一种电极片及包括该电极片的锂离子电池的制作方法

1.本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种电极片及包括该电极片的锂离子电池。


背景技术：

2.由于锂离子电池具有能量密度高、可靠性高、加工性好和无环境污染等优点，目前被广泛应用于如智能手机、笔记本、平板电脑等各类便携式电子设备中。随着锂离子电池技术的快速发展，市场及客户对电池性能的要求越来越高，对能量密度要求也越来越高。因此提升能量密度和降低成本是锂离子电池行业的重要目标，增加极片活性物质载量，不但能提升能量密度，还可以减少正负极集流体及隔膜用量，达到降低成本的目的；但厚极片也带来了一系列问题：电解液难以渗透到集流体附近的活性物质。电解液不易浸透到深处，深处的活性物质就无法进行充分的电化学反应，进而影响电池的温升、倍率性能、循环寿命特性等。
3.为了提升电池的能量密度，不管3c还是动力电池，均希望可以采用厚极片进行生产，既可以提高电池的能量密度，又可以减少箔材的使用，减低成本。采用厚极片也会带来一系列的问题，电池极化大，电池极片较厚，锂离子扩散的路径增加，极片厚度方向会产生很大的锂离子浓度梯度，且极片压实密度增大，孔隙变得更小，极片厚度方向锂离子运动的路径更长，另外材料与电解液之间接触面积减小，电解液浸润困难，电极反应场所减少，电池内阻也会增大，进而引起电池温升高、倍率性能差、循环性能差等问题。
4.为解决这一问题，现常在极片辊压后，采用激光刻蚀的方法在极片表面进行造孔，可以有效提高电解液的浸透问题。但在辊压后进行激光造孔，不仅浪费产能，增加成本，在生产过程由于极片涂膏厚度不确定，会出现激光打穿集流体的现象，带来电芯安全风险。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种电极片及包括该电极片的锂离子电池，通过本发明的电极片，既提高电极片的孔隙率，又解决了电极片表面造孔难的问题。所述电极片特别的是一种厚极片，具有高的孔隙率，从而提升极片表面的电解液的浸润，缩短锂离子的迁移距离，降低极化，有效提高极片的倍率性能。
6.本发明提供一种电极片，所述电极片包括集流体和位于集流体至少一侧表面的活性物质层，所述活性物质层上设置有至少一个开槽，所述开槽的宽度为15μm～1500μm；所述开槽的深度小于等于活性物质层的厚度。
7.根据本发明的实施方案，所述活性物质层的厚度大于等于100μm。
8.根据本发明的实施方案，所述活性物质层上设置有若干所述开槽，若干所述开槽沿所述集流体长度方向间隔设置。示例性的，任意相邻的两个开槽间的间距相同，每个所述开槽的宽度和深度均相同。示例性的，任意相邻的两个开槽之间的最短距离为2mm～100mm。
9.根据本发明的实施方案，所述开槽的深度例如为50μm～400μm，所述活性物质层的
厚度大于等于所述开槽的深度。
10.根据本发明的实施方案，所述活性物质层经辊压后，在所述开槽上形成孔隙，所述孔隙的宽度为3μm～1200μm，孔隙的深度为30μm～400μm。
11.本发明还提供一种刀垫，所述刀垫用于制备上述的电极片，所述刀垫与所述电极片接触的一侧设置有梳型结构，所述梳型结构包括至少一个梳齿，所述梳齿的高度与所述开槽的高度相同。
12.根据本发明的实施方案，所述梳齿的宽度与所述开槽的宽度相同；所述梳齿的宽度的取值为15μm～1500μm。
13.根据本发明的实施方案，所述“梳型”结构包括多个梳齿，相邻两个所述梳齿的间距与电极片中相邻两个开槽之间的最短距离相同；所述梳齿的间距a的取值为2mm～100mm。
14.本发明还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池含有正极片和负极片，正极片和负极片中的至少一个选自上述电极片。
15.本发明的有益效果是：
16.通过本发明制备得到的电极片，增加了电极片孔隙率，将其用于电芯组装生产时，可提高电解液在电极片上的浸透性，同时提高集流体附近活性物质的利用率，从而提高电芯的倍率性能和循环性能。
17.通过本发明制备的电极片，不仅节约产能、降低生产成本，最重要的是，采用本发明的制备方法对电极片表面进行造孔，不会影响集流体的厚度，极大提高了电芯的安全性。
附图说明
18.图1为本发明的电极片的示意图；
19.图2为本发明的刀垫的示意图；
20.图3为本发明的刀垫的倒角示意图。
具体实施方式
21.如前所述，本发明提供一种电极片，所述电极片包括集流体和位于所述集流体至少一侧表面的活性物质层，所述活性物质层上设置有至少一个开槽，所述开槽的宽度为15μm～1500μm；所述开槽的深度小于等于活性物质层的厚度。
22.如图1所示为本发明提供的电极片的示意图。
23.本发明在电极片的活性物质层上设置了开槽，所述开槽可增大电极片的孔隙，电解液通过所述开槽渗透到靠近集流体的活性物质，提高电解液的浸透性；另外，还缩短锂离子的迁移距离，降低极化，有效提高极片的倍率性能。
24.根据本发明的实施方案，活性物质层的厚度大于等于50μm，例如，所述活性物质层的厚度大于等于100μm；例如为50μm～500μm，还例如为100μm～500μm。
25.根据本发明的实施方案，所述开槽可以沿所述集流体长度方向或宽度方向间隔设置，所述开槽优选为沿所述集流体长度方向间隔设置。
26.根据本发明的实施方案，所述活性物质层上设置有若干所述开槽，若干所述开槽沿所述集流体长度方向间隔设置。
27.根据本发明的实施方案，所述开槽的深度例如为50μm～400μm，所述活性物质层的
厚度大于等于所述开槽的深度。
28.根据本发明的实施方案，所述开槽的长度小于等于活性物质层的长度。优选地，当所述开槽沿所述集流体长度方向间隔设置时，所述开槽的长度与活性物质层的长度基本上相同。优选地，当所述开槽沿所述集流体宽度方向间隔设置时，所述开槽的长度小于活性物质层的长度，同时小于活性物质层的宽度。
29.根据本发明的实施方案，所述活性物质层上设置有若干所述开槽，任意两个开槽的宽度或开槽的深度可以相同或不相同，可根据电极片的性能要求调整，只要在上述数值范围内即可，优选为相同。示例性的，每个所述开槽的宽度和深度均相同。
30.根据本发明的实施方案，所述活性物质层上设置有若干所述开槽，任意两个相邻的开槽之间的最短距离可以相同或不同，例如为相同，如图1所示。
31.在本发明的一个具体实施方式中，所述活性物质层上设置有若干所述开槽，任意相邻两个开槽之间的最短距离为2-100mm。
32.示例性的，任意相邻的两个开槽间的间距相同、即相邻两个开槽平行设置，二者之间的最短距离为2mm～100mm。
33.在本发明的一个具体实施方式中，任意相邻的两个开槽间的间距相同，每个所述开槽的宽度和深度均相同。
34.在本发明的另一个具体实施方式中，任意相邻的两个开槽间的间距相同，每个所述开槽的宽度和深度均不相同。
35.根据本发明的实施方案，所述开槽如图1所示。
36.在本发明的一个具体实施方式中，所述活性物质层含有活性物质。
37.根据本发明的实施方案，所述活性物质选自正极活性材料。示例性地，所述正极活性材料选自钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钒的氧化物或三元材料中的至少一种。
38.根据本发明的实施方案，所述活性物质选自负极活性材料。示例性地，所述负极活性材料选自碳负极材料、锡基负极材料、硅基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料、合金类负极材料或纳米级负极材料中的至少一种。
39.本发明还提供一种上述电极片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
40.1)准备电极浆料；
41.2)通过刀垫将电极浆料涂布在集流体上，所述刀垫与集流体接触的一侧设有“梳型”结构，电极浆料通过所述刀垫上的“梳型”结构，在集流体上形成间隙，烘干后形成活性物质层，所述间隙形成所述开槽。
42.根据本发明的实施方案，所述方法进一步包括以下步骤：
43.3)辊压，得到所述电极片。
44.通过本发明的方法，在活性物质层上设置了开槽，所述开槽可增大电极片的孔隙，电解液通过所述开槽渗透到靠近集流体的活性物质，提高电解液的浸透性；另外，所述活性物质层经辊压后，在所述开槽上形成孔隙，电解液可通过所述孔隙进入开槽内，加快电极片的浸润效果。
45.根据本发明的实施方案，所述活性物质层经辊压后，在所述开槽上形成孔隙，所述孔隙的宽度为3μm～1200μm，孔隙的深度为30μm～400μm。
46.根据本发明的实施方案，辊压后，所述电极片的孔隙率为16～50％。
47.在本发明的一个具体实施方式中，所述开槽通过如下方法得到：通过刀垫将电极浆料涂布在集流体上，所述刀垫与集流体接触的一侧设有“梳型”结构，电极浆料通过所述刀垫上的“梳型”结构，在集流体上形成间隙，烘干后形成活性物质层，所述间隙形成所述开槽。所述开槽可增大电极片的孔隙，电解液通过所述开槽渗透到靠近集流体的活性物质，提高电解液的浸透性。
48.在本发明的一个具体实施方式中，所述活性物质层经辊压后，在所述开槽上形成孔隙，电解液可通过所述孔隙进入开槽内，加快电极片的浸润效果。
49.优选地，所述孔隙的宽度为3μm～1200μm，孔隙的深度为30μm～400μm。
50.优选地，辊压后，所述电极片的孔隙率为16～50％。
51.本发明还提供一种刀垫，所述刀垫用于制备上述电极片或通过上述制备方法制备电极片，所述刀垫与所述电极片接触的一侧设置有“梳型”结构，所述“梳型”结构包括至少一个梳齿，所述梳齿的高度与上述电极片中所述开槽的高度相同。
52.根据本发明的实施方案，所述梳齿的宽度与上述电极片中所述开槽的宽度相同，例如所述梳齿的宽度为b，b的取值为15μm～1500μm。优选地，任意两个梳齿的宽度可以相同或不相同，优选为相同。
53.根据本发明的实施方案，所述梳齿的高度与上述电极片中所述开槽的深度相同，例如为50μm～400μm。优选地，任意两个梳齿的高度可以相同或不相同，优选为相同。
54.根据本发明的实施方案，所述梳齿的高度与上述电极片中所述开槽的宽度相同，例如b的取值为15μm～1500μm。优选地，所述梳齿的宽度可以相同或不相同，优选为相同。
55.示例性地，所述刀垫的结构如图2所示，其中，任意两个相邻梳齿的宽度相同，所述梳齿的高度相同。
56.在本发明的一个具体实施方式中，所述“梳型”结构包括多个梳齿，相邻两个所述梳齿的间距与上述电极片中相邻两个所述开槽之间的最短距离相同。示例性地，所述梳齿的间距a的取值为2mm～100mm。
57.根据本发明的实施方案，相邻两个所述梳齿的间距可以相同或不相同不等间距进行分布，可根据电极片要求调整，只要能得到所述刀垫均可，优选为相同。
58.根据本发明的实施方案，所述梳齿可以为直角或倒角结构。优选地，所述倒角选自长方形、正方形及圆弧形。进一步优选地，所述倒角的高度为c，所述倒角的宽度为d，其中，c取值为0～1000μm，d取值为0～1000μm。
59.示例性地，本发明提供具有如下结构的刀垫：
60.刀垫1：所述梳齿的宽度b为15μm，高度为110μm～150μm；所述梳齿的间距a的取值为2mm；所述梳齿的倒角高度c为500μm，倒角宽度d为500μm；
61.刀垫2：所述梳齿的宽度b为80μm，高度为110μm～150μm；所述梳齿的间距a的取值为10mm；所述梳齿的倒角高度c为500μm，倒角宽度d为500μm；
62.刀垫3：所述梳齿的宽度b为1500μm，高度为110μm～150μm；所述梳齿的间距a的取值为100mm；所述梳齿的倒角高度c为500μm，倒角宽度d为500μm。
63.本发明还提供上述电极片在锂离子电池中的应用。如图2所示为本发明提供的一种刀垫，所述刀垫用于制备如图1所示的电极片。
64.本发明还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池含有正极片和负极片，正极片和
负极片中的至少一个选自上述电极片。
65.在本发明的一个具体实施方式中，所述锂离子电池的正极片选自上述电极片。
66.在本发明的一个具体实施方式中，所述锂离子电池的负极片选自上述电极片。
67.在本发明的一个具体实施方式中，所述锂离子电池的负极片和正极片均选自上述电极片。
68.下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
69.除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
70.制备例1
71.1、正极浆料的制备：
72.将97g正极活性物质钴酸锂、2g导电剂导电炭黑、1g粘结剂进行混合，加入50gn-甲基吡咯烷酮(nmp)，在真空搅拌机作用下搅拌，直至混合体系成均一流动性的正极浆料。
73.2、正极片的制备:
74.正极片1：将正极浆料通过常规刀垫1均匀涂覆于厚度为10μm的铝箔上；烘烤后，将该极片进行辊压，分切得到正极片1；所述常规刀垫1不具有上述梳齿结构，厚度为0.8mm。
75.正极片2：将正极浆料通过常规刀垫2均匀涂覆于厚度为10μm的铝箔上；烘烤后，将该极片进行辊压，分切得到正极片2；所述常规刀垫2不具有上述梳齿结构，厚度为1.2mm。
76.正极片3：将正极浆料通过上述刀垫1均匀涂覆于厚度为10μm的铝箔上；烘烤后，将该极片进行辊压，分切得到正极片3；
77.正极片4：将正极浆料通过上述刀垫2均匀涂覆于厚度为10μm的铝箔上；烘烤后，将该极片进行辊压，分切得到正极片4；
78.正极片5：将正极浆料通过上述刀垫3均匀涂覆于厚度为10μm的铝箔上；烘烤后，将该极片进行辊压，分切得到正极片5。
79.制备例2
80.1、负极浆料的制备：
81.将96.9g石墨、0.5g导电剂sp、1.3g粘结剂羧甲基纤维素钠(cmc)、1.3g粘结剂丁苯橡胶(sbr)、150g去离子水，以湿法工艺制成负极浆料。
82.2、负极片的制备：
83.负极片1：将负极浆料通过常规刀垫1(不具有上述梳齿结构，厚度为0.8mm)均匀涂覆于厚度为6μm的铜箔上；烘烤后，将该极片进行辊压，分切得到负极片1
84.负极片2：将负极浆料通过常规刀垫2(不具有上述梳齿结构，厚度为1.2mm)均匀涂覆于厚度为6μm的铜箔上；烘烤后，将该极片进行辊压，分切得到负极片1；
85.负极片3：将负极浆料通过上述刀垫1均匀涂覆于厚度为6μm的铜箔上；烘烤后，将该极片进行辊压，分切得到负极片3；
86.负极片4：将负极浆料通过上述刀垫2均匀涂覆于厚度为6μm的铜箔上；烘烤后，将该极片进行辊压，分切得到负极片4；
87.负极片5：将负极浆料通过上述刀垫3均匀涂覆于厚度为6μm的铜箔上；烘烤后，将
该极片进行辊压，分切得到负极片5。
88.正极片1的单面涂布厚度为75μm，正极片2-5的单面涂布厚度均为110μm，负极片1的单面涂布厚度为100μm，负极片2-5的单面涂布厚度均为150μm。
89.对比例1
90.将正极片1、负极片1及隔膜等按照已知方法进行卷绕，采用铝塑膜进行包装，烘烤去除水分后注入电解液，采用热压化成工艺，化成即可得到电芯。
91.对比例2
92.将正极片2、负极片2及隔膜等按照已知方法进行卷绕，采用铝塑膜进行包装，烘烤去除水分后注入电解液，采用热压化成工艺，化成即可得到电芯。
93.实施例1
94.将正极片3、负极片3及隔膜等进行卷绕，采用铝塑膜进行包装，烘烤去除水分后注入电解液，采用热压化成工艺，化成即可得到电芯。
95.实施例2
96.将正极片4、负极片4及隔膜等进行卷绕，采用铝塑膜进行包装，烘烤去除水分后注入电解液，采用热压化成工艺，化成即可得到电芯。
97.实施例3
98.将正极片5、负极片5及隔膜等进行卷绕，采用铝塑膜进行包装，烘烤去除水分后注入电解液，采用热压化成工艺，化成即可得到电芯。
99.测试例1
100.极片的孔隙率：
101.将正极片1-5和负极片1-5分别平铺在玻璃桌面上，裁切成尺寸为60mm*1000mm，并用万分尺测量正、负极片的厚度，算出各极片体积v1；然后将电极片放入测试设备中，开启气体阀，通入氦气，测试极片的真体积v2；根据如下公式计算极片的孔隙率：孔隙率＝(v1-v2)/v1*100％，测试结果如表1所示。
102.表1极片的孔隙率测试结果
103.项目刀垫a值刀垫b值极片孔隙率正极片1//15.26％正极片2//15.28％正极片32mm15μm16.23％正极片410mm80μm22.56％.正极片5100mm1500μm27.89％负极片1//28.12％负极片2//28.12％负极片32mm15μm29.76％负极片410mm80μm38.67％负极片5100mm1500μm47.68％
104.根据表1结果可知，采用本发明的刀垫涂布浆料在集流体表面得到含有活性物质层的电极片，活性物质层上设置了开槽，在辊压时活性物质层受到压力，颗粒横向延展，当刀垫的a和/或b值过小时，横向延展的颗粒将开槽的孔隙填平，电极片的孔隙率没有明显改
善。当采用刀垫的a和/或b值较大时，电极片的孔隙虽然得到极大改善，但由于开槽的间隙过大，电极片表面甚至会露出部分集流体，同时，当开槽的间隙过大时，会造成辊压时受力不均，易出现电极片拉断、褶皱等问题。由于活性物质层上开槽的深度、宽度和间距等与刀垫的a、b值呈正相关，所以在生产时需要根据对电极片的孔隙率需求，合理设计刀垫的a、b值，例如，当刀垫的a的取值为2mm-100mm、b的取值为15μm-1500μm时，电极片的孔隙率在16-50％之间，可以满足生产需要。
105.测试例2
106.电芯性能测试：将实施例1-3和对比例1-2的电芯分别进行倍率充电性能测试和倍率放电性能测试，具体方法如下：
107.(1)倍率充电性能测试：
108.取上述电芯在25
±
5℃温度下进行充电性能测试，测试过程如下：
109.1、静置10min；
110.2、0.2c放电至下限电压3.0v；
111.3、静置10min；
112.4、一定的倍率充电(0.2c、0.5c、1c、1.5c或2c)，截止电流0.05c；其中，记录恒流充电容量q1，总充电容量q2；
113.5、静置10min；
114.6、恒温环境，0.2c放电至下限电压3.0v；
115.7、静置10min。
116.8、根据如下公式计算恒流充入比：恒流充入比＝恒流充电容量q1/总充电容量q2*100％，结果如表2所示。
117.表2电芯的恒流充入比结果
118.充电倍率实施例1实施例2实施例3对比例1对比例20.2c91.18％94.37％94.47％94.40％90.66％0.5c81.56％86.20％87.12％86.89％80.72％1.0c61.27％75.43％76.53％76.12％60.66％1.5c42.76％65.46％66.76％66.34％40.98％2.0c26.23％52.91％56.89％56.35％24.77％
119.(2)倍率放电性能测试：
120.取上述充电后的电芯，在25
±
5℃温度下进行放电性能测试，测试过程如下：
121.1、静置10min；
122.2、0.2c放电至下限电压3.0v；
123.3、静置10min；
124.4、0.7c充满，截止电流0.05c；
125.5、静置10min；
126.6、恒温环境，一定的倍率(0.2c、0.5c、1c、1.5c、2c、3c)放电至下限电压3.0v；记录恒流放电容量值；
127.7、静置10min；
128.8、计算容量保持率，容量保持率定义为某一倍率下的放电容量与0.2c放电的容量
的比值，其中，某一倍率下的放电容量是指0.5c、1c、1.5c、2c或3c放电条件下的放电容量值，分别记为0.5c/0.2c，1.0c/0.2c，1.5c/0.2c，2c/0.2c，3c/0.2c，结果如表3所示。
129.表3电芯的容量保持率测试结果
130.项目实施例1实施例2实施例3对比例1对比例20.5c/0.2c92.48％99.26％99.54％99.37％90.87％1c/0.2c87.28％97.13％97.23％97.23％86.23％1.5c/0.2c73.54％94.02％95.34％94.49％71.49％2c/0.2c58.02％90.18％92.31％91.45％55.45％3c/0.2c41.39％78.10％80.09％80.01％38.01％
131.从表2和表3中可以看出，对于厚的电极片(例如活性物质层的厚度为100-500μm)，通过本发明的方法在其表面的活性物质层上通过本发明的方法设置开槽增加孔隙率，可以提升电极片表面活性物质层的电解液的浸润，缩短锂离子的迁移距离，降低极化，有效提高电极片的倍率性能。而当电极片表面开槽较小、电极片的孔隙率较低时(如孔隙率低于16％)，改善效果并不明显。
132.测试例3
133.能量密度测试：
134.将实施例1-3和对比例1-2的电芯用600g ppg测厚仪测试电芯的厚度(单位mm)，以电池的型号确定长度和宽度(单位mm)，实施例1-3和对比例1-2的电池长度和宽度尺寸均相同，具体为：长度82.8mm和宽度61.8mm，视为固定值，电池厚度根据极片厚度的不同而变化；对比例1中，电芯厚度为3.88mm；实施例1-3和对比例2中，电芯厚度分别为3.71mm。能量密度的计算公式如下：能量密度(energy density，ed，单位wh/l)＝(分选放电能量值(wh)/电芯厚度/电池长度/电池宽度)*106，测试结果如表4所示。
135.表4电芯的能量密度测试结果
[0136] 能量密度wh/l对比例1699.8对比例2733.4实施例1732.4实施例2730.2实施例3725.6
[0137]
当采用常规面密度进行涂布时，如对比例1中的正极片单面涂覆厚度为75μm，负极片单面涂覆的厚度为100μm，虽电芯性能可以满足设计要求，但电芯的能量密度为699.8wh/l，而对比例2中采用常规刀垫制备得到的厚电极片，能满足设计要求，但其孔隙率低，电芯电性能较差。而实施例1-3采用本发明的方法制备得到的厚极片，将其用于制备电芯时，虽然电芯的能量密度较对比例2有所降低，但其能量密度较对比例1有了极大的提高，且电芯电性能表现优异。
[0138]
以上对本发明示例性的实施方式进行了说明。但是，本技术的保护范围不拘囿于上述实施方式。本领域技术人员在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。