一种水系叠片式锂离子电池极片的制备方法与流程

本发明涉及一种水系叠片式锂离子电池极片的制备方法，属于锂离子电池生产技术领域。

背景技术：

随着不可再生资源的过度消耗以及生态环境的恶化，人类社会的发展面临着前所未有的挑战和风险，因此发展清洁、方便、无污染又安全的新能源已迫在眉睫。这其中锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、循环寿命长、安全性能优、绿色环保等特点，受到世界各国的广泛关注。伴随着新能源汽车的快速发展，锂离子电池的研发以及新材料领域的创新也随之加快。

锂离子电池一般由正极片、负极片以及间隔于正、负极片之间的隔膜组成。正、负极片主要由集流体和涂覆在集流体表面的正、负极浆料构成。电极片的制作流程一般为：首先将电极活性物质(如磷酸铁锂、钴酸锂、石墨等)、导电剂(如Super P、碳纳米管、KS-6、碳纤维等)、粘结剂(如聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶等)和溶剂(如N-甲基吡咯烷酮、水等)进行混合制成相应的电极浆料，再把浆料按照一定的要求均匀地涂覆在集流体表面，随后进行辗压、分切、模切，得到相应的电池极片。众所周知，极片质量的好坏对锂离子电池性能、一致性、安全性能都有着重要的影响。合理的工艺设计有利于提高极片的生产效率，使极片表面涂覆材料分布更加均匀，表面缺陷更少，并可以在线剔除缺陷，减少加工过程中边角料损失。

目前，大多数水系高压实电极片的生产工艺为：间歇涂布→分条→连续辊压→五金模切片，或者采用连续涂布→分条→五金模切片→单片辊压工艺。然而第一种工艺存在的问题是间歇涂布的工作效率低，且头尾异常区范围大，边角料报废率高，辊压机频繁震动负荷大，切片效率低。而第二种工艺存在的问题是辊压效率低，辊压一致性差。公布号CN103357557A的发明专利公开了一种高粘度浆料连续涂布制备锰一次电池正极片的方法，包括：将热处理后的电解二氧化锰与导电炭黑混合，加入含极性醇类溶剂(如乙醇、异丙醇、正丁醇等)的去离子水或蒸馏水混合，得到湿的混合物，再加入粘结剂的水溶液，继续混合，得到高粘度浆料；将高粘度浆料制成粒状，经涂布辊辊压后成为连续片状，并经辊压粘结在集流体两侧，连续制备出厚度均匀的正极料片，经烘干、辊压、裁切及清粉工序，得到所需的正极片。然而，使用高粘度粒状物进行涂布，涂布面密度一致性差，涂布效率低，使用辊压方式使浆料粘附在集流体上，粘附力差，过程可能存在粘辊问题，这些均会对电池性能和加工性能产生影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种水系叠片式锂离子电池极片的制备方法，具有以下优点：1)实现连续涂布，提高涂布效率，减小涂布厚度异常区范围，在线监控涂布厚度；2)实现连续辊压，提高辊压效率，在线监控辊压厚度，减轻辊压机频繁震动损耗；3)分切时被分切区厚度一致，分切缺陷小、稳定性好；4)使用高速切片设备能提高切片效率，并利用CCD影像测量仪在线监测极片表面缺陷，剔除NG极片；5)减少原材料边角料的浪费，提高正负极箔材及正负极材料的利用率。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

水系叠片式锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：

1)涂布浆料

正极：在正极集流体的两面连续涂覆炭料形成涂炭层，再采用挤压涂布方式在双面涂炭的集流体上连续涂布水系正极浆料，涂布速度20～25m/min，供料转速110～130rpm，张力55～70N，烘箱温度100～130℃，涂布单面面密度170～180g/m²，双面面密度340～360g/m²；

负极：采用挤压涂布方式在负极集流体的两面连续涂布水系负极浆料，涂布速度25～30m/min，供料转速40～60rpm，张力80～100N，烘箱温度60～90℃，涂布单面面密度77.5～87.5g/m²，双面面密度155～175g/m²；

2)辊压

正极：涂布完毕，采用连续热辊压方式压实极卷，辊轮温度70～90℃，辊压速度35～45m/min，压实密度2.10～2.35g/cm³；

负极：涂布完毕，采用连续冷辊压方式压实极卷，辊压速度35～45m/min，压实密度1.5～1.7g/cm³；

3)分切和切片

采用一出二方式，沿极卷宽度方向中心线进行分切，分切后切片，即得。

步骤1)中正极集流体为铝箔，其厚度为12～20μm，涂炭层的厚度为1～2μm。铝箔的宽度为420～450mm，涂炭层的宽度为375～405mm，涂炭层位于铝箔宽度方向中心位置。

步骤1)中炭料的组成为：以质量比计，导电剂Super P:导电剂KS6:粘结剂羧甲基纤维素钠:粘结剂丁苯橡胶＝40～50:15～25:25～35:3～8；优选为45:20:30:5。

步骤1)中采用凹版印刷方式涂覆炭料，涂布速度30～40m/min，涂布单面面密度1～3g/m²，双面面密度2～6g/m²，烘箱温度60～80℃。

步骤1)中水系正极浆料的涂覆区位于铝箔宽度方向中心位置，两侧留白宽度为20～30mm。水系正极浆料的组成为：以质量比计，磷酸铁锂:碳纳米管:Super P:聚偏氟乙烯:N-甲基吡咯烷酮＝90～95:0.8～1.2:1.5～2.5:3～5:90～95；优选为93:1:2:4:92.3。

步骤1)中负极集流体为铜箔，其厚度为8～12μm。铜箔的宽度为426～456mm，水系负极浆料的涂覆区位于铜箔宽度方向中心位置，两侧留白宽度为20～30mm。水系负极浆料的组成为：以质量比计，石墨:Super P:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶:水＝92～98:0.8～1.2:1～2:2～3:45～55；优选为95:1:1.5:2.5:50。

步骤1)中正、负极涂布过程中均使用激光测厚装置对涂覆区厚度进行在线监控，激光测厚装置的测量精度为1μm，厚度极差控制为5μm。

步骤2)中正、负极辊压过程中也使用激光测厚装置在线测量辊压厚度，厚度极差控制为4μm。

步骤3)中分切的宽度精度为±0.5mm，任意方向上毛刺长度不超出涂覆层表面。

步骤3)中切片采用高速切片设备，先切出倒角，再切断。切片速度为110～130片/min，极片边缘无掉粉，任意方向上毛刺长度不超出涂覆区。切片过程中使用CCD在线监测极片表面质量，并自动剔除NG极片。

本发明的有益效果：

本发明中水系叠片锂离子电池极片的制备方法具有以下优点：1)采用挤压连续涂布方式在集流体上涂覆正、负极浆料，并使用激光测厚装置在线监控极片厚度，使得极片面密度更加一致，相较间歇涂布方式，厚度异常区面积减少70％，涂布速度提高3.5倍；2)正极采用连续热辊辊压方式，负极采用连续冷辊辊压方式，并使用激光测厚装置在线监控辊压厚度，相较间歇涂布连续辊压方式，可避免因极卷厚度间歇变化引起的辊压机频繁震动，延长辊压机使用寿命，并使辊压速度提升至1.2倍；3)由于是连续涂布，分切时分切部位厚度基本无变化，相较间歇涂布，分切稳定性更好，且能避免毛刺和掉粉情况出现；4)由于是连续涂布，可以使用高速切片设备切片，并使用CCD在线监控极片表面质量，自动剔除NG极片，保证极片质量，切片速度是间歇涂布方式的4倍；5)减少原材料边角料的浪费，提高正负极箔材利用率(90％)和正负极材料利用率(98％)。

附图说明

图1为从极卷中裁切极片的静态示意图；

图2为实施例1及对比例1中极片厚度异常区示意图；

图3为实施例1中正极片辊压后的SEM图。

具体实施方式

下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

水系叠片式锂离子电池极片的制备步骤如下：

1)连续涂布浆料

正极：采用凹版印刷方式在15μm厚铝箔的两面连续涂布炭料(以质量比计，Super P:KS6:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶＝45:20:30:5)形成涂炭层，涂布速度35m/min，涂布单面面密度2g/m²，双面面密度4g/m²，烘箱温度70℃，铝箔的宽度为420mm，涂炭层的宽度为375mm，涂炭层位于铝箔宽度方向中心位置，厚度1.5μm；涂布完成后，采用挤压涂布方式在双面涂炭的铝箔上连续涂覆水系正极浆料(以质量比计，磷酸铁锂:碳纳米管:Super P:聚偏氟乙烯:N-甲基吡咯烷酮＝93:1:2:4:92.3)，涂布速度20m/min，供料转速120rpm，张力60N，烘箱温度120℃，涂布单面面密度172.5g/m²，双面面密度345g/m²，涂覆区位于铝箔宽度方向中心位置，厚度190μm，两侧留白宽度分别为25mm；

负极：采用挤压涂布方式在10μm厚铜箔的两面连续涂布水系负极浆料(以质量比计，石墨:Super P:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶:水＝95:1:1.5:2.5:50)，涂布速度25m/min，供料转速50rpm，张力90N，烘箱温度75℃，涂布单面面密度82.5g/m²，双面面密度165g/m²，铜箔的宽度为426mm，涂覆区位于铜箔宽度方向中心位置，厚度165μm，两侧留白宽度分别为23mm；

涂布过程中使用激光测厚装置对涂覆区厚度进行在线监控，激光测厚装置的测量精度为1μm，厚度极差控制5μm；

2)连续辊压

对连续涂布后的极卷进行连续辊压，正极采用连续热辊压方式，设置辊轮温度80℃，辊压速度40m/min，压实密度2.3g/cm³；负极采用连续冷辊压方式，辊压速度40m/min，压实密度1.55g/cm³；

辊压过程中使用激光测厚装置在线测量辊压厚度，厚度极差控制4μm；

3)裁切

分切：对连续辊压后的极卷进行分切，采用一出二方式，沿极卷宽度方向中心线进行分切，要求分切宽度精度为±0.5mm，分切毛刺在任意方向上的长度不超出涂覆层表面；

切片：分切后的极卷使用高速切片设备(舜源高速切片机，型号SY-CQS-2027A1)进行切片，先切出倒角，再切断，切片速度为120片/min，要求极片边缘无掉粉，任意方向上毛刺长度不超出涂覆层表面；切片过程中使用CCD在线监测极片表面质量，自动剔除NG极片。

图1所示为从极卷中裁切极片的静态示意图，图中1为极片，2为裁切掉的集流体(也即铝箔或铜箔)。

实施例2

水系叠片式锂离子电池极片的制备步骤如下：

1)连续涂布浆料

正极：采用凹版印刷方式在12μm厚铝箔的两面连续涂布炭料(以质量比计，Super P:KS6:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶＝40:15:25:3)形成涂炭层，涂布速度30m/min，涂布单面面密度1g/m²，双面面密度2g/m²，烘箱温度60℃，铝箔的宽度为430mm，涂炭层的宽度为385mm，涂炭层位于铝箔宽度方向中心位置，厚度1.5μm；涂布完成后，采用挤压涂布方式在双面涂炭的铝箔上连续涂覆水系正极浆料(以质量比计，磷酸铁锂:碳纳米管:Super P:聚偏氟乙烯:N-甲基吡咯烷酮＝90:0.8:1.5:3:90)，涂布速度20m/min，供料转速110rpm，张力55N，烘箱温度100℃，涂布单面面密度170g/m²，双面面密度340g/m²，涂覆区位于铝箔宽度方向中心位置，厚度185μm，两侧留白宽度分别为30mm；

负极：采用挤压涂布方式在8μm厚铜箔的两面连续涂布水系负极浆料(以质量比计，石墨:Super P:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶:水＝92:0.8:1:2:45)，涂布速度25m/min，供料转速40rpm，张力80N，烘箱温度60℃，涂布单面面密度77.5g/m²，双面面密度155g/m²，铜箔的宽度为426mm，涂覆区位于铜箔宽度方向中心位置，厚度160μm，两侧留白宽度分别为28mm；

涂布过程中使用激光测厚装置对涂覆区厚度进行在线监控，激光测厚装置的测量精度为1μm，厚度极差控制5μm；

2)连续辊压

对连续涂布后的极卷进行连续辊压，正极采用连续热辊压方式，设置辊轮温度70℃，辊压速度42m/min，压实密度2.35g/cm³；负极采用连续冷辊压方式，辊压速度42m/min，压实密度1.6g/cm³；

辊压过程中使用激光测厚装置在线测量辊压厚度，厚度极差控制4μm；

3)裁切

分切：对连续辊压后的极卷进行分切，采用一出二方式，沿极卷宽度方向中心线进行分切，要求分切宽度精度为±0.5mm，分切毛刺在任意方向上的长度不超出涂覆层表面；

切片：分切后的极卷使用高速切片设备(舜源高速切片机，型号SY-CQS-2027A1)进行切片，先切出倒角，再切断，切片速度为120片/min，要求极片边缘无掉粉，任意方向上毛刺长度不超出涂覆层表面；切片过程中使用CCD在线监测极片表面质量，自动剔除NG极片。

实施例3

水系叠片式锂离子电池极片的制备步骤如下：

1)连续涂布浆料

正极：采用凹版印刷方式在20μm厚铝箔的两面连续涂布炭料(以质量比计，Super P:KS6:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶＝50:25:35:8)形成涂炭层，涂布速度40m/min，涂布单面面密度3g/m²，双面面密度6g/m²，烘箱温度80℃，铝箔的宽度为450mm，涂炭层的宽度为405mm，涂炭层位于铝箔宽度方向中心位置，厚度1.5μm；涂布完成后，采用挤压涂布方式在双面涂炭的铝箔上连续涂覆水系正极浆料(以质量比计，磷酸铁锂:碳纳米管:Super P:聚偏氟乙烯:N-甲基吡咯烷酮＝95:1.2:2.5:5:95)，涂布速度25m/min，供料转速130rpm，张力70N，烘箱温度130℃，涂布单面面密度180g/m²，双面面密度360g/m²，涂覆区位于铝箔宽度方向中心位置，厚度205μm，两侧留白宽度分别为27mm；

负极：采用挤压涂布方式在12μm厚铜箔的两面连续涂布水系负极浆料(以质量比计，石墨:Super P:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶:水＝98:1.2:2:3:55)，涂布速度30m/min，供料转速60rpm，张力100N，烘箱温度90℃，涂布单面面密度87.5g/m²，双面面密度175g/m²，铜箔的宽度为426mm，涂覆区位于铜箔宽度方向中心位置，厚度172μm，两侧留白宽度分别为25mm；

涂布过程中使用激光测厚装置对涂覆区厚度进行在线监控，激光测厚装置的测量精度为1μm，厚度极差控制5μm；

2)连续辊压

对连续涂布后的极卷进行连续辊压，正极采用连续热辊压方式，设置辊轮温度90℃，辊压速度37m/min，压实密度2.2g/cm³；负极采用连续冷辊压方式，辊压速度37m/min，压实密度1.55g/cm³；

辊压过程中使用激光测厚装置在线测量辊压厚度，厚度极差控制4μm；

3)裁切

分切：对连续辊压后的极卷进行分切，采用一出二方式，沿极卷宽度方向中心线进行分切，要求分切宽度精度为±0.5mm，分切毛刺在任意方向上的长度不超出涂覆层表面；

切片：分切后的极卷使用高速切片设备(舜源高速切片机，型号SY-CQS-2027A1)进行切片，先切出倒角，再切断，切片速度为120片/min，要求极片边缘无掉粉，任意方向上毛刺长度不超出涂覆层表面；切片过程中使用CCD在线监测极片表面质量，自动剔除NG极片。

实施例4

水系叠片式锂离子电池极片的制备步骤如下：

1)连续涂布浆料

正极：采用凹版印刷方式在19μm厚铝箔的两面连续涂布炭料(以质量比计，Super P:KS6:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶＝40:25:25:8)形成涂炭层，涂布速度35m/min，涂布单面面密度2.5g/m²，双面面密度5g/m²，烘箱温度75℃，铝箔的宽度为450mm，涂炭层的宽度为405mm，涂炭层位于铝箔宽度方向中心位置，厚度1.5μm；涂布完成后，采用挤压涂布方式在双面涂炭的铝箔上连续涂覆水系正极浆料(以质量比计，磷酸铁锂:碳纳米管:Super P:聚偏氟乙烯:N-甲基吡咯烷酮＝90:1.2:1.5:5:90)，涂布速度25m/min，供料转速125rpm，张力65N，烘箱温度125℃，涂布单面面密度177.5g/m²，双面面密度355g/m²，涂覆区位于铝箔宽度方向中心位置，厚度196μm，两侧留白宽度分别为27mm；

负极：采用挤压涂布方式在10μm厚铜箔的两面连续涂布水系负极浆料(以质量比计，石墨:Super P:羧甲基纤维素钠:丁苯橡胶:水＝98:0.8:2:2:55)，涂布速度28m/min，供料转速55rpm，张力95N，烘箱温度80℃，涂布单面面密度85g/m²，双面面密度170g/m²，铜箔的宽度为426mm，涂覆区位于铜箔宽度方向中心位置，厚度165μm，两侧留白宽度分别为25mm；

涂布过程中使用激光测厚装置对涂覆区厚度进行在线监控，激光测厚装置的测量精度为1μm，厚度极差控制5μm；

2)连续辊压

对连续涂布后的极卷进行连续辊压，正极采用连续热辊压方式，设置辊轮温度90℃，辊压速度39m/min，压实密度2.25g/cm³；负极采用连续冷辊压方式，辊压速度39m/min，压实密度1.6g/cm³；

辊压过程中使用激光测厚装置在线测量辊压厚度，厚度极差控制4μm；

3)裁切

分切：对连续辊压后的极卷进行分切，采用一出二方式，沿极卷宽度方向中心线进行分切，要求分切宽度精度为±0.5mm，分切毛刺在任意方向上的长度不超出涂覆层表面；

切片：分切后的极卷使用高速切片设备(舜源高速切片机，型号SY-CQS-2027A1)进行切片，先切出倒角，再切断，切片速度为120片/min，要求极片边缘无掉粉，任意方向上毛刺长度不超出涂覆层表面；切片过程中使用CCD在线监测极片表面质量，自动剔除NG极片。

对比例1

水系叠片式锂离子电池极片的制备步骤如下：

1)间歇涂布浆料

正极：采用转移涂布方式在15μm厚铝箔的两面间歇涂布水系正极浆料(组成同实施例1)，涂布单面面密度172.5g/m²，双面面密度345g/m²，铝箔的宽度为405mm，间歇留白长度28mm，涂覆区位于铝箔宽度方向中心位置，两侧留白宽度2mm；

负极：采用转移涂布方式在10μm厚双面光铜箔的两面间歇涂布水系负极浆料(组成同实施例1)，涂布单面面密度82.5g/m²，双面面密度165g/m²，铜箔的宽度为426mm，间歇留白长度25mm，涂覆区位于铜箔宽度方向中心位置，两侧留白宽度2mm；

涂布过程中使用激光测厚装置对涂覆区厚度进行在线监控，激光测厚装置的测量精度为1μm，厚度极差控制为5μm；

2)连续辊压

对连续涂布后的极卷进行连续辊压，正极采用连续热辊压方式，设置辊轮温度80℃，辊压速度10m/min，压实密度2.3g/cm³；负极采用连续冷辊压方式，辊压速度10m/min，压实密度1.55g/cm³；

辊压过程中使用激光测厚装置在线测量辊压厚度，厚度极差控制为4μm；

3)裁切

分切：对连续辊压后的极卷进行分切，采用一出三方式，要求分切宽度精度为±0.5mm，分切毛刺在任意方向上的长度不超出涂覆层表面；

切片：分切后的极卷使用间歇切片设备(海得地间歇切片设备，型号HD-QP200AH)进行切片，切片速度30片/min，要求极片边缘无掉粉，任意方向上毛刺长度不超出涂覆区。

对比例2

1)连续涂布浆料

正极：采用凹版印刷方式在15μm厚铝箔的两面连续涂布炭料(组成同实施例1)形成涂炭层，涂布速度35m/min，涂布单面面密度2g/m²，双面面密度4g/m²，烘箱温度70℃，铝箔的宽度为420mm，涂炭层的宽度为375mm，涂炭层位于铝箔宽度方向中心位置，厚度1.5μm；涂布完成后，采用挤压涂布方式在双面涂炭的铝箔上连续涂覆水系正极浆料(同实施例1)，涂布速度20m/min，供料转速120rpm，张力60N，烘箱温度120℃，涂布单面面密度172.5g/m²，双面面密度345g/m²，涂覆区位于铝箔宽度方向中心位置，厚度190μm，两侧留白宽度分别为25mm；

负极：采用挤压涂布方式在10μm厚铜箔的两面连续涂布水系负极浆料(同实施例1)，涂布速度25m/min，供料转速50rpm，张力90N，烘箱温度75℃，涂布单面面密度82.5g/m²，双面面密度165g/m²，铜箔的宽度为426mm，涂覆区位于铜箔宽度方向中心位置，厚度165μm，两侧留白宽度分别为23mm；

涂布过程中使用激光测厚装置对涂覆区厚度进行在线监控，激光测厚装置的测量精度为1μm，厚度极差控制5μm；

2)裁切

分切：对连续涂布后的极卷进行分切，采用一出二方式，沿极卷宽度方向中心线进行分切，要求分切宽度精度为±0.5mm，分切毛刺在任意方向上的长度不超出涂覆层表面；

切片：分切后的极卷使用高速切片设备(同实施例1)进行切片，先切出倒角，再切断，切片速度为120片/min，要求极片边缘无掉粉，任意方向上毛刺长度不超出涂覆层表面；切片过程中使用CCD在线监测极片表面质量，自动剔除NG极片；

3)单片辊压

对切片后的极片进行单片辊压，正极采用热辊压方式，设置辊轮温度80℃，辊压速度10片/min，压实密度2.3g/cm³；负极采用连续冷辊压方式，辊压速度10片/min，压实密度1.55g/cm³；

辊压过程中使用激光测厚装置在线测量辊压厚度，厚度极差控制8μm。

实施例1及对比例1、2中极片制备工艺对比见下表1。

表1实施例及对比例中极片制备工艺对比

采用本发明中制备工艺得到的锂离子电池叠片式电芯极片质量好，生产效率高，涂布过程中极片的涂覆效果良好，面密度一致性好。

图2所示为实施例1及对比例1中极片厚度异常区示意图。图中a为实施例1中极片，b为对比例1中极片。由图2可知，实施例1中极片厚度异常区范围小，仅分布在极片的极耳根部处，而对比例1中厚度异常区范围大，在极片的极耳根部处和尾部均有较大范围的异常区，厚度异常区较正常区域薄6μm。

实施例1采用连续涂布、连续辊压方式，相较对比例1间歇涂布、连续辊压方式，能避免因极卷厚度间歇变化引起的辊压机频繁震动，延长辊压机使用寿命，并使辊压速度提升至1.2倍。实施例1由于是连续涂布，可以使用高速切片设备，相较对比例1可以使用CCD在线监控极片表面质量，自动剔除NG极片，保证极片质量，并且切片速度是间歇涂布方式的4倍。此外，实施例1还减少了原材料边角料的浪费，相较对比例1，正负极材料利用率由92％提高到98％，正负极集流体利用率由80％提高到90％。而对比例2采用单片辊压方式，效率极低，且辊压厚度一致性差，人工操作对产品质量影响较大。

图3所示为实施例1中正极片辊压后的SEM图。虽然实施例中极片加工方法与对比例的不同，但是通过调整涂层的面密度和压实密度，能够保证极片涂覆层的结构和分散情况与对比例中无异，同时产品的生产效率和报废率得到明显改善。