梯度型低迂曲度电极及其制备方法和电池技术

本发明专利技术提供一种梯度型低迂曲度电极及其制备方法和电池。本发明专利技术低迂曲度电极通过混浆、抽滤、相转化等工艺处理，可以实现电极活性化物质、导电剂与电极孔隙孔径整体上呈梯度分布，且形成孔道的迂曲度为1～1.2。将本发明专利技术梯度型低迂曲度电极应用于电池体系时，整体上可以有效解决极片开裂问题，可以提高活性物质利用率，高效地发挥出电极活性材料的容量，缩短锂离子的传输路径，改善极化效果，提升厚电极的倍率性能，使得厚电极兼具高能量密度和高功率密度。率密度。率密度。

【技术实现步骤摘要】
梯度型低迂曲度电极及其制备方法和电池


[0001]本专利技术涉及电池
，具体涉及一种梯度型低迂曲度电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在电池体系中，提升电池能量密度最主要的策略有开发高比容量的电极材料、采用高电压正极材料以及提升电极的厚度。提升电极的厚度相对于其他两种方法更具有普适性，可以应用到大多数的正负极材料和电池体系中。但是，单纯增加电极厚度会容易引发极片开裂、极片脱离集流体和极化等电极劣化行为。
[0003]目前，锂离子电池在厚电极制备时面临极片开裂等物理方面的挑战以及倍率性能差、循环稳定性差等电化学方面的挑战。其中，物理方面的挑战主要是由于热干燥过程中极片上层溶剂先挥发从而先得到稳定的形状，下层溶剂挥发时对极片上层造成破坏，导致极片出现开裂问题。电化学方面的挑战主要原因是：电极厚度的增加一方面使电子与离子的传输路径变长，导致电子和离子的传输受阻，另一方面使锂离子的传输速率低于电化学反应速率导致电池浓差极化增大。这导致传统厚电极在提升电池能量密度时牺牲了功率密度。
[0004]因此，亟需开发一种综合性能优势明显的厚电极及其制备技术。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要提供一种梯度型低迂曲度电极及其制备方法和应用，可以有效解决极片开裂问题，可以提高活性物质利用率，高效发挥出电极活性材料的容量，效地缩短锂离子的传输路径，使得传统厚电极中浓差极化问题得到改善，提升厚电极的倍率性能，使得厚电极兼具高能量密度和高功率密度。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术提供一种梯度型低迂曲度电极，所述梯度型低迂曲度电极的电极活性物质、导电剂整体上呈梯度分布，所述电极具有孔径呈梯度分布的孔道，且部分孔道呈且直通或者近似直通的孔道,所述孔道的迂曲度为1～1.2，优选为1～1.1。
[0008]本专利技术还提供上述梯度型低迂曲度电极的制备方法，包括如下步骤：制备含活性物质、粘结剂、导电剂、碳纤维和有机溶剂的料浆；将料浆置于砂芯漏斗中进行抽滤，基于重力作用，得电极活性物质、导电剂呈梯度分布的粗电极片；将所述粗电极置于水中进行相转化，基于溶剂与非溶剂之间的转换扩散，得孔道孔径、电极活性物质、导电剂呈三梯度分布的低曲折度电极；将所述低曲折度电极进行烘干，辊压，真空干燥，即得。
[0009]在其中一些实施例中，电极活性物质、粘结剂、导电剂、碳纤维的质量比为(60～99):(1～10):(1
‑
20):(1～10)。
[0010]在其中一些实施例中，电极活性物质、粘结剂、导电剂、碳纤维的质量比为(70～95):(1～10):(3
‑
15):(3～7)。
[0011]在其中一些实施例中，所述碳纤维长度为100nm～5μm，优选500nm～2μm。
[0012]在其中一些实施例中，所述水为去离子水，所述相转化的时长为6min～3h，优选0.5～2h。
[0013]在其中一些实施例中，所述烘干的温度范围为35～80℃，时长5～24h；优选地，所述烘干的温度范围为50～60℃，时长8～15h。
[0014]在其中一些实施例中，所述辊压的压力为10～90t。
[0015]在其中一些实施例中，所述真空干燥的温度为70～100℃，时长为5～48h；优选地，时长为12～14h。
[0016]本专利技术还可以提供一种电池，包含上述梯度型低迂曲度电极。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的核心优势在于：
[0018]本专利技术基于重力作用的梯度型低迂曲度电极的制备方法通过混浆、抽滤、电极片的相转化、辊压等步骤，可使极片中的活性物质、导电剂呈梯度分布，并形成有上下直通或近似直通(低迂曲度)且孔径成梯度分布的孔道。
[0019]本专利技术梯度型低迂曲度电极应用于电池体系中，可以有效解决极片开裂问题，可以提高活性物质利用率，高效地发挥出电极活性材料的容量，效地缩短锂离子的传输路径，使得传统厚电极中浓差极化问题得到改善，提升厚电极的倍率性能，使得厚电极兼具高能量密度和高功率密度。
附图说明
[0020]图1为本专利技术梯度型低迂曲度电极的制备方法流程示意图。
[0021]图2为实施例1和2中制备的三梯度电极的结构示意图。
[0022]图3为实施例1制备的电极片的相关监测图；其中，a和b分别为实施例1制备的极片辊压前的表面I的形貌图，d和e分别为实施例1制备的极片辊压前的表面II的形貌图，c和f分别为实施例1制备的极片辊压前的表面II的成分浓度占比图，g和h分别为实施例1制备的极片辊压前的电极截面图，i为实施例1制备的电极片的机械性能测试图。
[0023]图4为实施例I(a)的循环伏安曲线和循环性能图。
[0024]图5为利用实施例1、实施例2和对比例1(传统电极)制备的电极组装成电池后的倍率性能测试对比图。
[0025]图6为利用实施例6制备的石墨电极的形貌图(对应a图)及组装成的电池的循环性能图(对应b图)。
[0026]图7为利用实施例7制备的硅电极的形貌图(对应a图)及组装成的电池的循环性能图(对应b图)。
具体实施方式
[0027]如图1所示，本专利技术的技术构思在于提供一种基于重力作用的梯度型低迂曲度电极及其制备方法，其工艺流程包括：
[0028]S1，混浆：
[0029]制备含电极活性物质(例如LFP)、粘结剂(例如PVDF)、导电剂(例如SP)、碳纤维(CFs)和有机溶剂(例如NMP)的料浆。
[0030]S2，抽滤：
[0031]将料浆置于砂芯漏斗中进行抽滤，得活性物质、导电剂呈梯度分布的粗电极片。
[0032]S3，水浴反相转化：
[0033]将粗电极置于水中进行水浴反相转化，得孔道孔径、活性物质、导电剂呈梯度分布的三梯度型低迂曲度电极。
[0034]S4，将三梯度型低迂曲度电极进行低温(不高于80℃)烘干，辊压，真空干燥，即得具有直通孔道的自支撑梯度电极。
[0035]本专利技术采用抽滤、水浴反相转化结合制备梯度型低迂曲度梯度电极，一方面具有活性物质、导电剂与极片孔隙孔径梯度分布的特性，另一方面具有纵向直通或近似纵向直通的锂离子传输通道，其迂曲度为1或接近于1，比如为1～1.2，优选为1～1.1，进一步优选为1。
[0036]本专利技术制备方法既可用于制备正极，也可用于被负极，即电极活性物质可为正极活性物质或负极活性物质。本专利技术的方法可以适用于厚电极的制备，可应用于锂离子电池、锂硫电池、锂金属电池等电池体系中。
[0037]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本专利技术。以下各实施例，仅用于说明本专利技术，但不止用来限制本专利技术的范围。基于本专利技术中的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的情况下，所获得的其他所有实施例，都属于本专利技术的保护范围。在本专利技术实施例中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度型低迂曲度电极，其特征在于，所述电极活性物质、导电剂整体上呈梯度分布，所述电极具有孔径呈梯度分布的直通或者类直通的孔道，所述孔道的迂曲度为1～1.2。2.权利要求1所述的梯度型低迂曲度电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：制备含电极活性物质、粘结剂、导电剂、碳纤维和有机溶剂的料浆；将所述料浆置于砂芯漏斗中进行抽滤，得电极活性物质、导电剂呈梯度分布的粗电极片；将所述粗电极片置于水中进行相转化，得孔道孔径、电极活性物质和导电剂呈梯度分布的低曲折度电极；将所述低曲折度电极进行烘干，辊压，即得梯度型低迂曲度电极片。3.根据权利要求2所述的梯度型低迂曲度电极的制备方法，其特征在于，电极活性物质、粘结剂、导电剂、碳纤维的质量比为(60～99):(1～10):(1
‑
20):(1～10)。4.根据权利要求3所述的梯度型低迂曲度电极的制备方法，其特征在于，电极活性物质、粘结剂、导电剂、碳纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢佳，何仁杰，覃明盛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：