本發(fā)明涉及鋰離子電池，具體涉及一種鋰離子電池用梯度厚電極及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在電動(dòng)汽車、移動(dòng)通訊設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)快速發(fā)展的推動(dòng)下，市場(chǎng)對(duì)鋰離子電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性的要求日益嚴(yán)苛。傳統(tǒng)的鋰離子電池電極制備方法主要采用單一涂層的薄電極設(shè)計(jì)，限制了活性物質(zhì)的負(fù)載量，導(dǎo)致電池的能量存儲(chǔ)能力受限，這種設(shè)計(jì)在當(dāng)今追求更高能量密度的電池技術(shù)中逐漸顯得力不從心。此外，單一涂層電極在充放電循環(huán)中易產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力集中和電化學(xué)性能不均的問(wèn)題，這不僅削弱了電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，還可能因?yàn)殡x子傳輸阻力和嚴(yán)重極化現(xiàn)象而縮短電池的使用壽命和效率。

2、為了突破這些限制，厚電極技術(shù)因其在提升電池能量密度方面的潛力而成為研究的熱點(diǎn)。但是增加極片厚度的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：（1）在電極制備的干燥階段，隨著電極厚度的增加，傳統(tǒng)的單次涂層電極面臨著干燥不均和開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)；（2）極片剝離力變差，電極脫落的風(fēng)險(xiǎn)高；（3）更厚的極片需要鋰離子在充放電過(guò)程中遷移距離更長(zhǎng)，同時(shí)由于電解液對(duì)厚極片的浸潤(rùn)效果變差，鋰離子傳輸受阻，形成電化學(xué)極化；（4）在快速充電條件下，厚電極的鋰離子傳輸能力受限，影響電池的快充性能。這些問(wèn)題可能會(huì)損害電極的機(jī)械穩(wěn)定性和電化學(xué)性能，進(jìn)而影響電池的安全性能。目前現(xiàn)有技術(shù)中主要通過(guò)多層涂覆工藝有效緩解干燥過(guò)程中電極開(kāi)裂和極片剝離力差的問(wèn)題。但是該方法仍然無(wú)法解決鋰離子傳輸受阻和電化學(xué)極化問(wèn)題，電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性依然較差。

3、因此，開(kāi)發(fā)新型的電極結(jié)構(gòu)和制備工藝，以提高電池性能顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種鋰離子電池用梯度厚電極的制備方法，采用多層涂覆工藝，通過(guò)控制各層漿料中活性材料和導(dǎo)電劑的含量，使電極材料中靠近集流體側(cè)電極富含導(dǎo)電劑，遠(yuǎn)離集流體側(cè)電極富含活性物質(zhì)，并使導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)在電極材料中呈梯度分布，提升電極材料的電化學(xué)性能和機(jī)械穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明的上述目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種鋰離子電池用梯度厚電極的制備方法，包括以下步驟：

4、s1.?分別制備漿料a、漿料b和漿料c，其中漿料a、漿料b和漿料c均包括活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，所述漿料a、漿料b、漿料c中，活性物質(zhì)含量從低到高依次為漿料a<漿料b<漿料c，導(dǎo)電劑含量從低到高依次為漿料c<漿料b<漿料a；

5、s2.?在集流體上涂覆漿料a，干燥固化后涂覆漿料b，干燥固化后涂覆漿料c，經(jīng)烘干、制片后得到所述梯度厚電極。

6、本發(fā)明采用多層涂覆工藝，通過(guò)控制各層漿料中活性材料和導(dǎo)電劑的含量，使電極材料中靠近集流體側(cè)電極富含導(dǎo)電劑，遠(yuǎn)離集流體側(cè)電極富含活性物質(zhì)，并使導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)在電極材料中呈梯度分布，這樣可以優(yōu)化鋰離子在電極內(nèi)部的傳輸路徑，同時(shí)達(dá)到增強(qiáng)導(dǎo)電性降低極化的目的，提高了電池內(nèi)部電流分布的均勻性，顯著提升了電池的能量密度，功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性，提高電極材料的電化學(xué)性能。此外，本發(fā)明的方法還可以提高電極涂層與集流體之間的粘結(jié)力，降低電極脫落的風(fēng)險(xiǎn)，提高電極材料的機(jī)械穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命。

7、本發(fā)明方法在上一層漿料固化后在進(jìn)行下一層漿料的涂覆，可確保層與層之間的良好結(jié)合和電極的整體性能。本發(fā)明的方法具有制備工藝簡(jiǎn)單、易于操作、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，滿足高性能電池的需求。

8、優(yōu)選的，所述漿料a中活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑的重量比為(70~80)：(10~25)：(5~10)；所述漿料b中活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑的重量比為(80~90)：(5~10)：(5~10)；所述漿料c中活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑的重量比為(90~95)：(2.5~5)：(2.5~5)。

9、優(yōu)選的，步驟s2中，涂覆的條件如下：所述漿料a、漿料b、漿料c的涂覆厚度相同，漿料b和漿料c的涂覆速度小于漿料a的涂覆速度。

10、優(yōu)選的，涂覆厚度5~5000μm，涂覆速度0.5~10m/min，涂覆溫度20~150℃。

11、優(yōu)選的，步驟s2中的干燥可采用鼓風(fēng)干燥或激光干燥，可避免電極材料在干燥過(guò)程中的開(kāi)裂現(xiàn)象，確保電極層的完整性和穩(wěn)定性。

12、優(yōu)選的，所述活性物質(zhì)包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰三元材料、天然石墨、人造石墨、硅氧材料、硅碳材料中的至少一種。

13、優(yōu)選的，所述導(dǎo)電劑包括炭黑、石墨烯、碳納米管中的至少一種。

14、優(yōu)選的，所述粘結(jié)劑包括羧甲基纖維素鈉、聚偏氟乙烯、聚酰亞胺中的至少一種。

15、本發(fā)明的另一目的在于提供所述制備方法制備的鋰離子電池用梯度厚電極。

16、本發(fā)明的再一目的在于提供一種所述梯度厚電極的鋰離子電池。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益之處在于：

18、（1）本發(fā)明通過(guò)控制各層漿料中活性材料和導(dǎo)電劑的含量，使電極材料中靠近集流體側(cè)的電極富含導(dǎo)電劑，遠(yuǎn)離集流體側(cè)的電極富含活性物質(zhì)，并使導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)在電極材料中呈梯度分布，優(yōu)化了電極內(nèi)部活性物質(zhì)的分布，減少了極化現(xiàn)象，提高了離子傳輸效率，進(jìn)而顯著提升了電池的能量密度和功率密度。此外，本發(fā)明的方法使活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑在電極內(nèi)部按特定的梯度進(jìn)行分布，可實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部電流的均勻分布，顯著提高了電池的整體性能。這一設(shè)計(jì)特別適用于需要高倍率充放電的應(yīng)用場(chǎng)景，如電動(dòng)汽車和移動(dòng)通訊設(shè)備，滿足了這些領(lǐng)域?qū)﹄姵乜焖俪浞烹娔芰Φ男枨蟆?/p>

19、（2）本發(fā)明使電極材料中的活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑按特定的梯度進(jìn)行分布，可實(shí)現(xiàn)電極內(nèi)部應(yīng)力的均勻分布，提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

20、（3）本發(fā)明的方法可有效增強(qiáng)電極涂層與集流體之間的粘結(jié)力，降低了電極脫落的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了電池的循環(huán)壽命，提高了電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用壽命。

21、（4）本發(fā)明的方法可有效避免電極在干燥和使用過(guò)程中的開(kāi)裂問(wèn)題，提高了電池的可靠性和耐用性。

技術(shù)特征：

1.一種鋰離子電池用梯度厚電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池用梯度厚電極的制備方法，其特征在于，所述漿料a中活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑的重量比為(70~80)：(10~25)：(5~10)；所述漿料b中活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑的重量比為(80~90)：(5~10)：(5~10)；所述漿料c中活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑的重量比為(90~95)：(2.5~5)：(2.5~5)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池用梯度厚電極的制備方法，其特征在于，步驟s2中，涂覆的條件如下：所述漿料a、漿料b、漿料c的涂覆厚度相同，漿料b和漿料c的涂覆速度小于漿料a的涂覆速度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池用梯度厚電極的制備方法，其特征在于，涂覆厚度5~5000μm，涂覆速度0.5~10m/min，涂覆溫度20~150℃。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池用梯度厚電極的制備方法，其特征在于，所述活性物質(zhì)包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰三元材料、天然石墨、人造石墨、硅氧材料、硅碳材料中的至少一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池用梯度厚電極的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)電劑包括炭黑、石墨烯、碳納米管中的至少一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池用梯度厚電極的制備方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑包括羧甲基纖維素鈉、聚偏氟乙烯、聚酰亞胺中的至少一種。

8.如權(quán)利要求1~7任一項(xiàng)所述方法制備的鋰離子電池用梯度厚電極。

9.一種鋰離子電池，其特征在于，包括權(quán)利要求8所述的梯度厚電極。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種鋰離子電池用梯度厚電極及其制備方法和應(yīng)用，屬于鋰離子電池領(lǐng)域。所述方法包括以下步驟：S1.分別制備漿料A、漿料B和漿料C，所述漿料A、漿料B、漿料C中，活性物質(zhì)含量從低到高依次為漿料A<漿料B<漿料C，導(dǎo)電劑含量從低到高依次為漿料C<漿料B<漿料A；S2.在集流體上涂覆漿料A，干燥固化后涂覆漿料B，干燥固化后涂覆漿料C，經(jīng)烘干、制片后得到所述梯度厚電極。本發(fā)明通過(guò)控制各層漿料中活性材料和導(dǎo)電劑的含量，使電極材料中靠近集流體側(cè)電極富含導(dǎo)電劑，遠(yuǎn)離集流體側(cè)電極富含活性物質(zhì)，并使導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)在電極材料中呈梯度分布，提升電極材料的電化學(xué)性能和機(jī)械穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：劉秀雪,曾玉彬,鄭懷,陳重學(xué),黎家豪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2