锂离子电池极片的改性方案综述

畅青俊 ， 刘林菲 ， 马志华 ， 董红玉

(1.新乡电池研究院有限公司 ， 河南 新乡　453000 ； 2.郑州经济技术开发区 祥云寺小学 ， 河南 郑州　450016 ； 3.新乡学院 化学化工学院 ， 河南 新乡　453003 ； 4.河南师范大学 化学化工学院 ， 河南 新乡　453007)



锂离子电池极片的改性方案综述

畅青俊1， 刘林菲2， 马志华3， 董红玉4

(1.新乡电池研究院有限公司 ， 河南 新乡453000 ； 2.郑州经济技术开发区 祥云寺小学 ， 河南 郑州450016 ； 3.新乡学院 化学化工学院 ， 河南 新乡453003 ； 4.河南师范大学 化学化工学院 ， 河南 新乡453007)

电池极片的优劣状态对电池性能有着至关重要的影响，而搅拌、涂布和辊压决定了电池极片的优劣。本文从这三部分关键环节入手，介绍了电池极片的改性方案。

锂离子电池 ； 电池极片 ； 改性方案

0　引言

据中国汽车工业协会统计分析，中国2016年上半年新能源汽车生产17.7万辆，销售17.0万辆，比2015年同期分别增长125.0%和126.9%。预计2016年全年新能源汽车产销量预计达54.4万辆，锂电池产能需求将达到30 GWh左右。预计到2020年，市场价值将超550亿美元(约合人民币3 450亿元)。而新能源汽车的热销也带动了锂电池需求旺盛。

但能否提供优质的动力电池自然而然成为制约新能源领域的发展瓶颈。因此各大企业也加大了对电池生产改进的研究力度, 同时锂离子电池产业需要多项技术整合，包括电化学技术、生产技术、电子技术、材料开发技术等。锂离子电池不仅在理论上需要不断开发，对生产要求也相当高，必须要借助良好的设备和厂房条件以及高素质的技术工人，才能生产出合格的锂离子电池。电池极片的状态决定了电池80%以上的性能[1-2]。因此，本文主要介绍锂离子电池极片改性方案，即如何制作出更优异的锂离子电池极片。

1　极片改性方案

1.1混料添加剂

想要生产出一款性能优良的锂离子电池，需要对电池生产各个环节进行严格把控。锂离子电池生产的主要流程有：混料→涂布→辊压→分切→制片→装配→注液→化成分容，其中针对电池极片的改性研究主要集中在混料、涂布和辊压三部分。

为了使混料工序更好地发挥其作用，在电池极片改性方面，针对该工序普遍做法是添加黏结剂使浆料和集流体更好的黏结在一起。黏结剂作为锂离子电池的重要组成部分，其性能好坏对锂离子电池的性能影响显著[3-5]。

常用的石墨水性黏结剂有HPMC、羧甲基纤维素钠(CMC)、明胶、海藻酸钠、壳聚糖、聚四氟乙烯(PTFE)等，常用的油性黏结剂包括环氧树脂 、氟树脂、丙烯酸、醋酸纤维素等[6]。通常企业为了操作方便节约成本选用CMC作为负极石墨水性黏结剂使用，但高端电极片采用油性黏结剂较多，比如日本电池企业松下、东芝及国内ATL等。为了进一步改善负极片的成片状态，壳聚糖(CS) 天然的碱性高分子多糖被用作石墨负极材料的黏结剂[7-8]。

目前在生产中普遍采用聚偏氟乙烯(PVDF)作为锂离子电池正极的黏结剂，N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为分散剂[9]。为进一步改善正极片的成片状态，Dominko R等[11]将明胶用于锂离子电池黏结剂, 由于其呈蓬松的多孔状,有利于活性材料与电解液的接触和电化学反应的发生。还有部分研究尝试将聚乙烯醇(PVA)作为黏结剂来使用。

由于锂离子活性物质的低导电性,在材料中加入适量的导电剂是非常必要的，作为混料的另一种添加剂是为了能够有效地填充到活性材料颗粒间隙中，形成有利于锂离子嵌入和脱嵌的微孔，提高电荷传导能力。通常Super P由于其是一种各相异性的层状石墨，颗粒小于乙炔黑，具有较高的电子传导能力，因此被作为导电剂来使用。 为了进一步改善极片的电化学性能，一种气相生长的碳纤维VGCF，由于具有较好的导电和导热性能，同时具有一定的电解液吸附能力，被作为导电剂来研究[11]。

另外，在混料阶段适当的乙醇或异丙醇等消泡剂也被添加使用，MF、十二烷基磺酸钠(SDS)和聚乙二醇(PEG)等被作为分散剂使用。此外，研究不同含量配比、干混和湿混等不同混料方式及控制温度和真空度等也被作为电池极片的改性方案被企业广泛采纳。

1.2涂布箔材集流体

锂离子电池涂布是将混合好的浆料涂布到箔材集流体表面。因此电池极片的改性方案一方面是在箔材上改进，另一方面就是在涂布方式上突破。集流体能降低电池的内阻，减少电池材料的电化学极化，从而提高电池的实际容量和循环性能。正极集流体铝箔在电池长期使用时会发生腐蚀溶解。铝的表面腐蚀形成可溶性的 Al3+会造成电解液的污染，并且可能在负极还原沉积生成金属 Al枝晶，会直接影响电池的使用寿命和安全性能[12-13]。为了改善电极片的性能，通过氧化后处理的方法在铝箔表面生成一层钝化膜保护层来提高集流体耐蚀性。也有在铝箔表面涂覆导电碳涂层，对铝箔进行电晕处理等。

负极集流体通常为二维光滑的铜箔，但由于其表面光滑，导致铜箔与浆料结合不紧密，接触面不均匀，致导电性变差。目前为了改善电池极片的状态，通常采用表面粗糙化的方法来实现。主要是通过表面处理、直流刻蚀、化学沉积和电沉积镀覆金属等方法来实现[14-17]。还有学者通过塑料电沉积法制备出泡沫铜作为锂离子电池集流体，对其进行电化学性能测试，结果显示了较好的循环性能[18]。

目前，通常的涂布方式有多层挤压涂布、落帘涂布及转移涂布，但已不能完全满足新的要求。新的涂布改进方式有条缝涂布、挤压涂布和微凹版辊涂布。此外易于调节的速比、主机速度、包角和刮刀压力等参数也作为涂布改进的实验方向。

1.3辊压

辊压环节不仅影响极片的成片状态，而不同的辊压厚度也影响电池的内阻，而辊压的厚度与设备息息相关。传统的电池极片轧机采用气液增压缸加压，通过手动调节楔铁丝杠来确定轧制预辊缝，属于离线调整辊缝方式，无法完成恒轧制力方式轧制[19]。为了改善生片质量，现在轧机采用液压控制，提高了极片辊压的自动化程度、精度和一致性。

除了增压方式的改进，现在加热辊压也被用来改进电池极片的成片状态，一般认为热辊辊压可以消除极片经轧制后留存的一部分内应力，降低极片在辊压后的反弹率，还可以增强活性物质与集流体之间的黏合力。

2　结论与展望

电池极片的优劣状态对电池性能有着至关重要的影响，而搅拌、涂布和辊压决定了电池极片的优劣。本文从电池极片的关键环节入手，介绍了电池极片的改性方案，但锂电池的改性提高是一个系统工程，不仅仅只是生产工艺，还需要电池设计者、管理系统的研究者以及电池组的使用者共同协作，来促进我国锂电池行业的发展。

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Summary on the Modification of Lithium Ion Battery Pole Pieces

CHANG Qingjun1, LIU Linfei2, MA Zhihua3, DONG Hongyu4

(1.Xinxiang Battery Research Institute Co.Ltd , Xinxiang453000 ， China;2.Zhengzhou Economic and Technological Development Zone Xiangyunsi Primary School , Zhengzhou450016 , China ; 3.College of Chemistry and Chemical Engineering , Xinxiang College , Xinxiang453003 ，China ; 4.College of Chemistry and Chemical Engineering , Henan Normal University , Xinxiang453007 ，China)

Advantage and disadvantage of the battery pole piece has important influence on the performance of the battery,while mixing,coating and rolling determines the advantage and disadvantage of the battery pole piece.From these three aspects,the modificatin methods of the battery pole piece are introduced.

Li-ion battery ; battery pole piece ; modification method

2016-06-15

畅青俊(1987-)，男，助理工程师，从事锂离子电池的研究工作，电话：15836051323。

TM911

A

1003-3467(2016)09-0015-03