一種柔性鋰離子電池負極及其制作方法
【專利說明】一種柔性鋰離子電池負極及其制作方法
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明設計鋰離子電池領域，尤其涉及一種柔性鋰離子電池負極及其制作方法。
【背景技術】
[0003]在電池原材料日趨成熟的今天，隨著市場對于鋰離子電池的性能要求的不斷提高，用戶要求鋰離子電池的能量密度更高，特別是在可充電扣式鋰離子電池領域。制造廠家針對以上客戶要求，不斷進行技術改進，提高鋰離子電池能量密度和電化學性能的一個有效方法是減少電池的無效空間，來增加活性物質(zhì)(正負極材料)的填充量，這樣有制造商將扣式可充電鋰離子電池內(nèi)芯傳統(tǒng)的卷繞型結(jié)構變更為三明治結(jié)構，此舉將電極結(jié)構由多層變單層，減少了集流體的體積，同時電極截面積由內(nèi)切方形變?yōu)橥膱A，可將扣式可充電鋰離子電池的容量一舉提升達30~80%以上。但三明治結(jié)構的電芯帶來了負極厚度的激增，一般達到0.6mm以上，是傳統(tǒng)卷繞電極單層涂布厚度的8倍以上，由于鋰電池傳統(tǒng)碳負極材料的嵌鋰動力學緩慢，對卷繞結(jié)構的電極而言常規(guī)的充電倍率變?yōu)槿髦谓Y(jié)構的高倍率，同時電極的增厚更加重了反應過程的滯后，因此常規(guī)方法制造的三明治結(jié)構的負極電解液傳質(zhì)效率較低，充電時存在表面過充而內(nèi)部欠充的現(xiàn)象，在常規(guī)倍率充電時存在表面嚴重析鋰的危險，析鋰輕則導致電池短路發(fā)熱失效，重則有熱失控爆炸的危險，這大大限制了三明治結(jié)構鋰離子可充電電池的應用。如何在保證導電率的同時提高電極的孔隙率，是一個迫切需解決的問題。
[0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種柔性鋰離子電池負極及其制作方法，孔隙率可通過高沸點分散劑的含量進行控制，大大增加了電極的有效比表面積，提高了鋰離子負極反應的傳質(zhì)速率，因此表面析鋰的現(xiàn)象得到了有效的控制，同時此柔性電極無需添加額外的導電骨架或集流體即能保證電極的強度，為三明治電極結(jié)構的可充電鋰離子電池的規(guī)模應用掃清了一大障礙，
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為:
一種柔性鋰離子電池負極，其特征是:將鋰離子電池負極材料、導電劑和PTFE用低沸點的溶劑混合均勻形成漿料，并經(jīng)干燥得到粉狀混合物，后用一種高沸點溶劑將粉狀混合物適量分散，壓制得到含高沸點溶劑的電極薄膜，再將此電極薄膜充分干燥并即得柔性電極。
[0006]其特征是:包括如下制備步驟:
步驟(1)楽料的制備；
將導電劑加入到低沸點溶劑中，在常規(guī)的行星式真空攪拌機中以500~4000rpm的高速分散攪拌5~60min后得到導電漿料，在此導電漿料中加入鋰離子電池負極材料繼續(xù)高速分散使?jié){料混合均勻，將漿料溫度冷卻至10~25°C范圍內(nèi)再加入PTFE乳液高速攪拌5~30min ;維持攪拌并將漿料加熱至30~70°C，充分混合均勻30~300min即得到混合物漿料；
步驟(2)漿料的干燥；
將混合后的漿料用常壓鼓風干燥、真空干燥或離心干燥一種或幾種的方式充分干燥，干燥溫度50~120°C，得到粉狀混合物；
步驟(3)柔性電極的制備；
將干燥后的粉狀混合物加入高沸點溶劑中，在多功能攪拌器中低速30~120rpm分散攪拌得到泥團狀物質(zhì)，將此物質(zhì)在高沸點溶劑蒸汽壓飽和的氣氛中經(jīng)對輥機反復對輥碾壓，得到一定厚度的柔韌性充分的電極，將此電極薄膜常規(guī)抽真空干燥，干燥溫度120~160°C，充分干燥后用對輥機對輥至工藝厚度即得多孔的柔性負極。
[0007]其特征是:
步驟(1)中所述的導電劑為導電石墨、導電炭黑、導電碳纖維或碳納米管中的一種或幾種；
步驟(1)中所述混合活性物質(zhì)和導電劑的低沸點溶劑為無水乙醇或無水乙醇與去離子水的混合溶劑，其中混合溶劑中乙醇的含量不低于20% ；
步驟(1)中所述的鋰離子電池負極材料為人造石墨、天然石墨、中間相炭微球中的一種或幾種；
步驟(1)所述PTFE乳液中的固含量質(zhì)量分數(shù)為5~70% ;
步驟(1)中所述的混合物漿料中的低沸點溶劑的含量為20%~80% ;
步驟(3)中所述的高沸點溶劑為NMP、PC中的一種或兩種；
步驟(3)中所述干燥前電極膜的厚度與干燥后對輥的最終厚度比為1.15-1.03:1，亦即干燥后的電極對輥時的壓縮比不高于15% ;
步驟(3)中泥團狀物質(zhì)中高沸點溶劑的體積含量比為10%~60% ；
4、根據(jù)權利要求2所述的一種柔性鋰離子電池負極，其特征是:制成的電池負極中PTFE的含量為1%~10%，導電劑的含量為0.5%~20%，活性物質(zhì)含量為70%~98.5%。
[0008]其特征是:將1份質(zhì)量的superP導電劑加入到15份質(zhì)量的低沸點溶劑無水乙醇中，用行星式攪拌機以2000rpm的高速分散30min形成均勻的導電漿料，然后加入8.4份質(zhì)量的鋰離子電池用負極活性物質(zhì)人造石墨，繼續(xù)以同樣的攪拌速度均勻攪拌60min后得到的含活性物質(zhì)和導電劑的漿料，再加入一份質(zhì)量的60%固含量的PTFE乳液，使活性物質(zhì):導電劑:ptfe的固體質(zhì)量比為84%:10%:6%，再次進行高速分散lOmin后打開攪拌機的加熱功能，使?jié){料溫度升溫至60°C，攪拌60min后待用；
將制得的漿料傾倒于平板加熱盤中，置于真空干燥箱中，緩慢抽真空至-0.1MPa并加熱至80°C，使?jié){料中的無水乙醇揮發(fā)完全，得到干燥的粉末狀材料；
將此粉末狀材料中加入1.3倍質(zhì)量的高沸點溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)，用多功能攪拌器低速60rpm的速度剪輯攪拌至混合物呈團料狀，將此團料用對輥機對輥并反復對折碾壓，使ptfe再次纖維化，直至物料粘接牢固表面光滑后對輥至0.40mm厚度，形成含NMP的電極膜片，將此膜片平鋪于網(wǎng)狀干燥盤中，抽真空180°C使電極中的NMP完全去除；
將干燥后的電極膜片用對輥機進行整平，對輥至0.38mm即得到合格的多孔的柔性電池負極極片。
[0009]其特征是:將1份質(zhì)量的superP導電劑加入到15份質(zhì)量的含50%無水乙醇的去離子水中，用行星式攪拌機以2500rpm的高速分散30min形成均勻的導電漿料后加入8.4份質(zhì)量的鋰離子電池用負極活性物質(zhì)中間相碳微球MCMB，繼續(xù)以同樣的攪拌速度均勻攪拌60min后得到的含活性物質(zhì)和導電劑的漿料，再加入一份質(zhì)量的60%固含量的PTFE乳液，使活性物質(zhì):導電劑:ptfe的固體質(zhì)量比為84%:10%:6%，再次進行高速分散lOmin后打開攪拌機的加熱功能，使?jié){料溫度升溫至60°C，攪拌60min后待用；
將制得的漿料傾倒于平板加熱盤中，置于真空干燥箱中，緩慢抽真空至-0.1MPa并加熱至110°C，使?jié){料中的無水乙醇水溶液揮發(fā)完全，得到干燥的粉末狀材料；
將此粉末狀材料中加入1.3倍質(zhì)量的高沸點溶劑碳酸丙烯酯(PC)，用多功能攪拌器低速60rpm的速度剪輯攪拌至混合物呈團料狀，將此團料用對輥機對輥并反復對折碾壓，使ptfe再次纖維化，直至物料粘接牢固表面光滑后對輥至0.40mm厚度，形成含PC的電極膜片，將此膜片平鋪于網(wǎng)狀干燥盤中，抽真空180°C使電極中的PC完全去除；
將干燥后的電極膜片用對輥機進行整平，對輥至0.38mm即得到合格的多孔的柔性電池負極極片。
[0010]一種柔性鋰離子電池負極的制作方法，其特征是:
步驟(1)楽料的制備；
將導電劑加入到低沸點溶劑中，在常規(guī)的行星式真空攪拌機中以500~4000rpm的高速分散攪拌5~60min后得到導電漿料，在此導電漿料中加入鋰離子電池負極材料繼續(xù)高速分散使?jié){料混合均勻，將漿料溫度冷卻至10~25°C范圍內(nèi)再加入PTFE乳液高速攪拌5~30min ;維持攪拌并將漿料加熱至30~70°C，充分混合均勻30~300min即得到混合物漿料；
步驟(2)漿料的干燥；
將混合后的漿料用常壓鼓風干燥、真空干燥或離心干燥中的一種或幾種的方式充分干燥，干燥溫度50~120°C，得到粉狀混合物；
步驟(3)柔性電極的制備；
將干燥后的粉狀混合物加入高沸點溶劑中，在多功能攪拌器中低速30~120rpm分散攪拌得到泥團狀物質(zhì)，將此物質(zhì)在高沸點溶劑蒸汽壓飽和的氣氛中經(jīng)對輥機反復對輥碾壓，得到一定厚度的柔韌性充分的電極，將此電極薄膜常規(guī)抽真空干燥，干燥溫度120~160°C，充分干燥后用對輥機對輥至工藝厚度即得多孔的柔性負極。
[0011 ] 其特征是:
步驟(1)中所述的導電劑為導電石墨、導電炭黑、導電碳纖維或碳納米管中的一種或幾種；
步驟(1)中所述混合活性物質(zhì)和導電劑的低沸點溶劑為無水乙醇或無水乙醇與去離子水的混合溶劑，其中混合溶劑中乙醇的含量不低于20% ；
步驟(1)中所述的鋰離子電池負極材料為人造石墨、天然石墨、中間相炭微球中的一種或幾種；
步驟(1)所述PTFE乳液中的固含量質(zhì)量分數(shù)為5~70% ;
步驟(1)中所述的混合物漿料中的低沸點溶劑的含量為20%~80% ;
步驟(3)中所述的高沸點溶劑為NMP、PC中的一種或兩種； 步驟(3)中所述干燥前電極膜的厚度與干燥后對輥的最終厚度比為1.15-1.03:1，亦即干燥后的電極對輥時的壓縮比不高于15% ;