锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池技术

本发明专利技术提出一种锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。所提供的锂离子电池极片的制备方法，包括：(1)制备浆料；(2)浆料涂布；(3)等离子体刻蚀：在室温下采用等离子体刻蚀设备对干燥后的极片进行刻蚀，在涂层中形成垂直于极片表面的孔洞；(4)完成刻蚀的极片经压延、收卷备用。通过采用等离子体刻蚀的方法，对极片内水平方向分布的石墨烯进行选择性刻蚀，有利于锂离子在极片中的传输，降低了石墨烯的位阻效应，大大增强了锂离子电池极片的离子导电能力。

Lithium-ion battery plate and its preparation method and lithium-ion battery

The invention provides a lithium ion battery electrode sheet, a preparation method and a lithium ion battery, belonging to the technical field of lithium ion battery. The preparation methods of the lithium ion battery electrode sheet provided include: (1) preparation of slurry; (2) coating of slurry; (3) plasma etching: etching the dried electrode sheet by plasma etching equipment at room temperature, forming holes perpendicular to the surface of the electrode sheet in the coating; (4) calendering and winding of the etched electrode sheet for standby. The selective etching of graphene with horizontal distribution in the cathode by plasma etching is beneficial to the transmission of lithium ion in the cathode, reduces the steric resistance effect of graphene, and greatly enhances the ionic conductivity of the cathode of lithium ion batteries.

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池
本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池作为一种化学电源，具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，在电动汽车及移动电子设备领域取得了广泛的应用。但是，锂离子电池往往充电时间较长，不能满足电动车辆及电子设备的快速充电要求，在很大程度上限制了锂离子电池的广泛应用。影响电池功率性能的一个重要因素就是正负极片中的导电剂。目前，常见的导电剂包括导电炭黑、石墨、碳纳米管以及石墨烯。其中石墨烯作为一种新型导电剂材料引起了广泛的关注，该材料具有比表面积大、电导率高、导热性好等优点。相关研究表明，二维结构的石墨烯和活性物质之间可以实现点-面接触，更利于建立导电网络，极片中仅需要极低的添加量就能满足电池快速充放电的电子导电需求。虽然就电子导电性而言，石墨烯相比于其他导电剂具有非常明显的优势。但是锂离子无法穿过石墨烯的二维平面，因此石墨烯的平面结构会对锂离子的传输产生位阻效应，以石墨烯为导电剂的电极片，锂离子的传导路径更曲折，离子导电能力比导电炭黑要差。尤其是在较大倍率充放电时，石墨烯的空间位阻效应会大大增加锂离子的传输难度，使电池的功率性能变差。
技术实现思路
本专利技术针对上述技术问题，提出一种锂离子电池极片及其制备方法和锂离子电池。为了达到上述目的，本专利技术一方面提供一种锂离子电池极片的制备方法，包括以下步骤：(1)制备浆料：将电化学活性材料、石墨烯或石墨烯和炭黑、分散剂、粘结剂和溶剂混合，搅拌均匀形成浆料；(2)浆料涂布：将制备获得的浆料涂布到集流体上并对涂层进行干燥，得到干燥后的极片；(3)等离子体刻蚀：在室温下采用等离子体刻蚀设备对干燥后的极片进行刻蚀，等离子体刻蚀设备包括供气系统、刻蚀腔和真空系统；等离子体刻蚀包括以下步骤：将极片传送至刻蚀腔内并与刻蚀腔内的下电极接触，对刻蚀腔密封并进行抽真空；供气系统将刻蚀气体送入刻蚀腔内的耦合线圈，经过辉光放电形成等离子体；等离子体在电场作用下沿垂直于极片的方向对极片涂层进行轰击，在涂层中形成垂直于极片表面的孔洞；向刻蚀腔内通入惰性气体，将刻蚀完成的极片送出刻蚀腔，进行下一段极片的等离子体刻蚀处理；(4)完成刻蚀的极片经压延、收卷备用。作为优选，经步骤(3)等离子体刻蚀处理后，在极片涂层中所形成的孔洞的孔径范围为500～1000nm。作为优选，步骤(3)等离子体刻蚀过程中，设定ICP射频功率≤200W，RF射频功率＜60W，刻蚀时间＜3min。作为优选，步骤(3)中，刻蚀气体为氧气和CF4的混合气体，氧气与CF4的体积比为(1～4):10，气体流速为10～30cm3/min。作为优选，所述锂离子电池极片为磷酸铁锂、三元材料、锰酸锂或钴酸锂正极极片，或者钛酸锂负极极片。作为优选，所述锂离子电池极片为磷酸铁锂正极极片，所述电化学活性材料为磷酸铁锂，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮，所述粘结剂为聚偏氟乙烯，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。作为优选，所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1a)石墨烯预分散：将聚乙烯吡咯烷酮加入到N-甲基吡咯烷酮中搅拌至充分溶解，随后加入石墨烯，搅拌均匀，得石墨烯分散液；(1b)混合制浆：将聚偏氟乙烯加入到N-甲基吡咯烷酮中，以100～500rmp转速搅拌至充分溶解，向其中加入一半的石墨烯分散液，以100～500rmp转速搅拌10～30min，随后边搅拌边慢慢加入磷酸铁锂，待磷酸铁锂全部加入后继续搅拌30～60min，然后加入剩余的另一半石墨烯分散液，以1000～2500rmp转速高速搅拌1～5h，对体系抽真空并以100～500rmp转速搅拌30～60min以消除浆料中的气泡；(1c)检测：取出浆料，测定粘度后过筛备用。作为优选，按重量份数计，各组分的加入量为：步骤(1a)中所述聚乙烯吡咯烷酮为0.1～1份，所述N-甲基吡咯烷酮为10份，所述石墨烯为1～5份；步骤(1b)中所述聚偏氟乙烯为1～3份，所述N-甲基吡咯烷酮为30～50份，所述磷酸铁锂为45～55份。本专利技术另一方面提供一种根据上述任一项所述锂离子电池极片的制备方法制备获得的锂离子电池极片。本专利技术再一方面提供一种包括上述锂离子电池极片的锂离子电池。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：1、本专利技术所提供的锂离子电池极片的制备方法，通过采用等离子体刻蚀的方法，对极片内水平方向分布的石墨烯进行选择性刻蚀，有利于锂离子在极片中的传输，降低了石墨烯的位阻效应，大大增强了锂离子电池极片的离子导电能力。2、本专利技术所提供的锂离子电池极片和锂离子电池，具有高的电子导电率和离子导电率，功率性能好，可以进行大电流充放电。附图说明图1为本专利技术实施例所提供的锂离子电池极片制备方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例所提供的等离子体刻蚀作用原理示意图；图3为等离子体刻蚀对电池高倍率放电性能影响的测试结果图；图4为电池循环寿命测试结果图；图中：1、集流体；2、浆料；3、自动涂布机；4、烘干机；5、等离子体刻蚀设备；51、刻蚀腔；52、下极板；53、耦合线圈；54、供气系统；55、真空系统；6、压延；7、收卷。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例一方面提供一种锂离子电池极片的制备方法，图1为所述制备方法的流程示意图，包括以下步骤：(1)制备浆料2：将电化学活性材料、石墨烯或石墨烯和炭黑、分散剂、粘结剂和溶剂混合，搅拌均匀形成浆料2；(2)浆料涂布：将制备获得的浆料2涂布到集流体1上并对涂层进行干燥，得到干燥后的极片；(3)等离子体刻蚀：在室温下采用等离子体刻蚀设备5对干燥后的极片进行刻蚀，等离子体刻蚀设备包括供气系统54、刻蚀腔51和真空系统55；等离子体刻蚀包括以下步骤：将极片传送至刻蚀腔51内并与刻蚀腔51内的下电极52接触，对刻蚀腔51密封并进行抽真空；供气系统54将刻蚀气体送入刻蚀腔51内的耦合线圈53，经过辉光放电形成等离子体；等离子体在电场作用下沿垂直于极片的方向对极片涂层进行轰击，在涂层中形成垂直于极片表面的孔洞；向刻蚀腔51内通入惰性气体，将刻蚀完成的极片送出刻蚀腔51，进行下一段极片的等离子体刻蚀处理；(4)完成刻蚀的极片经压延6、收卷7备用。如图2所示，未经等离子体刻蚀的锂离子电池极片，在极片涂层内存在横向阻断锂离子传输的石墨烯片状结构，降低锂离子的传输效率，进而使得离子导电能力降低。本专利技术上述实施例制备获得的锂离子电池极片，针对加入石墨烯作为导电剂的锂离子电池，通过采用等离子体刻蚀的方法在极片涂层中沿垂直方向开孔，对极片内水平方向分布的石墨烯进行选择性刻蚀，既不影响极片涂层垂直方向的电子电导率，又能改善电极涂层的离子电导率，增加极片中与集流体平面垂直的通道，有利于锂离子在极片中的传输，降低了石墨烯的位阻效应，大大增强了锂离子电池极片的离子导电能力，有利于电极和电解液的浸润以及电池的大电流充放电。作为一可选实施例，在进行等离子体刻蚀初始时，对刻蚀腔51进行抽真空的操作可以选择通过真空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备浆料：将电化学活性材料、石墨烯或石墨烯和炭黑、分散剂、粘结剂和溶剂混合，搅拌均匀形成浆料；(2)浆料涂布：将制备获得的浆料涂布到集流体上并对涂层进行干燥，得到干燥后的极片；(3)等离子体刻蚀：在室温下采用等离子体刻蚀设备对干燥后的极片进行刻蚀，等离子体刻蚀设备包括供气系统、刻蚀腔和真空系统；等离子体刻蚀包括以下步骤：将极片传送至刻蚀腔内并与刻蚀腔内的下电极接触，对刻蚀腔密封并进行抽真空；供气系统将刻蚀气体送入刻蚀腔内的耦合线圈，经过辉光放电形成等离子体；等离子体在电场作用下沿垂直于极片的方向对极片涂层进行轰击，在涂层中形成垂直于极片表面的孔洞；向刻蚀腔内通入惰性气体，将刻蚀完成的极片送出刻蚀腔，进行下一段极片的等离子体刻蚀处理；(4)完成刻蚀的极片经压延、收卷备用。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备浆料：将电化学活性材料、石墨烯或石墨烯和炭黑、分散剂、粘结剂和溶剂混合，搅拌均匀形成浆料；(2)浆料涂布：将制备获得的浆料涂布到集流体上并对涂层进行干燥，得到干燥后的极片；(3)等离子体刻蚀：在室温下采用等离子体刻蚀设备对干燥后的极片进行刻蚀，等离子体刻蚀设备包括供气系统、刻蚀腔和真空系统；等离子体刻蚀包括以下步骤：将极片传送至刻蚀腔内并与刻蚀腔内的下电极接触，对刻蚀腔密封并进行抽真空；供气系统将刻蚀气体送入刻蚀腔内的耦合线圈，经过辉光放电形成等离子体；等离子体在电场作用下沿垂直于极片的方向对极片涂层进行轰击，在涂层中形成垂直于极片表面的孔洞；向刻蚀腔内通入惰性气体，将刻蚀完成的极片送出刻蚀腔，进行下一段极片的等离子体刻蚀处理；(4)完成刻蚀的极片经压延、收卷备用。2.根据权利要求1所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于：经步骤(3)等离子体刻蚀处理后，在极片涂层中所形成的孔洞的孔径范围为500～1000nm。3.根据权利要求1所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于：步骤(3)等离子体刻蚀过程中，设定ICP射频功率≤200W，RF射频功率＜60W，刻蚀时间＜3min。4.根据权利要求1所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，刻蚀气体为氧气和CF4的混合气体，氧气与CF4的体积比为(1～4):10，气体流速为10～30cm3/min。5.根据权利要求1所述的锂离子电池极片的制备方法，其特征在于：所述锂离子电池极片为磷酸铁锂、三元材料、锰酸锂或...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦瑞杰，张愔，郝玉福，郝保磊，汤劲松，
申请(专利权)人：中车青岛四方车辆研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37