极片制备模具、电池极片和电池的制作方法

1.本技术涉及电池工艺技术领域，特别是涉及一种极片制备模具、电池极片和电池。


背景技术：

2.锂离子电池由于高电压和高能量密度的优势得到了广泛的认可，目前主要应用在数码产品及电动汽车领域。在电池中，锂离子在放电过程中从负极移动到正极，在充电过程中返回。传统电池中，集流体占电芯总重量的比例较大，使得电芯重量能量密度无法实现大的突破。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对传统电池的流体占电芯总重量的比例较大，使得电芯重量能量密度无法实现大的突破的问题，提供一种极片制备模具、电池极片和电池，能达到提高电芯重量能量密度的效果。
4.本技术第一方面提供一种极片制备模具，包括模具本体以及抹平板，抹平板可拆卸设置于模具本体。抹平板对放置于模具本体内的极片中间体进行抹平处理。模具本体设置有造孔器件，造孔器件用于插入模具本体，对放置于模具本体内的极片中间体进行造孔。
5.上述极片制备模具，在抹平板对放置于模具本体内的极片中间体进行抹平处理后，利用造孔器件插入模具本体，对放置于模具本体内的极片中间体进行造孔，得到多孔结构的电池极片，改善电池的电解液浸润及倍率性能，从而能够增加极片厚度制备多孔超厚极片，达到减小或取消集流体，提高电芯重量能量密度的目的。
6.在其中一个实施例中，造孔器件为造孔针。采用造孔针可以更方便的穿透极片中间体进行造孔。
7.在其中一个实施例中，模具本体包括造孔板以及侧板，造孔板与抹平板相对设置，且通过侧板与抹平板固定。采用造孔板以及侧板组成模具本体，方便进行组装。
8.在其中一个实施例中，造孔板和侧板均开设有用于造孔器件穿过的通孔。方便从不同方向插入造孔器件对模具本体内部的极片中间体进行造孔。
9.在其中一个实施例中，通孔等间隔阵列排布设置于造孔板和侧板，方便进行造孔操作，也可以使得极片中间体上生成的孔洞更均匀。
10.在其中一个实施例中，造孔器件穿过造孔板的通孔在极片中间体形成的孔，与造孔器件穿过侧板的通孔在极片中间体形成的孔相错开。可以使得极片更牢固，同时保证有更多的孔洞。
11.在其中一个实施例中，极片制备模具为长方体结构，且相对的两个侧板均开设有通孔。方便造孔器件从一侧侧板穿入模具本体，并从另一侧侧板穿出，以使得模具本体内的极片中间体形成的孔洞尺寸一致。
12.本技术第二方面提供一种电池极片，包括集流体和极片中间体，极片中间体为通过上述的极片制备模具制备得到的多孔结构。
13.上述电池极片，在抹平板对放置于模具本体内的极片中间体进行抹平处理后，利用造孔器件插入模具本体，对放置于模具本体内的极片中间体进行造孔，得到多孔结构的电池极片，改善电池的电解液浸润及倍率性能，从而能够增加极片厚度制备多孔超厚极片，达到减小或取消集流体，提高电芯重量能量密度的目的。
14.在其中一个实施例中，极片中间体的孔径小于或等于3微米；和/或极片中间体的孔径占极片中间体体积的8％以下。可以保证当下体积能量密度的条件下提升重量能量密度。
15.本技术第三方面提供一种电池，包括正极极片、隔离膜和负极极片，正极极片为上述的电池极片，和/或负极极片为上述的电池极片。
16.上述电池，在抹平板对放置于模具本体内的极片中间体进行抹平处理后，利用造孔器件插入模具本体，对放置于模具本体内的极片中间体进行造孔，得到多孔结构的电池极片，改善电池的电解液浸润及倍率性能，从而能够增加极片厚度制备多孔超厚极片，达到减小或取消集流体，提高电芯重量能量密度的目的。
附图说明
17.通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：
18.图1为一实施例中极片制备模具的结构示意图；
19.图2为一实施例中多孔结构极片中间体的结构示意图。
20.标记说明：
21.110-模具本体；120-造孔器件。
具体实施方式
22.下面将结合附图对本技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本技术的保护范围。
23.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术；本技术的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
24.在本技术实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本技术实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
25.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
26.在本技术实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表
示可以存在三种关系，例如a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
27.在本技术实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上(包括两个)，同理，“多组”指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)。
28.在本技术实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术实施例的限制。
29.在本技术实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术实施例中的具体含义。
30.能源资源的枯竭导致新能源存储设备的重大发展。锂离子电池具有高能量密度、高容量、良好的循环稳定性和环保特性，因而备受关注。但现在设计电芯时，为提高电芯倍率性能，一般将电芯极片正极做到100-180μm；阳极极片做到120-160μm，集流体厚度虽然一直致力于薄基材开发，但现有可量产基材仍旧为阳极6μm，阴极13μm，集流体所占电芯总重量的10％-15％，使得电芯重量能量密度无法实现大的突破。
31.现有的锂离子电池厚极片，包括集流体和电极材料层，集流体表面设置有凸起，电极材料层覆盖集流体表面设置有凸起的区域。同时，通过在电极材料浆料中加入一定比例的固体电解质和聚环氧乙烷，增加极片的离子电导性能。然而，现有的锂离子电池厚极片只是在极片上造凸起，没有将电极做厚，没有达到取消或减少集流体的目的。在电极极片造凸起仅仅是为改善电解液浸润，并未达到突破能量密度的目的，且造凸后电极极片厚度增加，还减小电芯的体积能量密度。基于此，本技术提供了一种多孔极片设计及多孔电池制备方案，将电芯极片制备成超厚电极，为改善电解液浸润及倍率性能，将电极做成多孔电极，达到减小或取消集流体，提高电极重量能量密度的目的。
32.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种极片制备模具，包括模具本体110以及抹平板，抹平板可拆卸设置于模具本体110。抹平板对放置于模具本体110内的极片中间体进行抹平处理；模具本体110设置有造孔器件120，造孔器件120用于插入模具本体110，对放置于模具本体110内的极片中间体进行造孔。
33.其中，抹平板可采用可拆卸的钢板，抹平板可以是通过滑动或转动的方式，与模具本体110可拆卸卡合固定。模具本体110的一个或多个面上设置有通孔，以便造孔器件120穿过通孔对模具本体110内部的极片中间体进行造孔。在需要进行极片中间体造孔时，先移除抹平板，将团状的极片中间体放入模具本体110后合上抹平板，利用抹平板将极片中间体抹平并结合模具本体110使极片中间体定型。在造孔操作时，可将抹平板朝下来放置极片制备模具，然后将造孔器件120穿过通孔对模具本体110内部的极片中间体进行造孔，得到多孔结构的极片中间体，改善电池的电解液浸润及倍率性能，可在传统的极片中间体尺寸基础上增加极片厚度制备多孔超厚极片，达到减小或取消集流体，提高电芯重量能量密度的目
的。
34.造孔器件120的具体结构并不是唯一的，在一个实施例中，造孔器件120为造孔针。造孔针可设计为中间直径相同，一端或两端为针尖的结构。采用造孔针可以更方便的穿透极片中间体进行造孔。其中，造孔针可以是采用钢针，也可以是采用其他材质，只要是具有足够硬度、能穿透极片中间体的材质均可。
35.进一步地，极片中间体可以是采用活性材料 黏合剂 导电剂物理混合均匀制备得到，其中黏合剂为含量5％的nmp(n-甲基吡咯烷酮)溶液。活性材料 黏合剂 导电剂的比例可以是采用96：1：3，或采用80-95：1-20：2-20。模具本体110和抹平板的厚度可设计为3mm-50mm，避免模具过厚不便于造孔，也避免模具过薄而影响模具的牢固性。可以理解，定型造孔后的极片中间体的形状和尺寸由模具本体110的结构决定，因此可根据实际需求对模具本体110的结构进行设计，例如将模具本体110做成长方体形状，并设计好模具本体110的长、宽和高的具体尺寸，在完成极片中间体造孔后，便得到与模具本体110的尺寸匹配的多孔结构的极片中间体。
36.上述极片制备模具，在抹平板对放置于模具本体110内的极片中间体进行抹平处理后，利用造孔器件120插入模具本体110，对放置于模具本体110内的极片中间体进行造孔，得到多孔结构的电池极片，改善电池的电解液浸润及倍率性能，从而能够增加极片厚度制备多孔超厚极片，达到减小或取消集流体，提高电芯重量能量密度的目的。
37.在一个实施例中，模具本体110包括造孔板以及侧板，造孔板与抹平板相对设置，且通过侧板与抹平板固定。采用造孔板以及侧板组成模具本体，方便进行组装。具体地，在造孔时将抹平板作为底板朝下放置，则造孔板作为顶板，造孔板上设置的通孔用作造孔器件120穿过模具本体110对内部的极片中间体进行造孔。造孔板与侧板可以是一体成型，也可以是可拆卸固定。此外，在模具本体110的侧板上也可以设置通孔，方便从不同方向插入造孔器件120对模具本体110内部的极片中间体进行造孔。
38.在一个实施例中，造孔板和侧板均开设有用于造孔器件穿过的通孔。造孔板和侧板上设置的通孔排列方式并不唯一，本实施例中，通孔等间隔阵列排布设置于造孔板和侧板。在造孔板和侧板均等间隔阵列规律排布通孔，方便进行造孔操作，也可以使得极片中间体上生成的孔洞更均匀。以造孔器件120采用造孔针为例，造孔板和侧板上设置的通孔直径可以是等于或略大于造孔针的最大直径，以方便造孔针穿过。
39.进一步地，造孔器件120穿过造孔板的通孔在极片中间体形成的孔，与造孔器件120穿过侧板的通孔在极片中间体形成的孔相错开。从模具本体110不同面上插入的造孔器件120在极片中间体上的造孔是相错开，可以使得极片更牢固，同时保证有更多的孔洞。
40.在一个实施例中，极片制备模具为长方体结构，且相对的两个侧板均开设有通孔。具体地，同样以造孔器件120采用造孔针为例，在模具本体110的相对两个侧板均设置通孔，方便造孔针的针尖从一侧侧板穿入模具本体110，并从另一侧侧板穿出，以使得模具本体110内的极片中间体形成的孔洞尺寸一致。具体地，如图2所示，可利用造孔针对极片中间体造成形成孔径1μm-10μm的圆形孔洞。本实施例中，极片中间体的孔径小于或等于3微米。进一步地，极片中间体的孔径占极片中间体体积的8％以下，可以保证当下体积能量密度的条件下提升重量能量密度。
41.在一个实施例中，还提供了一种电池极片，包括集流体和极片中间体，极片中间体
为通过上述的极片制备模具制备得到的多孔结构。其中，集流体可通过sp(饱和聚酯)粘结剂与极片中间体粘结。进一步地，极片中间体上还可设置有凹版，方便更好的与极片中间体固定。此外，集流体还可增加有垂直方向的导电丝，以改善电子电导性能，导电丝可以是铝丝/铜丝。
42.具体地，在一个实施例中，如图1所示，极片制备模具包括模具本体110以及抹平板，抹平板可拆卸设置于模具本体110。抹平板对放置于模具本体110内的极片中间体进行抹平处理；模具本体110设置有造孔器件120，造孔器件120用于插入模具本体110，对放置于模具本体110内的极片中间体进行造孔。抹平板可采用可拆卸的钢板，抹平板可以是通过滑动或转动的方式，与模具本体110可拆卸卡合固定。模具本体110的一个或多个面上设置有通孔，用作造孔器件穿过通孔对模具本体110内部的极片中间体进行造孔。
43.在需要进行极片中间体造孔时，先移除抹平板，将团状的极片中间体放入模具本体110后合上抹平板，利用抹平板将极片中间体抹平并结合模具本体110使极片中间体定型。在造孔操作时，可将抹平板朝下来放置极片制备模具，然后将造孔器件120穿过通孔对模具本体110内部的极片中间体进行造孔，得到多孔结构的极片中间体，改善电池的电解液浸润及倍率性能，可在传统的极片中间体尺寸基础上增加极片厚度制备多孔超厚极片，达到减小或取消集流体，提高电芯重量能量密度的目的。
44.在一个实施例中，造孔器件120为造孔针。造孔针可设计为中间直径相同，一端或两端为针尖的结构。采用造孔针可以更方便的穿透极片中间体进行造孔。极片中间体可以是采用活性材料 黏合剂 导电剂物理混合均匀制备得到，其中黏合剂为含量5％的nmp(n-甲基吡咯烷酮)溶液。活性材料 黏合剂 导电剂的比例可以是采用96：1：3，或采用80-95：1-20：2-20。模具本体110和抹平板的厚度可设计为3mm-50mm，避免模具过厚不便于造孔，也避免模具过薄而影响模具的牢固性。
45.在一个实施例中，模具本体110包括造孔板以及侧板，造孔板与抹平板相对设置，且通过侧板与抹平板固定。具体地，在造孔时将抹平板作为底板朝下放置，则造孔板作为顶板，造孔板设置的通孔用作造孔针穿过模具本体110对内部的极片中间体进行造孔。造孔板与侧板可以是一体成型，也可以是可拆卸固定。此外，侧板上也可以是设置通孔，方便从不同方向插入造孔针对模具本体110内部的极片中间体进行造孔。
46.在一个实施例中，造孔板和侧板均开设有用于造孔器件穿过的通孔。通孔等间隔阵列排布设置于造孔板和侧板。在造孔板和侧板均等间隔阵列规律排布通孔，方便进行造孔操作，也可以使得极片中间体上生成的孔洞更均匀。造孔板和侧板上设置的通孔直径可以是等于或略大于造孔针的最大直径，以方便造孔针穿过。进一步地，造孔针穿过造孔板的通孔在极片中间体形成的孔，与造孔针穿过侧板的通孔在极片中间体形成的孔相错开。从模具本体110不同面上插入的造孔针在极片中间体上的造孔是相错开，可以使得极片更牢固，同时保证更多的孔洞。
47.在一个实施例中，极片制备模具为长方体结构，且相对的两个侧板均开设有通孔。在模具本体110的相对两个侧板均设置通孔，方便造孔针的针尖从一侧侧板穿入模具本体110，并从另一侧侧板穿出，以使得模具本体110内的极片中间体形成的孔洞尺寸一致。具体地，如图2所示，可利用造孔针对极片中间体造成形成孔径1μm-10μm的圆形孔洞。在一个实施例中，极片中间体的孔径小于或等于3微米；和/或极片中间体的孔径占极片中间体体积
的8％以下，可以保证当下体积能量密度的条件下提升重量能量密度。
48.在一个实施例中，还提供了一种电池，包括正极极片、隔离膜和负极极片，正极极片为上述的电池极片，和/或负极极片为上述的电池极片。其中，电池具体为锂电池，此外，电池还可包括极耳和封装壳，封装壳可采用铝壳。
49.为便于更好地理解上述极片制备模具、电池极片和电池，下面结合电池极片和电池的制备实施例进行详细的解释说明。
50.实施例1
51.1.将活性材料 binder(黏合剂) 导电剂按照96：1：3的比例物理混合均匀，其中binder为含量5％的nmp(n-甲基吡咯烷酮)溶液，用少量异丙醇溶液作为分散剂连续搅拌，至半干状态，最后得到面团状态的极片中间体。
52.2.将第一步得到的中间体放入制作好的模具中，模具厚度为3mm-50mm，如图1，模具侧面具有排列密集且规律的穿孔钢针，钢针孔径在1-10μm，模具上表面也装配有规律性排布密集的钢针，极片中间体放入模具后，侧面钢针插入造孔，造孔后撤出钢针；上表面钢针插入造孔，造孔后撤出钢针。下表面为集流体装配区域，其中，为保证集流体与极片表面接触紧密，集流体上部有涂覆粘结剂与sp(饱和聚酯)的凹版，如图2为造孔后的多孔电极片。将集流体与极片粘结在一起，模具下表面有抹平板。完成后模具从侧面及上方撤出，下表面托住制作完成的极片。
53.其中，钢针等间距阵列排布，可使得造孔后的极片密度均匀。模具不同面上的钢针在中间体上的造孔相错开，极片更牢固，同时保证更多的孔洞。钢针也可采用其他有足够硬度的材质。此外，设置钢针的侧面所对应那一面也设置通孔，保证钢针穿透使中间体的孔洞尺寸一致。具体地，可将极片的孔径大小限定在3μm以内，孔径分布占极片体积8％以下，可以保证当下体积能量密度的条件下提升重量能量密度。
54.3.将步骤2制作好的极片放入烘箱中，烘干后备用。
55.4.将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正、负极片之间起到隔离的作用，然后叠片得到裸电芯，给裸电芯焊接极耳，并将裸电芯装入铝壳中，并在100℃下烘烤除水，随即注入电解液并封口，得到不带电的电池。不带电的电池再依次经过静置、热冷压、化成、整形、容量测试等工序，获得实施例1的锂离子电池产品。
56.实施例2
57.除第一步活性材料 binder 导电剂比例为80-95：1-20：2-20外，其余均与实施例1相同。
58.实施例3
59.除第一步集流体增加有垂直方向的铝丝/铜丝改善电子电导外，其余均与实施例1相同。
60.对比例：普通方形卷绕锂离子电池
61.【电池性能测试】
62.电池容量保持率测试
63.以实施例1为例，电池容量保持率测试过程如下：在25℃下，将实施例1对应的电池，以1/3c恒流充电至4.4v，再以4.4v恒定电压充电至电流为0.05c，搁置5min，再以1/3c放电至2.0v，所得容量记为初始容量c0。对上述同一个电池重复以上步骤，并同时记录循环第
n次后电池的放电容量cn，则每次循环后电池容量保持率pn＝cn/c0*100％，以p1、p2
……
p200这200个点值为纵坐标，以对应的循环次数为横坐标，得到实施例1的ncma正极活性材料对应的电池容量保持率与循环次数的曲线图。
64.该测试过程中，第一次循环对应n＝1、第二次循环对应n＝2、
……
第200次循环对应n＝200。表1中为实施例1对应的电池容量保持率数据是在上述测试条件下循环200次之后测得的数据，即p200的值。对比例1以及其他实施例的测试过程同上。
65.表1
[0066][0067]
采用上述多孔极片设计及多孔电池制备方案，将电芯极片制备成超厚电极，为改善电解液浸润及倍率性能，将电极做成多孔电极，达到减小或取消集流体，提高电极重量能量密度的目的。此外，由于极片厚度较厚，电池叠片效率大大提升，较少很多不必要工序，减小制作成本。
[0068]
以上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。
[0069]
以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。