一種導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法，其包括以下步驟：S1：以導(dǎo)電金屬陶瓷粉末、成膜助劑和粘結(jié)劑作為原料，水作為分散劑，混合得到導(dǎo)電金屬陶瓷漿料A；S2：將所述漿料A以噴霧干燥的方式制備顆粒大小均一的導(dǎo)電金屬陶瓷粉末B；S3：分別用丙酮、乙醇與去離子水對(duì)正極集流體或負(fù)極集流體進(jìn)行超聲清洗；S4：以所述導(dǎo)電金屬陶瓷粉末B為原料，采用大氣等離子噴涂技術(shù)將所述金屬陶瓷粉末B均勻噴涂在經(jīng)步驟S3清洗過的正極集流體或負(fù)極集流體表面，所述正極集流體或負(fù)極集流體表面形成一層導(dǎo)電金屬陶瓷涂層C。
【專利說明】一種導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋰離子電池制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池 集流體的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋰離子電池作為新一代綠色可充電電源，具有能量密度大，工作電壓高，循環(huán)性能 好等優(yōu)點(diǎn)。正逐漸取代鎳/氫、鎳/鎘等電池在電動(dòng)汽車，混合動(dòng)力汽車，電動(dòng)工具，3C產(chǎn)品 以及儲(chǔ)能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，同時(shí)也能夠?yàn)楝F(xiàn)代軍事裝備如通信系統(tǒng)，航空航天 等提供可靠的二次電源。因此發(fā)展環(huán)境適應(yīng)性好，使用壽命長(zhǎng)，能量密度高，安全性能好的 鋰電池成為研究的重點(diǎn)。
[0003] 集流體作為鋰電池重要的組成部分，在電池中起到收集電流，提供電子通道，加快 電荷轉(zhuǎn)移，形成電流對(duì)外輸出等作用；直接影響到電池整體性能。作為鋰電池集流體需要其 具備導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，質(zhì)量輕，機(jī)械強(qiáng)度高，內(nèi)阻小，成本低等特點(diǎn)，同時(shí)也要求集流體具備 優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性。
[0004] 傳統(tǒng)的鋰電池極片制備工藝是將活性物質(zhì)通過粘接劑均勻的涂布在鋁箔（正極 集流體）或銅箔（負(fù)極集流體）表面，然而粘接劑的用量卻對(duì)電池性能產(chǎn)生矛盾的影響， 用量太少時(shí)會(huì)使得活性物質(zhì)與集流體粘接不牢固，在加工和充放電過程中容易發(fā)生溶脹或 掉粉，致使電池循環(huán)性能的壽命降低；粘接劑用量過高則會(huì)增加極片電阻，造成電池內(nèi)阻過 大，明顯降低電池性能。
[0005] 同時(shí)，集流體在使用過程中還面臨電解液分解產(chǎn)物侵蝕的挑戰(zhàn)，腐蝕形成的金屬 離子不僅會(huì)攻擊活性物質(zhì)，造成內(nèi)阻增大，而且溶解在電解液中會(huì)造成自放電速率變慢，還 會(huì)在負(fù)極表面還原沉積消耗Li+，這些都會(huì)造成較嚴(yán)重的容量衰減，致使電池循環(huán)壽命降 低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方 法，其包括以下步驟：
[0007] S1 :導(dǎo)電金屬陶瓷漿料制備：以導(dǎo)電金屬陶瓷粉末、成膜助劑和粘結(jié)劑作為原料， 水作為分散劑，混合得到導(dǎo)電金屬陶瓷漿料A ;
[0008] S2 :導(dǎo)電金屬陶瓷粉末制備：將所述漿料A以噴霧干燥的方式制備顆粒大小均一 的導(dǎo)電金屬陶瓷粉末B;
[0009] S3 :鋰電池集流體金屬表面清潔處理：分別用丙酮、乙醇與去離子水對(duì)正極集流 體或負(fù)極集流體進(jìn)行超聲清洗；
[0010] S4 :等離子噴涂：以所述導(dǎo)電金屬陶瓷粉末B為原料，采用大氣等離子噴涂技術(shù)將 所述金屬陶瓷粉末B均勻噴涂在經(jīng)步驟S3清洗過的正極集流體或負(fù)極集流體表面，所述正 極集流體或負(fù)極集流體表面形成一層導(dǎo)電金屬陶瓷涂層C。
[0011] 較佳地，所述步驟si中對(duì)所述導(dǎo)電金屬陶瓷粉末、成膜助劑和粘結(jié)劑與水的混合 過程為：
[0012] 使用行星式球磨機(jī)以400r/min的轉(zhuǎn)速混合4h得到導(dǎo)電金屬陶瓷漿料A。
[0013] 較佳地，所述步驟S2中采用噴霧干燥塔進(jìn)行噴霧干燥，所述噴霧干燥的進(jìn)氣溫度 250°C，出氣溫度120°C，進(jìn)料量25mL/min。
[0014] 較佳地，所述導(dǎo)電金屬陶瓷粉末包括碳化鎢、碳化鈦、碳化鉻、氮化鈦、氮化鉻中的 一種或多種。
[0015] 較佳地，所述成膜助劑包括鎳粉，鐵粉，鋁粉中的一種或幾種，所述成膜助劑含量 為 0· 1-3%。
[0016] 較佳地，所述粘接劑包括聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚丙烯酸中的一種或幾種，所述 粘接劑含量為1-3%。
[0017] 較佳地，噴霧干燥后導(dǎo)電金屬陶瓷粉末粒徑大小為4-9 μ m。
[0018] 較佳地，所述等離子噴涂參數(shù)：主氣Ar流速35-70L/min，輔氣H2流速3-10L/min, 噴涂距離100 _150mm，噴槍移動(dòng)速率130_190mm/s，送粉率25_45g/min。
[0019] 較佳地，所述導(dǎo)電金屬陶瓷涂層C厚度為0. 5?1. 5 μ m。
[0020] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0021] 采用本發(fā)明提供的工藝處理的以導(dǎo)電金屬陶瓷涂層修飾的鋁箔（正極集流體）和 銅箔（負(fù)極集流體），作為集流體應(yīng)用于鋰電池中，在保證其導(dǎo)電性能的前提下，不僅與活 性物質(zhì)結(jié)合力強(qiáng)，能夠增加活性物質(zhì)剝離強(qiáng)度，減少極片制備時(shí)粘結(jié)劑的用量，降低其接觸 內(nèi)阻，可以改善現(xiàn)有技術(shù)中電池極片在長(zhǎng)期循環(huán)過程中造成的溶脹，掉粉現(xiàn)象，也能夠增加 電池循環(huán)使用壽命和倍率性能。而且導(dǎo)電金屬陶瓷涂層本身優(yōu)秀的耐蝕性也能夠有效阻擋 有機(jī)電解液中分解產(chǎn)物對(duì)集流體金屬的侵蝕。
[0022] 當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行較為詳細(xì)的說明。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] S1 :導(dǎo)電金屬陶瓷漿料制備：碳化鎢粉末中加入0. 1 %鎳粉（質(zhì)量比），加入1 %聚 乙烯醇（質(zhì)量比）為粘結(jié)劑，以水為分散劑，使用行星式球磨機(jī)以400r/min的轉(zhuǎn)速混合4h 得到導(dǎo)電金屬陶瓷漿；
[0026] S2 :導(dǎo)電金屬陶瓷粉末制備：通過蠕動(dòng)泵將漿料泵入噴霧干燥塔制備顆粒大小為 4μπι左右的導(dǎo)電金屬陶瓷粉末，通過控制噴霧干燥塔的以下參數(shù)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電金屬陶瓷粉末 的制備：進(jìn)氣溫度250°C，出氣溫度120°C，進(jìn)料量25mL/min ;
[0027] S3 :鋰電池集流體金屬表面清潔處理：分別用丙酮、乙醇和去離子水對(duì)鋰電池正 極（鋁箔）集流體金屬進(jìn)行超聲清洗各一次；
[0028] S4 :等離子噴涂：采用大氣等離子噴涂技術(shù)將金屬陶瓷粉末均勻噴涂在經(jīng)表面清 潔處理的錯(cuò)箔表面，通過控制以下參數(shù)實(shí)現(xiàn)：主氣Ar流速35L/min，輔氣H 2流速3L/min, 噴涂距離100mm，噴槍移動(dòng)速率130mm/s，送粉率25g/min，即可在其表面形成一層厚度為 0. 5 μ m的導(dǎo)電金屬陶瓷涂層。
[0029] 實(shí)施例2
[0030] SI :導(dǎo)電金屬陶瓷漿料制備：碳化鈦粉末中加入0. 1 %鋁粉（質(zhì)量比），加入1 %聚 四氟乙烯（質(zhì)量比）為粘結(jié)劑，以水為分散劑，使用行星式球磨機(jī)以400r/min的轉(zhuǎn)速混合 4h得到導(dǎo)電金屬陶瓷漿；
[0031] S2 :導(dǎo)電金屬陶瓷粉末制備：通過蠕動(dòng)泵將漿料泵入噴霧干燥塔制備顆粒大小 為4μπι左右的導(dǎo)電金屬陶瓷粉末，通過控制以下參數(shù)來實(shí)現(xiàn)：進(jìn)氣溫度250°C，出氣溫度 120°C，進(jìn)料量 25mL/min ;
[0032] S3 :鋰電池集流體金屬表面清潔處理：分別用丙酮、乙醇和去離子水對(duì)鋰電池負(fù) 極（銅箔）集流體金屬進(jìn)行超聲清洗各一次；
[0033] S4 :等離子噴涂：采用大氣等離子噴涂技術(shù)將金屬陶瓷粉末均勻噴涂在經(jīng)表面清 潔處理的銅箔表面，通過控制以下參數(shù)實(shí)現(xiàn)：主氣Ar流速35L/min，輔氣H 2流速3L/min, 噴涂距離100mm，噴槍移動(dòng)速率130mm/s，送粉率25g/min，即可在其表面形成一層厚度為 0. 5 μ m的導(dǎo)電金屬陶瓷涂層。
[0034] 實(shí)施例3
[0035] S1 :導(dǎo)電金屬陶瓷漿料制備：碳化鉻粉末中加入2%鐵粉（質(zhì)量比），加入2%聚丙 烯酸（質(zhì)量比）為粘結(jié)劑，以水為分散劑，使用行星式球磨機(jī)以400r/min的轉(zhuǎn)速混合4h得 到導(dǎo)電金屬陶瓷漿；
[0036] 通過蠕動(dòng)泵將漿料泵入噴霧干燥塔制備顆粒大小為7 μ m左右的導(dǎo)電金屬陶瓷粉 末，通過控制以下參數(shù)來實(shí)現(xiàn)：進(jìn)氣溫度250°C，出氣溫度120°C，進(jìn)料量25mL/min ;
[0037] S2 :導(dǎo)電金屬陶瓷粉末制備：通過蠕動(dòng)泵將漿料泵入噴霧干燥塔制備顆粒大小 為4μπι左右的導(dǎo)電金屬陶瓷粉末，通過控制以下參數(shù)來實(shí)現(xiàn)：進(jìn)氣溫度250°C，出氣溫度 120°C，進(jìn)料量 25mL/min ;
[0038] S3 :鋰電池集流體金屬表面清潔處理：分別用丙酮、乙醇和去離子水對(duì)鋰電池正 極（鋁箔）集流體金屬進(jìn)行超聲清洗各一次；
[0039] S4 :等離子噴涂：采用大氣等離子噴涂技術(shù)將金屬陶瓷粉末均勻噴涂在經(jīng)表面清 潔處理的鋁箔表面，通過控制以下參數(shù)實(shí)現(xiàn)：主氣Ar流速50L/min，輔氣H 2流速7L/min，噴 涂距離130mm，噴槍移動(dòng)速率170mm/s，送粉率35g/min，即可在其表面形成一層厚度為1 μ m 的導(dǎo)電金屬陶瓷涂層。
[0040] 實(shí)施例4
[0041] S1 :導(dǎo)電金屬陶瓷漿料制備：氮化鈦粉末中加入2%鎳粉（質(zhì)量比），加入2%聚乙 烯醇（質(zhì)量比）為粘結(jié)劑，以水為分散劑，使用行星式球磨機(jī)以400r/min的轉(zhuǎn)速混合4h得 到導(dǎo)電金屬陶瓷漿；
[0042] S2 :導(dǎo)電金屬陶瓷粉末制備：通過蠕動(dòng)泵將漿料泵入噴霧干燥塔制備顆粒大小 為7 μ m左右的導(dǎo)電金屬陶瓷粉末，通過控制以下參數(shù)來實(shí)現(xiàn)：進(jìn)氣溫度250°C，出氣溫度 120°C，進(jìn)料量 25mL/min ;
[0043] S3 :鋰電池集流體金屬表面清潔處理：分別用丙酮、乙醇和去離子水對(duì)鋰電池負(fù) 極（銅箔）集流體金屬進(jìn)行超聲清洗各一次；
[0044] S4 :等離子噴涂：采用大氣等離子噴涂技術(shù)將金屬陶瓷粉末均勻噴涂在經(jīng)表面清 潔處理的銅箔表面，通過控制以下參數(shù)實(shí)現(xiàn)：主氣Ar流速50L/min，輔氣H 2流速7L/min，噴 涂距離130mm，噴槍移動(dòng)速率170mm/s，送粉率35g/min，即可在其表面形成一層厚度為1 μ m 的導(dǎo)電金屬陶瓷涂層。
[0045] 實(shí)施例5
[0046] S1 :導(dǎo)電金屬陶瓷漿料制備：氮化鉻粉末中加入3%鎳粉（質(zhì)量比），加入3%聚乙 烯醇（質(zhì)量比）為粘結(jié)劑，以水為分散劑，使用行星式球磨機(jī)以400r/min的轉(zhuǎn)速混合4h得 到導(dǎo)電金屬陶瓷漿；
[0047] S2 :導(dǎo)電金屬陶瓷粉末制備：通過蠕動(dòng)泵將漿料泵入噴霧干燥塔制備顆粒大小 為9 μ m左右的導(dǎo)電金屬陶瓷粉末，通過控制以下參數(shù)來實(shí)現(xiàn)：進(jìn)氣溫度250°C，出氣溫度 120°C，進(jìn)料量 25mL/min ;
[0048] S3 :鋰電池集流體金屬表面清潔處理：分別用丙酮、乙醇和去離子水對(duì)鋰電池正 極（鋁箔）集流體金屬進(jìn)行超聲清洗各一次；
[0049] S4 :等離子噴涂：采用大氣等離子噴涂技術(shù)將金屬陶瓷粉末均勻噴涂在經(jīng)表面清 潔處理的鋁箔表面，通過控制以下參數(shù)實(shí)現(xiàn)：主氣Ar流速70L/min，輔氣H 2流速10L/min， 噴涂距離150mm，噴槍移動(dòng)速率190mm/s，送粉率45g/min，即可在其表面形成一層厚度為 1. 5 μ m的導(dǎo)電金屬陶瓷涂層。
[0050] 實(shí)施例6
[0051] S1 :導(dǎo)電金屬陶瓷漿料制備：碳化鈦粉末中加入3%鐵粉（質(zhì)量比），加入3%聚丙 烯酸（質(zhì)量比）為粘結(jié)劑，以水為分散劑，使用行星式球磨機(jī)以400r/min的轉(zhuǎn)速混合4h得 到導(dǎo)電金屬陶瓷漿；
[0052] S2 :導(dǎo)電金屬陶瓷粉末制備：通過蠕動(dòng)泵將漿料泵入噴霧干燥塔制備顆粒大小 為9 μ m左右的導(dǎo)電金屬陶瓷粉末，通過控制以下參數(shù)來實(shí)現(xiàn)：進(jìn)氣溫度250°C，出氣溫度 120°C，進(jìn)料量 25mL/min ;
[0053] S3 :鋰電池集流體金屬表面清潔處理：分別用丙酮、乙醇和去離子水對(duì)鋰電池負(fù) 極（銅箔）集流體金屬進(jìn)行超聲清洗各一次；
[0054] S4 :等離子噴涂：采用大氣等離子噴涂技術(shù)將金屬陶瓷粉末均勻噴涂在經(jīng)表面清 潔處理的銅箔表面，通過控制以下參數(shù)實(shí)現(xiàn)：主氣Ar流速70L/min，輔氣H 2流速10L/min, 噴涂距離150mm，噴槍移動(dòng)速率190mm/s，送粉率45g/min，即可在其表面形成一層厚度為 1. 5 μ m的導(dǎo)電金屬陶瓷涂層。
[0055] 以下為各個(gè)實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)做的剝離強(qiáng)度與電阻率對(duì)比試驗(yàn)：
[0056] ①、按照91:4.5:4.5的比例混合正極活性物質(zhì)（磷酸鐵鋰），粘接劑（聚偏氟乙 烯PVDF)和導(dǎo)電劑（SP)制成正極漿料，分別涂布于實(shí)施例1、實(shí)施例3、實(shí)施例5處理的鋁 箔及未處理鋁箔表面，經(jīng)80°C烘烤lh得到正極極片，對(duì)正極極片進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)并測(cè)試極片 電阻率，如表1所示。
[0057] 表1不同正極極片剝離強(qiáng)度與電阻率
[0058]

【權(quán)利要求】
1. 一種導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法，其特征在于，包括以下步驟： 51 :導(dǎo)電金屬陶瓷漿料制備：以導(dǎo)電金屬陶瓷粉末、成膜助劑和粘結(jié)劑作為原料，水作 為分散劑，混合得到導(dǎo)電金屬陶瓷漿料A ; 52 :導(dǎo)電金屬陶瓷粉末制備：將所述漿料A以噴霧干燥的方式制備顆粒大小均一的導(dǎo) 電金屬陶瓷粉末B ; 53 :鋰電池集流體金屬表面清潔處理：分別用丙酮、乙醇與去離子水對(duì)正極集流體或 負(fù)極集流體進(jìn)行超聲清洗； 54 :等離子噴涂：以所述導(dǎo)電金屬陶瓷粉末B為原料，采用大氣等離子噴涂技術(shù)將所述 金屬陶瓷粉末B均勻噴涂在經(jīng)步驟S3清洗過的正極集流體或負(fù)極集流體表面，所述正極集 流體或負(fù)極集流體表面形成一層導(dǎo)電金屬陶瓷涂層C。
2. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法，其特征在于，所 述步驟S1中對(duì)所述導(dǎo)電金屬陶瓷粉末、成膜助劑和粘結(jié)劑與水的混合過程為： 使用行星式球磨機(jī)以400r/min的轉(zhuǎn)速混合4h得到導(dǎo)電金屬陶瓷楽料A。
3. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法，其特征在于， 所述步驟S2中采用噴霧干燥塔進(jìn)行噴霧干燥，所述噴霧干燥的進(jìn)氣溫度250°C，出氣溫度 120°C，進(jìn)料量 25mL/min。
4. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法，其特征在于，所 述導(dǎo)電金屬陶瓷粉末包括碳化鎢、碳化鈦、碳化鉻、氮化鈦、氮化鉻中的一種或多種。
5. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法，其特征在于，所 述成膜助劑包括鎳粉，鐵粉，鋁粉中的一種或幾種，所述成膜助劑含量為0. 1~3%。
6. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法，其特征在于，所 述粘接劑包括聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚丙烯酸中的一種或幾種，所述粘接劑含量為1~3%。
7. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法，其特征在于，噴 霧干燥后導(dǎo)電金屬陶瓷粉末粒徑大小為4、μ m。
8. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法，其特征在 于，所述等離子噴涂參數(shù)：主氣Ar流速35~70L/min，輔氣H 2流速3~10 L/min，噴涂距離 10(Tl50mm，噴槍移動(dòng)速率 13(Tl90mm/s，送粉率 25?45g/min。
9. 如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電金屬陶瓷修飾鋰離子電池集流體的方法，其特征在于，所 述導(dǎo)電金屬陶瓷涂層C厚度為0.5?1.5 μ m。
【文檔編號(hào)】H01M4/66GK104157880SQ201410437934
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】汪濤, 彭文 申請(qǐng)人:合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源股份公司