一种无金属集流体复合电极及其制备方法和锂离子电池技术

本发明专利技术提供一种无金属集流体复合电极及其制备方法和锂离子电池，所述无金属集流体复合电极由隔膜和涂覆在所述隔膜表面的电极活性材料组成，所述隔膜包括基膜和形成在所述基膜表面的涂层，所述涂层包括无机物颗粒和粘结剂，所述无机物颗粒为AlPO

A metal free collector composite electrode and its preparation method and lithium ion battery

【技术实现步骤摘要】
一种无金属集流体复合电极及其制备方法和锂离子电池
本专利技术涉及锂离子电池领域，更具体地，涉及一种无金属集流体复合电极及其制备方法和锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池由于具有许多突出优点而广泛应用于诸多领域，但是随着应用领域的不断扩展和应用要求的不断提高，对电池能量密度的提升要求更加迫切。通常，锂离子电池由正极极片、负极极片、隔膜、电解液、外包装材料组成，除正负极活性物质参与电化学反应外，其他都为非活性物质，高能量密度的开发途径主要为降低非活性物质占比。传统电极制备的一般工艺为匀浆后将浆料涂覆于箔材之上，然后进行分切，其后进行卷绕或叠片组装成电芯。传统电极的制备工艺使得箔材成为支撑电极成型的必备材料，这种非活性材料的重量直接限制了锂离子电池能量密度的进一步提升。以常规正极而言，一般活性涂层面密度为36mg/cm2，而且使用15μm铝箔，其面密度为4.05mg/cm2；以常规负极而言，一般活性涂层面密度为17mg/cm2，而且使用8μm铜箔，其面密度7.12mg/cm2。由此可见，开发无集流体的复合电极对于更高能量密度电池的开发意义显著。中国专利CN109360939A公开了一种锂离子电池用的柔性无集流体薄膜极片制备方法，其中无集流体极片的制备方法为：1)将活性物质、导电剂、粘接剂、溶剂均匀混合，制备成浆料；2)将浆料均匀的涂覆在光滑疏水的蓝宝石衬底表面以形成连续的薄膜，烘干；3)将烘干并涂覆有薄膜的蓝宝石衬底浸泡在去离子水中，采用机械的方法使薄膜从蓝宝石衬底表面脱落；利用铜网将脱落的薄膜从水中捞起，真空烘干即可得到柔性无集流体薄膜极片。但是该方法过程十分复杂，而且其中还涉及将薄膜浸泡在水中，若后续烘干不彻底则对于锂离子电池而言是严重的质量隐患；还有，从实施例来看，该方法目前仅能组装为扣式电池，应用范围较窄。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种无金属集流体复合电极及其制备方法和锂离子电池。本专利技术第一目的为提供一种无金属集流体复合电极，由隔膜和涂覆在所述隔膜表面的电极活性材料组成，所述隔膜包括基膜和形成在所述基膜表面的涂层，所述涂层包括无机物颗粒和粘结剂，所述无机物颗粒为AlPO4和/或LiGe2(PO4)3。本专利技术以具有涂层的隔膜作为电极的支撑材料，采用常规工艺将电极活性材料涂覆到所述隔膜上，得到无集流体的复合电极，提升了电池的能量密度，也使材料成本下降。而且具有涂层的隔膜较无涂层的隔膜其温度收缩性更好，在后期进行涂布电极活性材料时涉及涂层的干燥，对于油系浆料，往往干燥温度较高，选择耐温更高的具有涂层的隔膜可以使涂布工艺不用改变。此外，本专利技术中隔膜上特定涂层的存在，使得电极活性材料与隔膜兼容性和接触更优，而且经过干燥和辊压等工艺后该隔膜和电极活性材料涂层具有较好的机械性能。进一步地，所述无机物颗粒的粒径为50nm～5μm。进一步地，所述基膜为聚烯烃材料，包括聚乙烯、聚丙烯等。进一步地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、丙烯酸酯类、丙烯腈类粘结剂中的一种或多种。进一步地，所述无机物颗粒与所述粘结剂的质量比为(9～1):(1～9)。进一步地，所述涂层的厚度为1～5μm，孔隙率为30～60％。进一步地，所述基膜的厚度为10～30μm。本专利技术第二目的为提供上述无金属集流体复合电极的制备方法，包括以下步骤：(1)隔膜的制备：将无机物颗粒和粘结剂分散于溶剂中得到混合浆料，将所述混合浆料涂布于所述基膜上，烘干；(2)涂覆电极活性材料：将电极活性物质、导电剂和粘合剂分散于溶剂中并匀浆，将所得浆料涂布于所述隔膜上，烘干。本专利技术中的匀浆、涂布等工艺均为现有技术中的常规工艺。当电极活性物质为正极活性物质时，如含锂的磷酸亚铁锂、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍锰钴氧化物以及其它含锂金属氧化物，制得的复合电极为无金属集流体复合正极。当电极活性物质为负极活性物质时，如能够可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物或碳材料，制得的复合电极为无金属集流体复合负极。本专利技术电极活性材料中，导电剂为炭黑、碳纤维或导电石墨等锂离子电池中常用导电剂，粘合剂为聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈等锂离子电池中常用粘合剂。本专利技术第三目的为提供上述无金属集流体复合电极在锂离子电池中的应用。本专利技术第四目的为提供一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、电解液和电池外壳，其中正极极片为无金属集流体复合正极，和/或，负极极片为无金属集流体复合负极。上述锂离子电池制作工艺与传统锂离子电池制备工艺一致，包括辊压、分切/制片、叠片/卷绕、预充化成等工序。本专利技术提供的无金属集流体复合电极及其电池由于不使用集流体，一方面带来能量密度的提升，另一方面也使材料成本明显下降，以当前一般电池中集流体的质量占比进行计算，能量密度提升约18％，材料成本降低约8％。此外，由于使用该无金属集流体复合电极的电池制备工艺和传统锂离子电池制备工艺一致，可直接应用现有工艺和装备进行规模化生产。附图说明图1为本专利技术实施例的无金属集流体复合电极的结构示意图；图2为实施例1所得电池的典型充放电过程曲线图；图中：1、隔膜；11、基膜；12、涂层；2、电极活性材料。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。实施例1本实施例提供一种无金属集流体复合电极，其结构示意图如图1所示，由隔膜1和涂覆在隔膜1表面的电极活性材料2组成，其中隔膜1由基膜11和形成在基膜11表面的涂层12组成，涂层12包括无机物颗粒和粘结剂，本实施例中无机物颗粒为LiGe2(PO4)3，粘结剂为聚偏氟乙烯。本实施例还提供上述无金属集流体复合电极的制备方法，包括以下步骤：(1)隔膜的制备：将粒径为50nm的LiGe2(PO4)3颗粒和粘结剂聚偏氟乙烯以质量比7:3分散于NMP(N-甲基吡咯烷酮)中得到混合浆料，将混合浆料涂布于20μm厚的基膜聚乙烯上，100℃下烘干，得到隔膜，其厚度为24μm，孔隙率为50％；(2)无金属集流体复合正极的制备：将正极活性物质镍钴锰酸锂、导电剂炭黑和粘合剂聚偏氟乙烯按质量比90:5:5分散于NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，充分匀浆，采用挤压式涂布机将所得浆料涂布于步骤(1)所得隔膜上，105℃下烘干，得到无金属集流体复合正极；(3)无金属集流体复合负极的制备：将负极活性物质人造石墨、导电剂炭黑和粘合剂聚偏氟乙烯按质量比88:6:6分散于NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，充分匀浆，采用挤压式涂布机将所得浆料涂布于步骤(1)所得隔膜上，105℃下烘干，得到无金属集流体复合负极。本实施例还提供一种包含上述无金属集流体复合电极的锂离子电池，包括无金属集流体复合正极、无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无金属集流体复合电极，其特征在于，由隔膜和涂覆在所述隔膜表面的电极活性材料组成，所述隔膜包括基膜和形成在所述基膜表面的涂层，所述涂层包括无机物颗粒和粘结剂，所述无机物颗粒为AlPO

【技术特征摘要】
1.一种无金属集流体复合电极，其特征在于，由隔膜和涂覆在所述隔膜表面的电极活性材料组成，所述隔膜包括基膜和形成在所述基膜表面的涂层，所述涂层包括无机物颗粒和粘结剂，所述无机物颗粒为AlPO4和/或LiGe2(PO4)3。


2.根据权利要求1所述的一种无金属集流体复合电极，其特征在于，所述无机物颗粒的粒径为50nm～5μm。


3.根据权利要求1所述的一种无金属集流体复合电极，其特征在于，所述基膜为聚烯烃材料；
所述粘结剂为聚偏氟乙烯、丙烯酸酯类、丙烯腈类粘结剂中的一种或多种。


4.根据权利要求3所述的一种无金属集流体复合电极，其特征在于，所述无机物颗粒与所述粘结剂的质量比为(9～1):(1～9)。


5.根据权利要求1～4任一项所述的一种无金属集流体复合电极，其特征在于，所述涂层...

【专利技术属性】
技术研发人员：李翔，钱义，赵挺，仝红亮，刘景浩，
申请(专利权)人：国联汽车动力电池研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11