一種鋰離子電池負極極片及其制作方法
【專利摘要】一種鋰離子電池負極極片，該負極極片上負極材料層的組成為活性物質(zhì)、羥甲基纖維素鈉、導電劑、水性丁苯橡膠；所述活性物質(zhì)是高端人造石墨或中間相炭微球。制作時，先在去離子水中依次添加羥甲基纖維素鈉、導電劑、活性物質(zhì)、水性丁苯橡膠以得到黏度為2000–3500mpa?s、固含量為40%–43%的負極漿料，再用負極漿料進行涂覆與后處理以得到所述負極極片。本設計能制得均勻度良好、粘結性較強的負極漿料，利于提高負極極片的大電流放電、比能量、使用壽命等性能，從而確保其所應用的鋰離子電池能在滿足大電流放電性能的基礎上延長電池壽命。
【專利說明】一種鋰離子電池負極極片及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于鋰離子電池領域，涉及一種鋰離子電池負極極片，尤其涉及一種鋰離子電池負極極片及其制作方法，具體適用于在滿足鋰離子電池大電流放電性能的基礎上延長電池壽命。
【背景技術】
[0002]鋰離子電池具備重量輕、比能量高、工作電壓高、壽命長、自放電比較低等優(yōu)點，同時，由于移動電子產(chǎn)品工作電流比較小，一般鋰離子電池就可以滿足要求，故自商品化以來鋰離子電池在移動電子領域得到迅速的推廣。
[0003]進入21世紀，新能源車發(fā)展日新月異，混合動力汽車主要動力源是內(nèi)燃機，在啟動加速和爬坡時用電池輔助，減速時通過電池回收能量，從而使內(nèi)燃機始終在其最佳負載下工作，進而提高燃油的燃燒效率，同時降低油耗和減少污染氣體的排放。這會導致對電池的容量要求大幅度降低，但功率要求卻相應提高。一般鋰離子電池的最大放電倍率為3 - 7C，很難滿足混合動力商用車的性能要求，即使目前市場上部分電池放電倍率可以做到30C以上，但這種電池要么以犧牲電池的循環(huán)壽命為代價，僅有200次以下的循環(huán)壽命，要么以犧牲電池的比能量為代價，比能量僅有80Wh/Kg左右。因此，必須在提高鋰離子電池放電倍率的同時延長其使用壽命，即鋰離子電池放電倍率要達到20C、比能量及循環(huán)壽命和傳統(tǒng)電池要相當，只有滿足這兩個基本條件的鋰電池才能滿足現(xiàn)有混合動力車的性能需求，而正極極片的性能直接影響電池的倍率性能。
[0004]中國專利公布號為CN103000866A，公布日為2013年3月27日的發(fā)明專利公開了一種鋰離子電池負極材料及電池負極制作方法，該負極材料由石墨、導電劑、粘結劑組成，雖然該發(fā)明通過采用特定粒徑的丁苯橡膠提高了負極片在銅箔上的附著力和均勻性，但其仍舊具備以下缺陷:
首先，該發(fā)明采用的活性材料是普通石墨，并沒有針對活性材料與電池大功率放電、高比能量、長使用壽命之間的聯(lián)系做出改進，導致該發(fā)明所應用的鋰電池不能實現(xiàn)在鋰離子電池大電流放電性能的基礎上延長電池壽命的要求，難以滿足現(xiàn)有混合動力車的性能需求；
其次，該發(fā)明在制作負極漿料時，對原材料采取同時添加、同時混合的方式，不利于各個材料的均勻混合與分散，不僅易降低負極極片的比能量與使用壽命，而且易增高負極極片的內(nèi)阻，不利于大電流放電。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的無法同時滿足鋰離子電池大電流放電、具備較長電池壽命的缺陷與問題，提供一種能在滿足鋰離子電池大電流放電性能的基礎上延長電池壽命的鋰離子電池負極極片及其制作方法。
[0006]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術解決方案是:一種鋰離子電池負極極片，該負極極片包括集流體及其上涂覆的負極材料層；所述負極材料層的組成及其質(zhì)量份比為:活性物質(zhì)92 - 95、羥甲基纖維素鈉1.5- 1.8、導電劑1- 1.5、水性丁苯橡膠2.5 - 2.8 ;所述活性物質(zhì)是聞端人造石墨或中間相炭微球。
[0007]所述高端人造石墨是指上海杉杉科技有限公司的CAG - 3型、FSN-1型、MCP -1H型人造石墨，臺灣榮炭科技股份有限公司的LT - A509KP型人造石墨，新鄉(xiāng)市華鑫能源材料股份有限公司AG360型、MGD - 8型、NG - 198型、TG - M2型人造石墨中的任意一種。
[0008]所述負極材料層的組成及其質(zhì)量份比為:活性物質(zhì)93、羥甲基纖維素鈉1.6、導電劑1.2、水性丁苯橡膠2.6。
[0009]所述中間相炭微球的比表面積大于1.5m2/g。
[0010]所述導電劑為炭黑、石墨、碳納米管中的一種或任意兩種以上的混合物。
[0011]所述集流體為銅箔，該銅箔的面密度為88±5g/ m2。
[0012]所述負極極片雙面的面密度均為120g/m2 ±3g/m2，負極極片的壓實密度為1.2 -1.9g/m2。
[0013]一種上述鋰離子電池負極極片的制作方法，該制作方法依次包括負極漿料的制作、負極漿料的涂覆與后處理，所述負極漿料的制作是指:
先將去離子水作為溶劑加入到配料罐中，再加入羥甲基纖維素鈉，然后高速攪拌，直至羥甲基纖維素鈉在去離子水中完全溶解以得到羥甲基纖維素鈉膠液，再在羥甲基纖維素鈉膠液中加入導電劑，然后高速攪拌，直至導電劑在羥甲基纖維素鈉膠液中均勻分散以得到導電膠液，再在導電膠液中加入活性物質(zhì)，然后高速攪拌，直至活性物質(zhì)在導電膠液中均勻分散以得到活性膠液，再在活性膠液中加入水性丁苯橡膠、草酸，高速攪拌1-2h后再轉低速攪拌，直至黏度為2000 - 3500mpa.s時負極漿料制作完成，該負極漿料中草酸的質(zhì)量百分比濃度為0.1 %，負極漿料的固含量為40% -43%。
[0014]所述羥甲基纖維素鈉加入后的攪拌時間是2 - 4h ;所述導電劑加入后的攪拌時間1- 2h ;所述活性物質(zhì)加入后的攪拌時間是2 - 4h ;所述高速是指公轉40HZ、自轉45HZ，低速是指公轉10HZ、自轉10HZ。
[0015]所述負極漿料的涂覆與后處理是指:先將所述負極漿料涂布在集流體上以得到涂布極片，再將涂布極片依次經(jīng)干燥、輥壓、沖壓后放在真空箱內(nèi)干燥即可得到所述負極極片。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為:
1、本發(fā)明一種鋰離子電池負極極片及其制作方法中的活性物質(zhì)采用高端人造石墨或中間相炭微球，該種高端人造石墨利于鋰離子的遷移，能夠顯著提高鋰離子電池的大電流放電、比能量、使用壽命等性能，有助于實現(xiàn)在鋰離子電池大電流放電性能的基礎上延長電池壽命的要求，從而滿足現(xiàn)有混合動力車的性能需求。因此，本發(fā)明能夠確保其所應用的鋰離子電池在滿足大電流放電性能的基礎上延長電池壽命。
[0017]2、本發(fā)明一種鋰離子電池負極極片及其制作方法在制取負極漿料時，其原料的添加順序依次是羥甲基纖維素鈉、導電劑、活性物質(zhì)、水性丁苯橡膠，采用這種添加順序的原因在于:先加入粘結劑形成膠液，再加入導電劑，是因為導電劑粒度較小沒有活性物質(zhì)容易分散，故在活性物質(zhì)之前加入導電劑進行分散，使得各種原料更加均勻分散，同時，最先加入的羥甲基纖維素鈉起粘接作用，最后加入的水性丁苯橡膠起增稠作用，兩種粘結劑前、后分別加入，更利于形成均勻度較好、粘結性較強的負極漿料，不僅有利于提高負極極片的比能量與使用壽命，而且易降低負極極片的內(nèi)阻，利于大電流放電。因此，本發(fā)明易制得均勻度較好、粘結性較強的負極漿料，利于提高負極極片的大電流放電、比能量與使用壽命。
【具體實施方式】
[0018]以下結合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0019]一種鋰離子電池負極極片，該負極極片包括集流體及其上涂覆的負極材料層；所述負極材料層的組成及其質(zhì)量份比為:活性物質(zhì)92 - 95、羥甲基纖維素鈉1.5 - 1.8、導電劑1- 1.5、水性丁苯橡膠2.5 - 2.8 ;所述活性物質(zhì)是高端人造石墨或中間相炭微球。
[0020]所述高端人造石墨是指上海杉杉科技有限公司的CAG - 3型、FSN-1型、MCP -1H型人造石墨，臺灣榮炭科技股份有限公司的LT - A509KP型人造石墨，新鄉(xiāng)市華鑫能源材料股份有限公司AG360型、MGD - 8型、NG - 198型、TG - M2型人造石墨中的任意一種。
[0021]所述負極材料層的組成及其質(zhì)量份比為:活性物質(zhì)93、羥甲基纖維素鈉1.6、導電劑1.2、水性丁苯橡膠2.6。
[0022]所述中間相炭微球的比表面積大于1.5m2/g。
[0023]所述導電劑為炭黑、石墨、碳納米管中的一種或任意兩種以上的混合物。
[0024]所述集流體為銅箔，該銅箔的面密度為88±5g/ m2。
[0025]所述負極極片雙面的面密度均為120g/m2 ±3g/m2，負極極片的壓實密度為1.2 -
1.9g/m2。
[0026]一種上述鋰離子電池負極極片的制作方法，該制作方法依次包括負極漿料的制作、負極漿料的涂覆與后處理，所述負極漿料的制作是指:
先將去離子水作為溶劑加入到配料罐中，再加入羥甲基纖維素鈉，然后高速攪拌，直至羥甲基纖維素鈉在去離子水中完全溶解以得到羥甲基纖維素鈉膠液，再在羥甲基纖維素鈉膠液中加入導電劑，然后高速攪拌，直至導電劑在羥甲基纖維素鈉膠液中均勻分散以得到導電膠液，再在導電膠液中加入活性物質(zhì)，然后高速攪拌，直至活性物質(zhì)在導電膠液中均勻分散以得到活性膠液，再在活性膠液中加入水性丁苯橡膠、草酸，高速攪拌I _2h后再轉低速攪拌，直至黏度為2000 - 3500mpa.s時負極漿料制作完成，該負極漿料中草酸的質(zhì)量百分比濃度為0.1 %，負極漿料的固含量為40% -43%。
[0027]所述羥甲基纖維素鈉加入后的攪拌時間是2 - 4h ;所述導電劑加入后的攪拌時間1- 2h ;所述活性物質(zhì)加入后的攪拌時間是2 - 4h ;所述高速是指公轉40HZ、自轉45HZ，低速是指公轉10HZ、自轉10HZ。
[0028]所述負極漿料的涂覆與后處理是指:先將所述負極漿料涂布在集流體上以得到涂布極片，再將涂布極片依次經(jīng)干燥、輥壓、沖壓后放在真空箱內(nèi)干燥即可得到所述負極極片。
[0029]本發(fā)明的原理說明如下:
1、聞端人造石墨:
本發(fā)明的活性物質(zhì)采用高端人造石墨或中間相炭微球，尤其是高端人造石墨，該高端人造石墨是指上海杉杉科技有限公司的CAG - 3型、FSN-1型、MCP -1H型人造石墨，臺灣榮炭科技股份有限公司的LT - A509KP型人造石墨，新鄉(xiāng)市華鑫能源材料股份有限公司AG360型、MGD - 8型、NG - 198型、TG - M2型人造石墨中的任意一種，該種高端人造石墨的優(yōu)點如下:
1)增強石墨單顆粒的各向同性，增加鋰離子通道，增強電解液的浸潤性；
2)石墨顆粒的微顆粒層片結構有一定的扭曲，不易與PC發(fā)生插層反應，與電解液相容性強，負極不易發(fā)生膨脹；
3)石墨和粘結劑結合，粘結劑揮發(fā)形成介孔使得材料壓縮密度增大，緩和電極的膨脹收縮，壽命延長；
4)石墨顆粒較小，一方面可以使電極的電流密度降低，減少極化，另一方面可以有更多的鋰離子遷移通道，使遷移路徑短，擴散阻抗較小，倍率性能增強。
[0030]由上可見，采用高端人造石墨作為活性材料，利于鋰離子的遷移，能夠顯著提高鋰離子電池的大電流放電、比能量、使用壽命等性能，有助于實現(xiàn)在鋰離子電池大電流放電性能的基礎上延長電池壽命的要求，從而滿足現(xiàn)有混合動力車的性能需求。
[0031]2、負極漿料的添加順序依次是羥甲基纖維素鈉、導電劑、活性物質(zhì)、水性丁苯橡膠，采用這種添加順序的原因在于:
先加入粘結劑形成膠液，后因為導電劑粒度較小沒有活性物質(zhì)容易分散，故在活性物質(zhì)之前加入導電劑進行分散，使得漿料中每一種物質(zhì)的分布均一性良好，同時，最先加入的羥甲基纖維素鈉其粘接作用，最后加入的水性丁苯橡膠起增稠作用，兩種粘結劑在前、后分別加入，不僅利于提聞均勻度，而且可使楽.料黏度穩(wěn)定，提聞粘結性，不僅有利于提聞負極極片的比能量與使用壽命，而且易降低負極極片的內(nèi)阻，利于大電流放電。
[0032]3、活性物質(zhì)92 - 95、羥甲基纖維素鈉1.5- 1.8、導電劑1- 1.5、水性丁苯橡膠
2.5 - 2.8用量設計的原因在于:
羥甲基纖維素鈉:用量如果低于標準，將導致負極極片的粘接性能變差，極粉易脫落，電池內(nèi)阻變大，如果高于標準，會使鋰離子遷移阻力增大，不利于電池大電流放電；
導電劑:其密度較小，不利于輥壓，當用量較低會影響極片的導電性能變差，較高的話，會影響極片的壓實密度，使之變小，從而影響電池的體積密度；
水性丁苯橡膠:當用量過低會導致漿料離散性增大，直接影響下道工序操作且使得漿料在集流體上分布不均勻，用量過高時，會影響活性物質(zhì)的質(zhì)量百分數(shù)。
[0033]4、材料參數(shù):
負極極片的面密度限定為120g/ m2 ±3g/ m2:這個數(shù)值是根據(jù)正極材料發(fā)揮的克比容量、負極材料發(fā)揮的克比容量及正極面密度的關系設計出來的，不在這個范圍內(nèi)制作的電池安全性能有隱患。
[0034]負極極片的壓實密度限定為1.2 - 1.9g/m2:這個是材料的特性，太大的話主材料形貌就會被壓碎，且不利于鋰離子遷移；太小的話極化內(nèi)阻比較大。
[0035]銅箔的面密度限定為88±5g/m2:面密度過大，影響電池的能量密度，面密度過小，不利于電池大電流放電。
[0036]中間相炭微球的比表面積大于1.5m2/g:利于大電流放電。
[0037]負極漿料中草酸的質(zhì)量百分比濃度為0.1%:利于提高負極與集流體的附著力。
[0038]實施例1:
一種鋰離子電池負極極片，該負極極片包括集流體及其上涂覆的負極材料層；所述負極材料層的組成及其質(zhì)量份比為:活性物質(zhì)92、羥甲基纖維素鈉1.5、導電劑1、水性丁苯橡膠2.5 ;所述活性物質(zhì)是高端人造石墨或中間相炭微球；所述高端人造石墨是指上海杉杉科技有限公司的CAG - 3型、FSN-1型、MCP -1H型人造石墨，臺灣榮炭科技股份有限公司的LT - A509KP型人造石墨，新鄉(xiāng)市華鑫能源材料股份有限公司AG360型、M⑶-8型、NG - 198型、TG - M2型人造石墨中的任意一種；
所述中間相炭微球的比表面積大于1.5m2/g ;所述導電劑為炭黑、石墨、碳納米管中的一種或任意兩種以上的混合物；所述集流體為銅箔，該銅箔的面密度為88±5g/ m2 ;所述負極極片雙面的面密度均為120g/ m2 ±3g/ m2，負極極片的壓實密度為1.2 - 1.9g/m2。
[0039]一種上述鋰離子電池負極極片的制作方法，該制作方法依次包括以下步驟:
負極漿料的制作:先將去離子水作為溶劑加入到配料罐中，再加入羥甲基纖維素鈉，然后高速攪拌，直至羥甲基纖維素鈉在去離子水中完全溶解以得到羥甲基纖維素鈉膠液，再在羥甲基纖維素鈉膠液中加入導電劑，然后高速攪拌，直至導電劑在羥甲基纖維素鈉膠液中均勻分散以得到導電膠液，再在導電膠液中加入活性物質(zhì)，然后高速攪拌，直至活性物質(zhì)在導電膠液中均勻分散以得到活性膠液，再在活性膠液中加入水性丁苯橡膠、草酸，高速攪拌1- 2h后再轉低速攪拌，直至黏度為2000 - 3500mpa.s時負極漿料制作完成，該負極漿料中草酸的質(zhì)量百分比濃度為0.1%，負極漿料的固含量為40% -43% ;所述羥甲基纖維素鈉加入后的攪拌時間是2 - 4h，導電劑加入后的攪拌時間1- 2h，活性物質(zhì)加入后的攪拌時間是2 - 4h ;所述高速是指公轉40HZ、自轉45HZ，低速是指公轉10HZ、自轉1HZ ；
負極漿料的涂覆與后處理:先將所述負極漿料涂布在集流體上以得到涂布極片，再將涂布極片依次經(jīng)干燥、輥壓、沖壓后放在真空箱內(nèi)干燥即可得到所述負極極片。
[0040]實施例2:
基本內(nèi)容同實施例1，不同之處在于所述負極材料層的組成及其質(zhì)量份比為:活性物質(zhì)93、羥甲基纖維素鈉1.6、導電劑1.2、水性丁苯橡膠2.6。
[0041]實施例3:
基本內(nèi)容同實施例1，不同之處在于所述負極材料層的組成及其質(zhì)量份比為:活性物質(zhì)95、羥甲基纖維素鈉1.8、導電劑1.5、水性丁苯橡膠2.8。
【權利要求】
1.一種鋰離子電池負極極片，該負極極片包括集流體及其上涂覆的負極材料層，其特征在于所述負極材料層的組成及其質(zhì)量份比為:活性物質(zhì)92 - 95、羥甲基纖維素鈉1.5 -1.8、導電劑1- 1.5、水性丁苯橡膠2.5 - 2.8 ;所述活性物質(zhì)是高端人造石墨或中間相炭微球。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種鋰離子電池負極極片，其特征在于:所述高端人造石墨是指上海杉杉科技有限公司的CAG - 3型、FSN-1型、MCP -1H型人造石墨，臺灣榮炭科技股份有限公司的LT - A509KP型人造石墨，新鄉(xiāng)市華鑫能源材料股份有限公司AG360型、M⑶-8型、NG - 198型、TG - M2型人造石墨中的任意一種。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種鋰離子電池負極極片，其特征在于:所述負極材料層的組成及其質(zhì)量份比為:活性物質(zhì)93、羥甲基纖維素鈉1.6、導電劑1.2、水性丁苯橡膠2.6。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種鋰離子電池負極極片，其特征在于:所述中間相炭微球的比表面積大于1.5m2/g。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的一種鋰離子電池負極極片，其特征在于:所述導電劑為炭黑、石墨、碳納米管中的一種或任意兩種以上的混合物。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的一種鋰離子電池負極極片，其特征在于:所述集流體為銅箔，該銅箔的面密度為88±5g/ m2。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的一種鋰離子電池負極極片，其特征在于:所述負極極片雙面的面密度均為120g/ m2 ±3g/ m2，負極極片的壓實密度為1.2 - 1.9g/m2。
8.—種權利要求1所述的鋰離子電池負極極片的制作方法，該制作方法依次包括負極漿料的制作、負極漿料的涂覆與后處理，其特征在于所述負極漿料的制作是指: 先將去離子水作為溶劑加入到配料罐中，再加入羥甲基纖維素鈉，然后高速攪拌，直至羥甲基纖維素鈉在去離子水中完全溶解以得到羥甲基纖維素鈉膠液，再在羥甲基纖維素鈉膠液中加入導電劑，然后高速攪拌，直至導電劑在羥甲基纖維素鈉膠液中均勻分散以得到導電膠液，再在導電膠液中加入活性物質(zhì)，然后高速攪拌，直至活性物質(zhì)在導電膠液中均勻分散以得到活性膠液，再在活性膠液中加入水性丁苯橡膠、草酸，高速攪拌I _2h后再轉低速攪拌，直至黏度為2000 - 3500mpa.s時負極漿料制作完成，該負極漿料中草酸的質(zhì)量百分比濃度為0.1 %，負極漿料的固含量為40% -43%。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種鋰離子電池負極極片的制作方法，其特征在于:所述羥甲基纖維素鈉加入后的攪拌時間是2 - 4h ;所述導電劑加入后的攪拌時間1- 2h ;所述活性物質(zhì)加入后的攪拌時間是2 - 4h ;所述高速是指公轉40HZ、自轉45HZ，低速是指公轉10HZ、自轉1HZ。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的一種鋰離子電池負極極片的制作方法，其特征在于所述負極漿料的涂覆與后處理是指: 先將所述負極漿料涂布在集流體上以得到涂布極片，再將涂布極片依次經(jīng)干燥、輥壓、沖壓后放在真空箱內(nèi)干燥即可得到所述負極極片。
【文檔編號】H01M4/583GK104201384SQ201410157257
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年4月19日 優(yōu)先權日:2014年4月19日
【發(fā)明者】惠懷兵, 劉立炳, 孟仙雅, 馮修成, 陳果 申請人:東風商用車有限公司