一种极片结构及锂离子电池的制作方法

1.本发明属于电池的技术领域，具体涉及一种极片结构及锂离子电池。


背景技术：

2.锂离子电池作为一种新型二次电池，具有能量密度和功率密度大、工作电压高、重量轻、体积小、循环寿命长、安全性好、绿色环保等优点，在便携式电器、电动工具、大型贮能、电动交通动力电源等方面具有广阔的应用前景。
3.在锂电池中，外力导致的失效是电芯发生起火的主要原因，角位，头尾部及右侧边是失效几率较高的位置，与跌落，外物刺破等使用场景有关，针对外物刺破这种失效原因，目前锂电池都在安全电芯上进行不同方向的研究，从正负极材料，电解液，隔膜以及涂层等方面进行对锂离子电池使用安全上的研究。
4.现有结构通过将涂层覆盖在铝箔上，达到保护铝箔的作用，但在一些滥用情况下，该涂层并不能达到安全作用。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，提供一种极片结构，通过优化涂层材料和厚度，能够避免电池发生热失控的问题，还能降低底涂层的厚度，从而减少能量密度的损失。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种极片结构，包括极片本体，所述极片本体包括：集流体；致密涂层，涂覆于所述集流体至少一个表面上；活性涂层，涂覆在所述致密涂层的表面；其中，所述致密涂层包括阻燃材料、导电剂及粘接剂，所述致密涂层的厚度为0.3-1.0μm。
8.优选的，所述阻燃材料的重量比例为30-50％，所述导电剂的重量比例为30-50％，所述粘接剂的重量比例为0-10％。
9.优选的，所述阻燃材料的d50粒径为0.02-2.0μm。
10.优选的，所述致密涂层的剥离强度大于10n/m。
11.优选的，所述极片本体的膜片电阻小于2.0ω。
12.优选的，所述阻燃材料为氧化铝、勃母石、纳米勃姆石、纳米氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、氧化镁、碳化硅中的至少一种。
13.优选的，所述导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
14.优选的，所述致密涂层的孔隙率小于等于50％。
15.优选的，所述致密涂层涂覆在所述集流体厚度方向的两面，所述活性涂层的面积大于所述致密涂层的面积。
16.本发明的目的之二在于提供一种锂离子电池，包括上述的极片结构。
17.本发明的有益效果在于，本发明将致密涂层涂覆于集流体至少一个表面上，在电芯滥用及异常发热情况下，致密涂层覆盖在集流体上，起保护集流体的作用，使其不会直接
与极性相反的电极接触，避免电池内部发生短路，同时，致密涂层的厚度较小，相比现有的结构，有助于减少能量密度损失，此外，致密涂层具有阻燃材料，能够在电池发生失效时，阻燃材料起到阻燃作用，防止电池失效甚至着火爆炸。本发明通过优化涂层材料和厚度，能够避免电池发生热失控的问题，还能降低底涂层的厚度，从而减少能量密度的损失。
附图说明
18.下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。
19.图1为本发明的结构示意图。
20.其中，附图标记说明如下：
21.1-集流体；
22.2-致密涂层；
23.3-活性涂层。
具体实施方式
24.如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
25.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.以下结合附图1对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
28.实施方式一
29.极片结构，包括极片本体，极片本体包括集流体1；致密涂层2，涂覆于集流体1至少一个表面上；活性涂层3，涂覆在致密涂层2的表面；其中，致密涂层2包括阻燃材料、导电剂及粘接剂，致密涂层2的厚度为0.3-1.0μm。
30.由于现有结构通过将涂层覆盖在铝箔上，达到保护铝箔的作用，但在一些滥用情况下，该涂层并不能达到安全作用，因此，将致密涂层2涂覆于集流体1至少一个表面上，在电芯滥用及异常发热情况下，致密涂层2覆盖在集流体1上，起保护集流体1的作用，使其不会直接与极性相反的电极接触，避免电池内部发生短路，同时，致密涂层2的厚度较小，相比现有的结构，有助于减少能量密度损失，此外，致密涂层2具有阻燃材料，能够在电池发生失效时，阻燃材料起到阻燃作用，防止电池失效甚至着火爆炸。
31.于本实施方式中，致密涂层2处于活性涂层3和集流体1之间，占用部分活性涂层3
的空间，通过限定致密涂层2的厚度，能够降低致密涂层2对电池能量密度的影响。活性涂层3包括活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂，按照预设质量比将活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂加入到搅拌罐中，制备出均一稳定的活性涂层3浆料，其中，活性物质包括正极活性物质和负极活性物质，正极活性物质为钴酸锂、镍锰钴酸锂、磷酸锰铁锂、磷酸铁钠、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、富锂锰基材料、镍钴铝酸锂和钛酸锂中的至少一种。负极活性物质可以是包括但不限于石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球、硅基材料、锡基材料、钛酸锂或其他能与锂形成合金的金属等中的一种或几种。其中，所述石墨可选自人造石墨、天然石墨以及改性石墨中的一种或几种；所述硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或几种；所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或几种。所述负极集流体通常是汇集电流的结构或零件，所述负极集流体可以是本领域各种适用于作为锂离子电池负极集流体的材料，集流体1可以是包括但不限于金属箔等，更具体可以是包括但不限于铝箔或铜箔等。
32.在根据本发明的极片结构中，阻燃材料的重量比例为30-50％，导电剂的重量比例为30-50％，粘接剂的重量比例为0-10％。限定阻燃材料、导电剂及粘接剂的重量比例，有助于发挥出涂层的安全作用，例如，优选将阻燃材料，导电剂、粘接剂按重量比50：45：5混合，不仅可以使得致密涂层2在电解液中具有锂离子导通电子绝缘的特性，且具有良好的韧性和机械强度，在极片受到外物刺穿或挤压时能更好的保护极片，避免电池短路；此外，致密涂层2的各物质之间还有具有电化学稳定性高的优点，在电解液中也不发生副反应，进一步保证了电池的使用安全，但本发明不以此为限，可根据实际电池设计，调整阻燃材料、导电剂及粘接剂的重量比例。
33.在根据本发明的极片结构中，由于材料的粒径直接影响涂层的厚度，限定阻燃材料的d50粒径为0.02-2.0μm，防止阻燃材料的粒径过大，无法达到预设厚度范围。
34.在根据本发明的极片结构中，致密涂层2的剥离强度大于10n/m，有助于降低致密涂层2发生脱落的概率，避免集流体1直接与极性相反的电极接触.
35.在根据本发明的极片结构中，限定极片本体的膜片电阻小于2.0ω，满足极片本体的过流需求，避免电阻过大，影响电池正常使用。
36.本发明的工作原理是：
37.将致密涂层2涂覆于集流体1至少一个表面上，在电芯滥用及异常发热情况下，致密涂层2覆盖在集流体1上，起保护集流体1的作用，使其不会直接与极性相反的电极接触，避免电池内部发生短路，同时，致密涂层2的厚度较小，相比现有的结构，有助于减少能量密度损失，此外，致密涂层2具有阻燃材料，能够在电池发生失效时，阻燃材料起到阻燃作用，防止电池失效甚至着火爆炸。
38.此外，本发明还提供了极片结构的制备方法，包括：
39.1)取预设厚度的铝箔作为集流体1的基材；
40.2)将阻燃材料、导电剂、粘接剂按干重质量比50：45：5混合搅拌形成固含量为38％的致密涂层2的浆料，并通过凹版印刷等方式，将致密涂层2涂覆在铝箔基材上，最后将活性涂层3涂敷在致密涂层2上。
41.实施方式二
42.与实施方式一不同的是：本实施方式的阻燃材料为氧化铝、勃母石、纳米勃姆石、
纳米氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、氧化镁、碳化硅等中的一种或多种，导电剂为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯等中的一种或多种。
43.其他结构与实施方式一相同，这里不再赘述。
44.实施方式三
45.与实施方式一不同的是：本实施方式的致密涂层2的孔隙率小于等于50％，避免空隙率过大，导致致密涂层2的致密性能下降，影响涂层的致密效果，致密涂层2涂覆在集流体1厚度方向的两面，活性涂层3的面积大于致密涂层2的面积，有助于增加活性涂层3的面积，从而电池的能量密度。
46.其他结构与实施方式一相同，这里不再赘述。
47.锂离子电池
48.本发明包括实施方式一～三的极片结构。
49.具体的，包括电芯，该电芯可以包括至少两个相互叠设且极性相反的极片，极性相反的极片分别形成电池的正极极片和电池的负极极片。为了避免正负极极片之间短路，每相邻两个极片之间设置有隔膜，极性相反的极片通过隔膜电性隔离。至少其中一个极片可以为上述实施例中的极片结构。
50.至少两个极片可以包括第一极片和第二极片，第一极片和第二极片的极性相反，且第一极片和第二极片相互叠设。
51.具体的，第一极片可以为正极极片，采用上述实施例1～8的正极极片结构，第二极片可以是负极极片；或者，第一极片可以为负极极片，第二极片可以是正极极片，此处不做限制。
52.在一些示例中，电芯可以为卷绕式的电芯。其中，第一极片和第二极片均为一个，依次叠设的第一极片、隔膜和第二极片绕卷绕中心卷绕，并形成卷绕结构。
53.在另一些示例中，电芯可以为叠片式的电芯。其中，第一极片为多个，第二极片为多个，多个第一极片和多个第二极片沿同一方向依次交错层叠设置，且每相邻的第一极片和第二极片之间设置有隔膜，以使第一极片和第二极片之间电性绝缘。
54.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。