高安全纳米涂覆集流体及制备方法、电极、电池与流程

1.本技术涉及非水性二次电池技术领域，尤其是涉及一种高安全纳米涂覆集流体及制备方法、电极、电池。


背景技术：

2.目前在非水性二次电池的制造过程中，为了得到更高的体积密度，正极的活性物质一般采用钴酸锂材料，钴酸锂材料不仅具有很高的压实密度，而且具有很高的容量发挥，但是钴酸锂的稳定性较差，容易安全失效，发生起火、爆炸；特别是在做穿刺的测试中，活性物质与铝箔之间产热，钴酸锂迅速释氧与铝箔在高温下发生铝热反应，导致电池迅速起火燃烧，热失控风险增大很多，容易引发安全事故。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术中存在的问题，本技术提供一种高安全纳米涂覆集流体、电极、电池。
4.本技术提供的一种高安全纳米涂覆集流体、电极、电池采用如下的技术方案：
5.一种高安全纳米涂覆集流体，包括集流体以及集流体上下表面各一层涂覆层。所述涂覆层包括低活性物质和粘结剂，所述低活性物质采用磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂、层状过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物或者普鲁士蓝类似物。
6.通过采用上述技术方案，在集流体上下两面设有涂覆层，涂覆层中采用低活性物质。当所述高安全纳米涂覆集流体应用于电池时由于低活性物质的活性较低，在针刺的测试条件下，由于低活性物质隔绝了电池的活性物质与集流体，在针刺的时候，低活性物质可以阻碍集流体迅速放热，进而避免活性物质释放氧气，进而提升电池的安全性能。
7.并且，磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂这些活性物质还可以起到提升电池能量密度的作用。
8.优选的，集流体和涂覆层的总厚度为3-20μm，其中集流体的厚度为2-18μm，单面涂覆层的厚度为0.05-5μm。
9.通过采用上述技术方案，集流体和涂覆层满足以下性能中的至少一种：穿刺强度≥50gf，拉伸强度md≥150mpa，td≥150mpa，延伸率md≥1％，td≥1％；涂层剥离力＞5n/m。
10.优选的，集流体采用铝箔或者复合铝集流体。
11.通过采用上述技术方案，集流体采用金属箔材质，并且在金属箔上粘结有混合有粘结剂的低活性物质，从而实现将低活性的低活性物质贴合在金属箔上。
12.优选的，粘结剂采用pvdf、聚乙烯醇类水性胶粘剂、乙烯乙酸脂类水性胶粘剂、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或者橡胶类水性胶黏剂。
13.集流体的两侧面上设有导电薄层，且导电薄层中的导电材料为碳黑、石墨或者石墨烯，且导电材料中添加有增稠剂、分散剂和粘结剂。集流体和涂覆层之间的接触面积有
限，界面电阻较大，引起电池内阻的上升，对于电池性能特别是大电流充放电条件下的性能存在负面影响，并且设置在涂覆层中的粘结剂粘结强度有限，在持续的充放电过程中，很容易发生低活性物质与集流体间的膨胀脱离，导致电池电阻进一步增大，使得电池的循环寿命和安全性能受到影响
14.设置了导电薄层能够降低电池内阻，抑制充放电循环过程中的动态电阻的增幅，显著提高电池组的一致性，降低电池组的成本，提高涂覆层和集流体之间的粘结附着力，减少极化，提高倍率性能，降低热效应；防止电解液对集流体的腐蚀，从而让综合性能提升而延长电池的使用寿命。
15.一种高安全纳米涂覆集流体的制备方法，包括步骤一：在水或有机溶剂中加入一定量的低活性物质进行搅拌；步骤二：加入一定量的粘结剂材料进行搅拌；步骤三：将配置好的浆料通过涂布系统进行涂布，然后进行烘干收卷；
16.其中，所述低活性物质采用磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂、层状过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物或者普鲁士蓝类似物。
17.所述低活性物质采用磷酸铁锂，其中磷酸铁锂的制备工艺包括步骤：将锂盐、铁盐、磷酸盐和掺杂元素的球磨烘干的混合物在高纯氮气的保护下经过400℃煅烧，保温6小时，然后将分解产物混合一定数量的葡萄糖，经过再次球磨、混合、烘干，然后压块，于高纯氮气保护下进行750℃煅烧，保温12小时，冷却至室温，取出样品，经过研磨，400目过筛，获得磷酸铁锂。
18.通过采用上述技术方案，采用金属离子掺杂-碳包覆技术对材料进行改性和修饰，有效改善了磷酸铁锂材料导电率低、大电流充放电能力较差和循环容量衰减较快等问题。并且采用高效的机械活化合成工艺和真空干燥造粒工艺，有利于固相反应各组分之间的扩散和固相反应的充分进行。从而获得的磷酸铁锂振实密度高、比表面积小等特点。
19.优选的，浆料的配比为低活性物质与粘结剂的比值为1：0.1-0.2。
20.优选的，溶剂的固含量为5-50％。
21.一种电极，包括高安全纳米涂覆集流体和涂覆在所述纳米涂覆集流体上的钴酸锂。
22.一种电池，包括上述电极。
23.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：
24.1.通过在铝箔的表面涂覆一层低活性物质，由于低活性物质的活性比较低，在针刺的测试条件下，由于低活性物质隔绝了钴酸锂与铝箔，在针刺的时候，低活性物质可以阻碍铝箔处迅速放热，进而避免低活性物质释放氧气，阻碍铝热反应的发生，进而提升电池的安全性。
附图说明
25.图1是一种高安全纳米涂覆集流体层结构示意图；
26.图2是一种高安全纳米涂覆集流体的制备方法流程图；
27.图3是一种高安全纳米涂覆集流体中磷酸铁锂的制备流程图。
28.附图标记说明：1、集流体；2、涂覆层；3、导电薄层。
具体实施方式
29.以下结合附图1-2对本技术作进一步详细说明。
30.本技术实施例公开一种高安全纳米涂覆集流体及制备方法。
31.实施例1
32.参照图1，一种高安全纳米涂覆集流体，包括集流体1以及集流体1上下表面各一层涂覆层2。涂覆层2包括低活性物质和粘结剂，所述低活性物质采用磷酸铁锂。在集流体1上下两面设有涂覆层2，涂覆层2中采用低活性物质。当高安全纳米涂覆集流体1应用于电池时由于低活性物质的活性较低，在针刺的测试条件下，由于低活性物质隔绝了电池活性物质与集流体1，在针刺的时候，低活性物质可以阻碍集流体1迅速放热，进而避免活性物质释放氧气，进而提升电池的安全性能。并且，磷酸铁锂还可以起到提升电池能量密度的作用。
33.参照图2，一种高安全纳米涂覆集流体的制备方法，包括步骤一：在80kg水中加入8kg的磷酸铁锂进行搅拌120min；步骤二：加入1kg粘结剂材料进行搅拌60min；步骤三：将配置好的浆料通过涂布系统对13微米铝箔各进行涂布一层高安全低活性物质，然后进行烘干收卷。涂布速度100m/min，收、放卷张力50-150n/m，烘干温度三节烘箱分别为70℃、80℃、70℃。
34.参照图1，集流体1和涂覆层2的总厚度为20μm，其中集流体1的厚度为18μm，单面涂覆层2的厚度为1μm。集流体1和涂覆层2满足以下性能中的至少一种：穿刺强度≥50gf，拉伸强度md≥150mpa，td≥150mpa，延伸率md≥1％，td≥1％；涂层剥离力＞5n/m。
35.参照图1，集流体1采用铝箔或者复合铝集流体1，涂覆层2采用低活性物质和粘结剂。集流体1采用金属箔材质，并且在金属箔上粘结有混合有粘结剂的低活性物质，从而实现将低活性物质贴合在金属箔上。
36.所述复合铝集流体的结构具体为：包括高分子基材和通过原子沉积形成在高分子基材两侧的铝层。其中，高分子基材的材料优选为pp或者pet。
37.参照图1，粘结剂采用pvdf、聚乙烯醇类水性胶粘剂、乙烯乙酸脂类水性胶粘剂、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或者橡胶类水性胶黏剂。
38.实施例2
39.参照图1，一种高安全纳米涂覆集流体，包括集流体1以及集流体1上下表面各一层涂覆层2。涂覆层2包括低活性物质和粘结剂，所述低活性物质采用磷酸铁锂。在集流体1上下两面设有涂覆层2，涂覆层2中采用低活性物质。当高安全纳米涂覆集流体1应用于电池时由于低活性物质的活性较低，在针刺的测试条件下，由于低活性物质隔绝了电池活性物质与集流体1，在针刺的时候，低活性物质可以阻碍集流体1迅速放热，进而避免活性物质释放氧气，进而提升电池的安全性能。并且，磷酸铁锂还可以起到提升电池能量密度的作用。
40.参照图2，一种高安全纳米涂覆集流体的制备方法，包括步骤一：在80kg水中加入8kg的磷酸铁锂进行搅拌120min；步骤二：加入2kg粘结剂材料进行搅拌60min；步骤三：将配置好的浆料通过涂布系统对13微米铝箔各进行涂布一层高安全低活性物质，然后进行烘干收卷。涂布速度100m/min，收、放卷张力50-150n/m，烘干温度三节烘箱分别为70℃、80℃、70℃。
41.参照图1，集流体1的两侧面上设有导电薄层3，且导电薄层3中的导电材料为石墨
烯，且导电材料中添加有增稠剂、分散剂和粘结剂。设置了导电薄层3能够降低电池内阻，抑制充放电循环过程中的动态电阻的增幅，显著提高电池组的一致性，降低电池组的成本，提高涂覆层2和集流体1之间的粘结附着力，减少极化，提高倍率性能，降低热效应；防止电解液对集流体1的腐蚀，从而让综合性能提升而延长电池的使用寿命。采用石墨烯作为新型的导电材料，其微微纳米片层结构使其具有更高的导电性和柔韧性。作为导电涂层材料，石墨烯在具有更薄涂层厚度的同时具有更强的粘结性。对集流体1涂层改性后将大大抑制活性材料膨胀脱离情况的发生，与一般的碳黑导电涂层厚度2-5μm相比，其双面涂层厚度仅为0.2-2μm。更薄的石墨烯涂层意味着导电性能更大的提升，同时也意味着粘结剂添加量的大幅减少，有效提高对电池导电性能。
42.实施例3
43.参照图1，参照图1及图2，一种高安全纳米涂覆集流体，包括集流体1以及集流体1上下表面各一层涂覆层2。涂覆层2包括低活性物质和粘结剂，所述低活性物质采用磷酸铁锂。在集流体1上下两面设有涂覆层2，涂覆层2中采用低活性物质。当高安全纳米涂覆集流体1应用于电池时由于低活性物质的活性较低，在针刺的测试条件下，由于低活性物质隔绝了电池活性物质与集流体1，在针刺的时候，低活性物质可以阻碍集流体1迅速放热，进而避免活性物质释放氧气，进而提升电池的安全性能。并且，磷酸铁锂还可以起到提升电池能量密度的作用。
44.参照图2，一种高安全纳米涂覆集流体的制备方法，包括步骤一：在80kg水中加入10kg的磷酸铁锂进行搅拌120min；步骤二：加入10kg粘结剂材料进行搅拌60min；步骤三：将配置好的浆料通过涂布系统对13微米铝箔各进行涂布一层高安全低活性物质，然后进行烘干收卷。涂布速度100m/min，收、放卷张力50-150n/m，烘干温度三节烘箱分别为70℃、80℃、70℃。
45.参照图2，低活性物质采用磷酸铁锂，其中硫酸铁锂的制备工艺包括步骤：将锂盐、铁盐、磷酸盐和掺杂元素的球磨烘干的混合物在高纯氮气的保护下经过400℃煅烧，保温6小时，然后将分解产物混合一定数量的葡萄糖，经过再次球磨、混合、烘干，然后压块，于高纯氮气保护下进行750℃煅烧，保温12小时，冷却至室温，取出样品，经过研磨，400目过筛，获得待测样品。采用金属离子掺杂-碳包覆技术对材料进行改性和修饰，有效改善了磷酸铁锂材料导电率低、大电流充放电能力较差和循环容量衰减较快等问题。并且采用高效的机械活化合成工艺和真空干燥造粒工艺，有利于固相反应各组分之间的扩散和固相反应的充分进行。从而获得的磷酸铁锂振实密度高、比表面积小等特点。
46.浆料的配比为低活性物质与粘结剂的比值为1：0.1，溶剂的固含量为15％。
47.实施例4
48.参照图1，参照图1及图2，一种高安全纳米涂覆集流体，包括集流体1以及集流体1上下表面各一层涂覆层2。涂覆层2包括低活性物质和粘结剂，所述低活性物质采用磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂、层状过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物或者普鲁士蓝类似物。在集流体1上下两面设有涂覆层2，涂覆层2中采用低活性物质。当高安全纳米涂覆集流体1应用于电池时由于低活性物质的活性较低，在针刺的测试条件下，由于低活性物质隔绝了电池活性物质与集流体1，在针刺的时候，低活性物质可以阻碍集流体1迅速放热，进而避免活性物质释放氧气，进而提升电池的安全性能。并且，磷酸铁锂还可以起到提升电池能量密度
的作用。
49.参照图2，一种高安全纳米涂覆集流体的制备方法，包括步骤一：在40kg水中加入50kg的磷酸铁锂进行搅拌120min；步骤二：加入10kg粘结剂材料进行搅拌60min；步骤三：将配置好的浆料通过涂布系统对15微米铝箔各进行涂布一层高安全低活性物质，然后进行烘干收卷。涂布速度100m/min，收、放卷张力50-150n/m，烘干温度三节烘箱分别为70℃、80℃、70℃。
50.参照图2，低活性物质采用磷酸铁锂，其中硫酸铁锂的制备工艺包括步骤：将锂盐、铁盐、磷酸盐和掺杂元素的球磨烘干的混合物在高纯氮气的保护下经过400℃煅烧，保温6小时，然后将分解产物混合一定数量的葡萄糖，经过再次球磨、混合、烘干，然后压块，于高纯氮气保护下进行750℃煅烧，保温12小时，冷却至室温，取出样品，经过研磨，400目过筛，获得待测样品。采用金属离子掺杂-碳包覆技术对材料进行改性和修饰，有效改善了磷酸铁锂材料导电率低、大电流充放电能力较差和循环容量衰减较快等问题。并且采用高效的机械活化合成工艺和真空干燥造粒工艺，有利于固相反应各组分之间的扩散和固相反应的充分进行。从而获得的磷酸铁锂振实密度高、比表面积小等特点。
51.浆料的配比为低活性物质与粘结剂的比值为1：0.1，溶剂的固含量为50％。
52.本技术实施例还公开一种电极。
53.一种电极，包括实施例1-4描述的任一高安全纳米涂覆集流体。
54.本技术实施例还公开一种电池。
55.一种电池，包括上述电极。
56.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。