片制备得到的锂离子电池，有助于缓解锂离子电池析锂的情况，提高其循环性能。
24.本发明的实施，至少具有以下优势：
25.1、本发明根据轧辊不同区域挠度的不同，设计对应区域内活性层的塑性应变，有助于弥补辊压造成的极片厚度一致性较差的问题，进而缓解锂离子电池的析锂情况，提高锂离子电池的循环性能。
26.2、使用本发明提供的极片制备得到的锂离子电池，有助于缓解锂离子电池析锂的情况，提高其循环性能。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明一实施例提供的极片辊压示意图；
29.图2为本发明一实施例提供的极片左视图；
30.图3为本发明现有技术中极片辊压后的左视图；
31.图4为本发明又一实施例提供的极片的左视图；
32.图5为本发明又一实施例提供的极片的俯视图；
33.图6为本发明又一实施例提供的极片辊压后的左视图。
34.附图标记说明：
35.100
‑
集流体；
36.200
‑
活性层；
37.201
‑
第一区域；
38.202
‑
第二区域；
39.203
‑
第三区域；
40.300
‑
轧辊。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.实施例1
43.本实施例提供的极片为负极片，包括负极集流体铜箔和设置在负极集流体铜箔两个功能表面的负极活性层，在负极集流体铜箔宽度方向上，分为第一区域、第二区域和第三区域，其中，
44.位于第一区域和第三区域的负极活性层包括96.8质量份的负极活性物质石墨、1.2质量份的导电剂导电剂(super p)和2质量份的粘结剂，粘结剂包括丁苯乳胶(sbr)和聚丙烯酸(paa)，且二者的质量比sbr：paa＝1：9；
45.位于第二区域的负极活性层包括96.8质量份的负极活性物质石墨、1.2质量份的导电剂导电剂(super p)和2质量份的粘结剂，粘结剂包括丁苯乳胶(sbr)和聚丙烯酸
(paa)，且二者的质量比sbr：paa＝1：1。
46.实施例2
47.本实施例提供的极片为负极片，且可参考实施例1，区别在于，位于第一区域和第三区域的负极活性层包括96.3质量份的负极活性物质石墨、1.2质量份的导电剂导电剂(super p)和2.5质量份的粘结剂，粘结剂包括丁苯乳胶(sbr)和聚丙烯酸(paa)，且二者的质量比sbr：paa＝3:7。
48.对比例1
49.本对比例提供的极片为负极片，其包括负极集流体和设置在负极集流体铜箔两个功能表面的负极活性层，负极活性层包括96.8质量份的负极活性物质石墨、1.2质量份的导电剂导电剂(super p)和2质量份的粘结剂，粘结剂包括丁苯乳胶(sbr)和聚丙烯酸(paa)，且二者的质量比sbr：paa＝1：1。
50.对比例2
51.本对比例提供的极片为负极片，可参考实施例1，区别在于，位于第一区域和第三区域的负极活性层包括96.8质量份的负极活性物质石墨、1.2质量份的导电剂导电剂(super p)和2质量份的粘结剂，粘结剂包括丁苯乳胶(sbr)和聚丙烯酸(paa)，且二者的质量比sbr：paa＝9:1。
52.测试实施例1
‑
2以及对比例2提供的负极片中位于第一区域和第三区域活性层的弹性模量、屈服强度和硬化模量，测试对比例1提供的负极片中活性层的弹性模量、屈服强度和硬化模量，其中，弹性模量、屈服强度和硬化模量的测试方法包括：对位于第一区域和第三区域的极片进行多层压缩实验，获得其力
‑
位移曲线，通过复合材料力学理论计算获得应力
‑
应变线，得到弹性模量、屈服强度和硬化模量，测试结果见表1；
53.测试实施例1
‑
2以及对比例1
‑
2提供的负极片经辊压后，负极活性层较薄位置的厚度与较厚位置的厚度的差值δl，测试结果见表1；
54.将实施例1
‑
2和对比例1
‑
2提供的负极片经模切分切后，取第一区域和第三区域的负极片与正极片、隔膜卷绕组装成卷芯，经短路测试合格后依次进行封装、注液、陈化、热压化成后得到锂离子电池，其中，正极片包括正极集流体铝箔和设置在正极集流体铝箔两个功能表面的正极活性层，正极活性层包括96质量份的正极活性物质钴酸锂、2.5质量份的导电剂(super p)和1.5质量份的粘结剂。
55.测试实施例1
‑
2和对比例1
‑
2基础上得到的锂离子电池的能量密度、容量保持率和析锂情况，测试结果件表1，其中：以0.5c充满电，0.5c放电的能量e与电芯体积v的比值为能量密度ed；以4c倍率充电，1c倍率放电进行循环700周后的容量与初始容量的比值为容量保持率；以5.5c充满电，0.5c放电，充放电15次后解剖电芯查看析锂情况。
56.表1实施例1
‑
2和对比例1
‑
2提供的极片和锂离子电池的测试结果
[0057] 实施例1实施例2对比例1对比例2e(mpa)209.7203.8211.2197.4σ(mpa)78.974.469.565ep(mpa)34.533.532.331.6δl(μm)1.20.92.32.2ed(wh/l)570559567566
容量保持率82％87％76％77％析锂情况不析锂不析锂析锂析锂
[0058]
根据表1提供的数据可知，相比于对比例1，实施例1
‑
2提供的极片中位于第一区域和第三区域的活性层的弹性模量降低、屈服强度提高、硬化模量提高，表明位于第一区域和第三区域的活性层的塑性应变降低，可有效降低位于第一区域和第三区域的活性层与位于第二区域的活性层的厚度差δl，进而缓解锂离子电池的析锂情况，提高锂离子电池的容量保持率；根据实施例2提供的数据可知，由于实施例2中位于第一区域和第三区域的活性层中粘结剂含量较高，导致负极活性物质含量降低，使得锂离子电池的能量密度有所降低，因此，本领域技术人员可合理设置活性层中粘结剂的含量；根据对比例2提供的数据，虽然位于第一区域和第三区域的活性层的弹性模量降低，但同时屈服强度和硬化模量也降低，对于锂离子电池的析锂情况并没有改善。
[0059]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。