一种电极极片及其制备方法和应用与流程
本发明涉及锂离子电池，具体涉及一种电极极片及其制备方法和应用。
背景技术：
1、随着新能源汽车技术的蓬勃发展，消费者对新能源汽车的续航里程、里程衰减以及加速能力等关键性能的要求日益严苛。作为新能源汽车的核心动力源，锂离子电池的性能提升成为了行业关注的焦点。为了满足这些不断提高的性能需求，锂离子电池必须实现更高的能量密度、功率能力以及更长的循环寿命。
2、在锂离子电池的演进过程中，材料技术和电极技术的持续创新是关键所在。通过不断的技术更新和迭代，致力于提升电芯的能量密度，使其能够储存更多的能量；同时，也注重提高电芯的功率能力，确保车辆具备出色的加速和动力表现；此外，循环寿命的延长也是不可或缺的一环，以确保电池的长期稳定性和可靠性。
3、在电极技术的研发中，通常，行业内通过增加电极集流体表面的活性物质层厚度，以此来提高电芯的能量密度。然而，随着电极厚度的增加，电极内部的电子传导速率和离子传导速率会随之下降，从而导致电芯的功率能力受到制约。同时，随着活性物质层厚度的增加，活性物质材料与集流体之间，以及活性物质颗粒间的粘结性能也会随之下降，从而导致电芯的循环寿命下降。因此，在追求电芯能量密度的同时，如何确保电芯仍具备优异的功率能力和循环寿命，成为了我们面临的重要挑战。
4、cn111490225a中公开了一种层级多孔极片及其制备方法和应用。该多孔极片利用分级涂布和造孔剂的添加，对极片的孔隙结构进行分级调控，既保证了活性物质的最大化，同时提高了极片的吸液量，可以在提高电池能量密度的同时保证极片的电化学性能。该方法虽然通过多层涂布增加极片厚度来提高了能量密度，但是电极表面活性物质涂层厚度增加后，会导致电极内阻增加，从而降低了电极中的电子传导速率和离子传导速率，进而导致电芯功率能力降低。且电极厚度增加后，电极表面的活性物质与集流体之间的距离越远，使得表面活性物质与集流体之间的粘结性变差，易导致活性物质脱落，导致电芯循环寿命降低。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电极极片及其制备方法和应用，以解决现有锂离子电池无法同时保证电芯能量密度、电芯功率能力和循环寿命的问题。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种电极极片，包括集流体、设于所述集流体上的第一电极材料层和设于所述第一电极材料层上的第二电极材料层；
4、所述集流体具有基体层和骨架结构层；
5、所述第一电极材料层位于所述骨架结构层中；
6、所述第二电极材料层的一部分位于所述骨架结构层中，另一部分位于所述骨架结构层外。
7、根据上述技术手段，通过在集流体上设置骨架结构层，大幅增加了集流体表面的电极材料层厚度，从而显著提升了电芯的能量密度。同时，将第一电极材料层和部分第二电极材料层位于骨架结构层中，有效增大了集流体与电极材料的接触面积，提升电极材料层内部的电子传导能力。结合采用粒径分级复配的第一活性物质和第二活性物质为主体设置第一电极材料层和第二电极材料层，不仅有效增加了电极材料的质量占比，进而提升电芯的能量密度，还提升了电极材料层内部的离子传导能力，进而有效提高了电芯的功率能力。通过设置骨架结构层，提升了活性物质与集流体之间的粘接性能。且骨架结构还为电极材料提供了有效支撑，减少了在充放电过程中电极材料的体积变化对电极结构造成的破坏，有效保证了电极极片整体的结构稳定性，从而延长电芯的循环寿命，以及减少因电极材料膨胀或收缩导致的电池内压升高或内部短路的风险，提升了电池的安全性能。此外，骨架结构层还有助于电极内部电流密度的均匀分布，减少局部过度反应而出现析锂问题；同时，巧妙的将第二电极材料层的部分设在骨架结构层的外侧，有效保证了电极表面与隔膜的接触安全，提升了电芯的安全性能。成功解决了现有锂离子电池无法同时保证电芯能量密度、电芯功率能力和循环寿命的问题。
8、优选的，所述第二电极材料层的迂曲度小于所述第一电极材料层的迂曲度。
9、通过精确的控制第一活性物质和第二活性物质的平均粒径，涂敷成电极后，达成第二电极材料层的迂曲度小于第一电极材料层的迂曲度，使得锂离子在第二电极材料层中的传输路径更直接，减少了锂离子在第二电极材料层中的传输距离和时间，从而有效提高了锂离子的传输效率，进而有效提升了电池的功率能力；通过减小第二电极材料层层的迂曲度，有效降低了锂离子在传输过程中的阻力，减少了锂离子在第二电极材料层中的滞留和堵塞现象，有效保证了电极材料的活性，减少了电池在充放电过程中的性能衰减，从而延长电池的循环寿命。
10、优选的，所述骨架结构层为三维网络导电骨架结构层。
11、优选的，所述集流体的基体层的两侧设有骨架结构层。
12、优选的，所述第一电极材料层的孔隙率小于所述第二电极材料层的孔隙率。
13、其中，通过精确的控制第一活性物质和第二活性物质的平均粒径，涂敷成电极后，达成第一电极材料层的孔隙率小于第二电极材料层的目的包括以下几个方面：第一，设定第一电极材料层的孔隙率较低，有效增强了电极的机械强度和稳定性。在电池充放电过程中，低孔隙率的电极材料层能够抵抗体积膨胀和收缩带来的应力变化，从而延长电池的使用寿命；第二，设定第一电极材料层的孔隙率较低，使得第一电极材料层中的活性材料与集流体之间的接触面积更大，电子传输路径更短，有效提高了电极的导电性能。良好的导电性能够确保电池在充放电过程中快速响应，提高电池的功率性能；第三，设定第二电极材料层的孔隙率较高，以有效增大电极材料与电解液的接触，并保证电解液在电极材料层中的分布更加均匀，减少了电极材料中的局部过充或过放现象，提高电池的安全性和循环寿命；第四，孔隙率的第二电极材料层有助于锂离子在电极中的快速渗透和扩散，有效改善了电池的倍率性能。在高倍率充放电条件下，电池仍能保持较高的能量转换效率和容量保持率。因此，通过设计第一电极材料层孔隙率小于第二电极材料层的电极极片，同时实现了电极结构稳定性的提高、电极导电性的增强、电解液分布的优化、电池能量密度的提升以及倍率性能的改善等多重优点。
14、优选的，所述第一电极材料层的厚度小于所述第二电极材料层。
15、通过设定第一电极材料层的厚度小于第二电极材料层，首先，在电池充放电过程中，正负极材料需要发生相应的电化学反应，因此，通过精确调整第一电极材料层和第二电极材料层的厚度，有效优化了正负极材料之间的电化学反应平衡，使得电池在充放电过程中更加稳定，减少了过充或过放的风险。其次，较薄的第一电极材料层意味着电子和离子在其中的传输路径更短，这有助于降低电池的内阻，低内阻的电池在充放电过程中能够减少能量损失，提高能量转换效率。再则，通过调整第一电极材料层的厚度小于第二电极材料层的厚度，有效优化了快速充放电中的电化学反应速率。综上，通过设计第一电极材料层的厚度小于第二电极材料层，同时实现了提高能量密度、优化电化学反应平衡、降低内阻、提高循环寿命以及适应不同应用场景等多重优点。
16、优选的，所述基体层的厚度为5um～15um。
17、优选的，所述骨架结构层的厚度为50um～100um。
18、优选的，所述第一电极材料层的厚度为50um～70um。
19、优选的，所述第二电极材料层的厚度为80um～100um。
20、优选的，所述第一电极材料层的成分包括第一活性物质、第一导电剂和第一粘接剂。
21、优选的，所述第二电极材料层的成分包括第二活性物质、第二导电剂和第二粘接剂。
22、优选的，所述第一活性物质和第二活性物质选自磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、钛酸锂、镍钴锰酸锂和富锂锰基材料中的至少一种。
23、优选的，所述第一活性物质和第二活性物质选自天然石墨、人造石墨和硅基负极材料中的至少一种。
24、优选的，所述第一活性物质与所述第二活性物质相同，所述第一活性物质的平均粒径小于第二活性物质的平均粒径；
25、当第一活性物质与第二活性物质相同时，设定第一活性物质的平均粒径小于第二活性物质的平均粒径，有效保证了热压成型后第一电极材料层与第二电极材料层的孔隙率不同。
26、优选的，所述第一活性物质采用不同粒径的活性物质复配而成，以形成不同大小的孔径，从而提升离子传输效率。
27、优选的，所述第二活性物质采用不同粒径的活性物质复配而成，以形成不同大小的孔径，从而提升离子传输效率。
28、优选的，当所述第一活性物质与所述第二活性物质相同，且均为磷酸铁锂或磷酸锰铁锂时，所述第一活性物质的平均粒径为300nm～800nm，所述第二活性物质的平均粒径为1000nm～2000nm。
29、优选的，当所述第一活性物质与所述第二活性物质相同，且为天然石墨或人造石墨时，所述第一活性物质的平均粒径为8um～16um，所述第二活性物质的平均粒径为16um～25um。
30、优选的，所述第一活性物质与所述第二活性物质不相同。
31、优选的，所述第一导电剂和第二导电剂选自导电石墨、导电炭黑、碳纳米管和石墨烯中的至少一种。
32、优选的，所述第一粘接剂和所述第二粘接剂选自聚四氟乙烯。
33、优选的，所述集流体选自铝箔或铜箔。
34、本发明还提供一种电极极片的制备方法，包括以下步骤：
35、s1、采用冲切方式在集流体上冲切，以形成骨架结构层；
36、s2、采用静电喷涂方式将第一电极材料喷涂到集流体的骨架结构层中，以形成第一电极材料层；
37、s3、采用静电喷涂方式将第二电极材料的喷涂到集流体的骨架结构层中和骨架结构层外，以形成第二电极材料层，所述第二电极材料层位于所述第一电极材料层远离所述集流体的一侧；
38、s4、将静电喷涂后的极片进行热压成型，得到电极极片。
39、本发明的电极极片的制备方法，首先，通过对集流体进行特殊冲切处理，使得集流体两侧得到三维网络导电骨架结构，其厚度可根据具体需求进行精确调控，从而满足不同电芯设计和性能要求；其次，集流体的三维网络导电骨架结构结合静电喷涂工艺，可大幅增加集流体表面的电极材料的涂层厚度，从而显著提升了电芯的能量密度；其三，通过采用静电喷涂工艺将电极材料喷涂到三维网络导电骨架结构中，电极材料能够充分渗透到集流体的三维网络结构中，形成紧密的接触，极大增加了电极材料与集流体之间的接触面积，有效降低电子传输阻力，提高电子传导速率；再则，通过采用不同粒径分级复配的第一活性物质和第二活性物质进行分层喷涂，使得第一电极材料层和第二电极材料层具有不同的孔隙率和迂曲度，且第二电极材料层的孔隙率大于第一电极材料层，第二电极材料层的迂曲度小于第一电极材料层，实现孔隙结构的优化，优化的孔隙结构有助于离子的快速传输，降低离子传输阻力，提高电芯的功率能力和循环性能。综上所述，该制备方法通过对集流体进行特殊冲切处理、并采用静电喷涂工艺对粒径分级复配的活性材料进行分层涂敷技术的结合，实现了电芯性能的全面优化和提升，为高性能电芯的制备提供了一种新的有效途径。
40、其中，集流体上的骨架结构层采用冲网设备冲切而成。
41、热压成型的目的是使第一电极材料、第二电极材料中均匀分散的粘结剂融化，活性物质颗粒之间、活性物质与集流体之间相互粘连形成自支撑膜，从而得到超厚多孔电极极片。
42、优选的，第一电极材料层的第一活性物质、第一导电剂和第一粘接剂经过干混工艺混合形成。
43、优选的，第二电极材料层的第二活性物质、第二导电剂和第二粘接剂经过干混工艺混合形成。
44、优选的，所述s2中，在静电喷涂前还包括，对集流体进行预热处理，预热处理的温度为30℃～60℃。
45、通过在静电喷涂前，对集流体的骨架结构层进行预热，同时保证了电极材料层的涂覆厚度、均匀性和效率。
46、优选的，所述静电喷涂的参数条件为：电压为60kv～90kv，静电电流为10ua～20ua，流速压力为0.35mpa～0.55mpa，雾化压力为0.3mpa～0.5mpa。
47、优选的，所述s4中，热压的温度为300℃～500℃。
48、本发明还提供一种电极极片的应用，所述电极极片作为电池的正极极片；
49、和/或，所述电极极片作为电池的负极极片。
50、优选的，所述电极极片作为锂离子电池的正极极片。
51、优选的，所述电极极片作为锂离子电池的负极极片。
52、本发明的有益效果：
53、本发明的电极极片，通过在集流体上设置骨架结构层，大幅增加了集流体表面的电极材料层厚度，从而显著提升了电芯的能量密度。同时，将第一电极材料层和部分第二电极材料层位于骨架结构层中，有效增大了集流体与电极材料的接触面积，提升电极材料层内部的电子传导能力。结合采用粒径分级复配的第一活性物质和第二活性物质为主体设置第一电极材料层和第二电极材料层，不仅有效增加了电极材料的质量占比，进而提升电芯的能量密度，还提升了电极材料层内部的离子传导能力，进而有效提高了电芯的功率能力。通过设置骨架结构层，提升了活性物质与集流体之间的粘接性能。且骨架结构还为电极材料提供了有效支撑，减少了在充放电过程中电极材料的体积变化对电极结构造成的破坏，有效保证了电极极片整体的结构稳定性，从而延长电芯的循环寿命，以及减少因电极材料膨胀或收缩导致的电池内压升高或内部短路的风险，提升了电池的安全性能。此外，骨架结构层还有助于电极内部电流密度的均匀分布，减少局部过度反应而出现析锂问题；同时，巧妙的将第二电极材料层的部分设在骨架结构层的外侧，有效保证了电极表面与隔膜的接触安全，提升了电芯的安全性能。
54、本发明的电极极片的制备方法，首先，通过对集流体进行特殊冲切处理，使得集流体两侧得到三维网络导电骨架结构，其厚度可根据具体需求进行精确调控，从而满足不同电芯设计和性能要求；其次，集流体的三维网络导电骨架结构结合静电喷涂工艺，可大幅增加集流体表面的电极材料的涂层厚度，从而显著提升了电芯的能量密度；其三，通过采用静电喷涂工艺将电极材料喷涂到三维网络导电骨架结构中，电极材料能够充分渗透到集流体的三维网络结构中，形成紧密的接触，极大增加了电极材料与集流体之间的接触面积，有效降低电子传输阻力，提高电子传导速率；再则，通过采用不同粒径复配的第一活性物质和第二活性物质进行分层喷涂，使得第一电极材料层和第二电极材料层具有不同的孔隙率和迂曲度，且第二电极材料层的孔隙率大于第一电极材料层，第二电极材料层的迂曲度小于第一电极材料层，实现孔隙结构的优化，优化的孔隙结构有助于离子的快速传输，降低离子传输阻力，提高电芯的功率能力和循环性能。综上所述，该制备方法通过对集流体进行特殊冲切处理、并采用静电喷涂工艺对粒径分级复配的活性材料进行分层涂敷技术的结合，实现了电芯性能的全面优化和提升，为高性能电芯的制备提供了一种新的有效途径。本发明的制备方法具有操作简单、成本低和效率高的优点，适用于工业化生产，在锂离子电池技术领域，具有推广应用价值。
技术特征：
1.一种电极极片，其特征在于，包括集流体（1）、设于所述集流体（1）上的第一电极材料层（2）和设于所述第一电极材料层（2）上的第二电极材料层（3）；
2.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述第二电极材料层（3）的迂曲度小于所述第一电极材料层（2）的迂曲度；
3.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述第一电极材料层（2）的孔隙率小于所述第二电极材料层（3）的孔隙率。
4.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述第一电极材料层（2）的厚度小于所述第二电极材料层（3）。
5.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述基体层（11）的厚度为5um~15um；
6.根据权利要求5所述的电极极片，其特征在于，所述第一活性物质和第二活性物质选自磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、钛酸锂、镍钴锰酸锂和富锂锰基材料中的至少一种；
7.一种如权利要求1至权利要求6任一项所述电极极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的电极极片的制备方法，其特征在于，所述s2中，在静电喷涂前还包括，对集流体进行预热处理，预热处理的温度为30℃~60℃；
9.根据权利要求7所述的电极极片的制备方法，其特征在于，所述s4中，热压的温度为300℃~500℃。
10.一种如权利要求1至权利要求6任一项所述电极极片的应用，其特征在于，所述电极极片作为电池的正极极片；
技术总结
本发明涉及一种电极极片及其制备方法和应用。电极极片，包括集流体、设于所述集流体上的第一电极材料层和设于所述第一电极材料层上的第二电极材料层；所述集流体具有基体层和骨架结构层；所述第一电极材料层位于所述骨架结构层中；所述第二电极材料层的一部分位于所述骨架结构层中，另一部分位于所述骨架结构层外。本发明还提供一种电极极片的制备方法。本发明还提供一种电极极片作为电池的正极极片或负极极片的应用。本发明解决了现有锂离子电池无法同时保证电芯能量密度、电芯功率能力和循环寿命的问题。
技术研发人员：张元,郑斌,夏骥,牟丽莎,杜长虹
受保护的技术使用者：深蓝汽车科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23