專利名稱：：一種粉體壓實密度的設計方法
技術領域：
：本發明是關于一種粉體壓實密度的設計方法。
背景技術：
：二次電池，如鋰離子電池、堿性二次電池，廣泛應用于3C產品，也即個人電腦、移動電話和諸如便攜式CD機、PDA之類的個人無線電子設備中。二次電池一般包括外殼、電解液、正極極片、負極極片和隔膜，隔膜位于正極極片和負極極片之間。正極極片包括正極導電基體和負載在正極導電基體上的正極材料，負極極片包括負極導電基體和負載在負極導電基體上的負極材料。正極極片的制作方法一般包括將粉體形式的正極材料與溶劑混合制成正極漿料，將正極漿料涂覆和/或填充在正極導電基體上，干燥并壓實，負極極片的制作方法與正極極片的制作方法大致相同，只是先使用粉體形式的負極材料制成負極漿料。隨著3C產品的不斷更新換代，對電池容量的要求也越來越高，因此這些電池必須不斷提升電池容量。一般情況下可以提高正負極材料的壓實密度來提高單位體積的電池極片的正負極材料的量，從而提高電池容量。但是當正負極材料的壓實密度達到一個限值時，如果繼續提高壓實密度，則會對電池的其它性能如大電流放電性能產生不利影響。因此需要確定最佳的壓實密度，目前常用的電池正極負極材料的壓實密度的設計方法一般包括分別對正極負極材料選取多個不同的壓實密度制成正負極片，然后進行正交實驗制作成成品電池；對電池各項性能如電池容量、大電流放電性能進行測定，得出最佳壓實密度。該方法需要進行正交實驗制成成品電池并對電池的各項性能進行測定，因此步驟繁瑣而且需要較長的時間才能確定最佳壓實密度。
發明內容本發明的目的是為了克服現有的粉體壓實密度的設計方法步驟繁瑣而且需要較長的時間才能確定最佳壓實密度的缺點，提供一種歩驟簡單并且可以快速確定最佳壓實密度的粉體壓實密度的設計方法。本發明提供了一種粉體壓實密度的設計方法，該方法包括將粉體制備成壓實密度不同的多個樣品，并確定最佳的壓實密度，其中，確定最佳的壓實密度的方法包括將參與電化學反應的溶劑分別加在所述樣品的表面，分別記錄所述溶劑完全擴散的擴散時間；分別以擴散時間和壓實密度為Y軸和X軸，或者分別以擴散時間和壓實密度為X軸和Y軸，得到擴散時間-壓實密度曲線，該擴散時間-壓實密度曲線上斜率突變的點所對應的壓實密度為最佳的壓實密度，加在不同樣品表面的參與電化學反應的溶劑的量相同。本發明提供的粉體壓實密度的設計方法只需要制備壓實密度不同的多個樣品，在確定電池正負極材料的最佳壓實密度時不需要制成成品電池，也不需要測定成品電池的各項性能，因此步驟簡單，可以快速確定最佳的壓實密度。從實施例1的結果可以看出，本發明的方法確定的最佳壓實密度非常圖1為本發明實施例1得到的正極材料的擴散時間-壓實密度曲線；圖2為本發明實施例1得到的負極材料的擴散時間-壓實密度曲線。具體實施例方式本發明提供的粉體壓實密度的設計方法包括將粉體制備成壓實密度不同的多個樣品，并確定最佳的壓實密度，其中，確定最佳的壓實密度的方法包括將參與電化學反應的溶劑分別加在所述樣品的表面，分別記錄所述溶劑完全擴散的擴散時間；分別以擴散時間和壓實密度為Y軸和X軸，或者分別以擴散時間和壓實密度為X軸和Y軸，得到擴散時間-壓實密度曲線，該擴散時間-壓實密度曲線上斜率突變的點所對應的壓實密度為最佳的壓實密度，加在不同樣品表面的參與電化學反應的溶劑的量相同。本發明提供的粉體壓實密度的設計方法適用于確定各種參與電化學反應的粉體的最佳壓實密度，尤其適用于確定各種電池的粉體形式的正負極材料的最佳壓實密度。本發明中，壓實密度是指經過壓實后單位體積內粉體的質量。所述粉體優選為各種電池的粉體形式的正負極材料，例如鋰離子電池的正負極材料，堿性二次電池的正負極材料。所述堿性二次電池的例子包括鎳氫電池和鎳鎘電池。其中，鋰離子電池、鎳氫電池和鎳鎘電池各自的正負極材料的種類已為本領域技術人員所公知。例如，鎳氫電池和鎳鎘電池的負極材料包括主組分和粘合劑，鎳鎘電池的負極材料主組分為鎘的單質、氧化物和氫氧化物中的一種或幾種，鎳氫電池的負極材料主組分為儲氫合金。所述粘合劑可以選自羧甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、甲基纖維素、聚丙烯酸鈉、聚四氟乙烯中一種或幾種，粘合劑的含量為主組分的0.01-5重量％，優選為0.02-3重量％。鎳氫電池和鎳鎘電池的正極材料包括氫氧化鎳和粘合劑，所述粘合劑可以選自羧甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、甲基纖維素、聚丙烯酸鈉、聚四氟乙烯中一種或幾種，粘合劑的含量為氫氧化鎳的0.01-5重量％，優選為0.02-3重量％。鋰離子電池的正極材料包括正極活性物質、導電劑和正極粘合劑。所述正極活性物質可以為以下物質中的一種或幾種LixNi,.yCo02(其中，0.9$xS1.1，OSy蘭l.O)、Li1+aMbMn2—b04(其中，畫0.1^a^0.2，O化l.O，M為鋰、硼、鎂、鋁、鈦、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎵、釔、氟、碘、硫元素中的一種)、LimMn2—nBn02(其中，B為過渡金屬，0.9SmSl.1，OSnS1.0)。所述導電劑可以為乙炔黑、導電碳黑和導電石墨中的一種或幾種。所述正極粘合劑可以為聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡膠(SBR)中的一種或幾種。以正極活性物質的重量為基準，所述導電劑的含量可以為1-15重量％，優選為2-10重量。％，正極粘合劑的含量可以為0.5-8重量％，優選為1-5重量％。鋰離子電池的負極材料包括負極活性物質和粘合劑。所述負極活性物質可以為天然石墨、人造石墨、石油焦、有機裂解碳、中間相碳微球、碳纖維、錫合金、硅合金中的一種或幾種，優選人工石墨。所述粘合劑可以為聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡膠(SBR)中的一種或兒種。以所述負極活性物質的重量為基準，所述粘接劑的含量可以為0.01-8重量%，優選為0.02-5重量％。可以采用公知的方法將粉體制備成壓實密度不同的多個樣品。例如，可以將上述電池的正負極材料與溶劑混合，得到正負極漿料；將得到的正負極漿料涂覆和/或填充到相應的正負極導電基體上，然后干燥，壓制至不同的壓實密度。所述溶劑可以選自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二乙基甲酰胺(DEF)、二甲基亞砜(DMSO)、四氫呋喃(THF)以及水和醇類中的一種或幾種，優選為水。所述溶劑的用量可以為正負極材料的10-100重量％，優選為30-70重量％。其中，干燥和壓制的方法和條件已為本領域技術人員所公知，在此不再贅述。其中，所述壓實密度不同的多個樣品的壓實密度優選各不相同。更優選情況下，所述多個樣品的壓實密度平均分布，即任意兩個相鄰壓實密度值之間的差值相等。任意兩個相鄰壓實密度值之間的差值可以為0.01-0.3千克/立方毫米，優選為0.05-0.2千克/立方毫米。多個樣品的壓實密度中的最大值可以為所述粉體能夠達到的最大壓實密度，多個樣品的壓實密度中的最小值可以為大于零并小于最佳壓實密度。各種電池的正負極材料的最佳壓實密度一般都各自在一個大致的范圍內，因此可以將多個樣品的壓實密度中的最小值設定為最佳壓實密度所在范圍的下限值或稍小于該下限值，將多個樣品的壓實密度中的最大值設定為最佳壓實密度所在范圍的上限值或稍大于該上限值，這樣既可以有效地確定最佳壓實密度，又可以減少樣品的數量，節省成本。每個樣品的壓實密度值為0.50-5.0千克/立方毫米，優選為1.0-4.5千克/立方毫米。例如，鋰離子電池正極材料的最佳壓實密度一般在2-4千克/立方毫米的范圍內，因此可以將所述多個樣品的壓實密度中的最小值設定為2千克/立方毫米或者低于2千克/立方毫米如1.8千克/立方毫米，所述多個樣品的壓實密度可以為2.4-4.5千克/立方毫米；鋰離子電池負極材料的最佳壓實密度一般在0.5-2.5千克/立方毫米的范圍內，因此可以將所述多個樣品的壓實密度中的最小值設定為0.5千克/立方毫米或者低于0.5千克/立方毫米如0.4千克/立方毫米，所述多個樣品的壓實密度可以為0.8-2.0千克/立方毫米。所述壓實密度不同的多個樣品的數量只要能夠滿足得到擴散時間-壓實密度曲線要求的最低樣品數量即可。增加樣品數量可以提高得到的擴散時間-壓實密度曲線的精確度，但是樣品數量太多會增加該方法所用的成本和時間，因此所述壓實密度不同的多個樣品的數量優選為5-30，更優選為5-10。所述參與電化學反應的溶劑可以為各種電池的電解液。例如，當所述粉體為鋰離子電池正負極材料時，所述參與電化學反應的溶劑為鋰離子電池的非水電解液。所述非水電解液可以為本領域常規的含有電解質鋰鹽和非水溶劑的非水電解液。所述電解質鋰鹽可以選自六氟磷酸鋰(UPF6)、高氯酸鋰、四氟硼酸鋰、六氟砷酸鋰、鹵化鋰、氯鋁酸鋰及氟烴基磺酸鋰中的一種或兒種。所述非水溶劑可以為鏈狀酸酯和環狀酸酯的混合溶劑，其中鏈狀酸酯可以為碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸二丙酯(DPC)以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的鏈狀有機酯類中的一種或幾種，環狀酸酯可以為碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸亞乙烯酯(VC)、Y-丁內酯(Y-BL)、磺內酯以及其它含氟、含硫或含不飽和鍵的環狀有機酯類中的至少一種。非水電解液中電解質鋰鹽的濃度可以為0.5-3摩/升。當所述粉體為堿性二次電池的正負極材料時，所述參與電化學反應的溶劑為堿性二次電池所用的常規堿性含水電解液，如氫氧化鉀水溶液、氫氧化鈉水溶液、氫氧化鋰水溶液中的一種或幾種。該電解液的濃度可以為6-8摩/升。所述參與電化學反應的溶劑在各個樣品上的用量沒有特別的限定，只要使所述參與電化學反應的溶劑在各個樣品上的用量相等即可。優選情況下，加在不同樣品表面的參與電化學反應的溶劑的量為0.01-0.5毫升。對所述參與電化學反應的溶劑的加入方式沒有特別的限定，優選情況下將所述溶劑滴加在樣品上，例如，可以使用滴管。在相同溫度條件下記錄所述溶劑在多個樣品上的擴散時間，該溫度可以為10-60°C，優選為20-4(TC。所述參與電化學反應的溶劑完全擴散開是指通過肉眼觀察樣品表面不存在明顯的水漬，即所述溶劑全部被吸收至樣品的內部。記錄所述溶劑完全擴散的擴散時間之后，可以分別以擴散時間和壓實密度為Y軸和X軸，或者分別以擴散時間和壓實密度為X軸和Y軸，得到擴散時間-壓實密度曲線。其中，制作所述曲線的方法可以為常規的方法，例如可以使用微軟公司的Excel,該方法已為本領域技術人員所公知，在此不再贅述。得到擴散時間-壓實密度曲線，可以在該曲線上找到斜率突變的點，該斜率突變的點所對應的壓實密度為最佳的壓實密度。其中，可以采用常規的方法確定曲線上的斜率突變點，例如，曲線在任意一點上的斜率的測定方法--般包括在曲線的任意一點做切線，該切線的斜率即為曲線在該點上的斜率。下面通過實施例來更詳細地描述本發明。實施例1該實施例用于說明本發明提供的粉體壓實密度的設計方法。將鋰離子電池正極材料(100重量份正極活性物質LiCo02，4重量份粘接劑PVDF，4重量份導電劑乙炔黑)和40重量份溶劑NMP混合均勻，制得正極漿料，將該正極漿料均勻涂布在鋁箔表面，干燥后分別壓制至壓實密度為2.8千克/立方毫米、3.0千克/立方毫米、3.2千克/立方毫米、3.4千克/立方毫米、3.8千克/立方毫米，得到5個正極極片樣品。在2(TC下，在上述5個正極極板樣品各滴一滴電解液(0.05毫升)，該電解液含有1摩爾/升LiPF6，溶劑為重量比為30:34:11:12的碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯的混合物。然后用秒表記錄2(TC下電解液在上述5個正極極片樣品上完全擴散開的時間。將此溫度下擴散時間和壓實密度分別為Y軸和X軸得到如圖1所示的擴散時間-壓實密度曲線，曲線上斜率突變的點所對應的壓實密度為3.60千克/立方毫米。實施例2將鋰離子電池負極材料(100重量份負極活性物質石墨，5重量份粘合劑聚四氟乙烯)和40重量份溶劑NMP混合均勻，制得負極漿料，將該負極漿料均勻涂布在銅箔表面，干燥后分別壓制至壓實密度為0.9千克/立方毫米、U千克/立方毫米、1.3千克/立方毫米、1.5千克/立方毫米、1.7千克/立方毫米，得到5個負極極片樣品。在2(TC下，在上述5個負極極板樣品各滴一滴電解液(0.05毫升)，該電解液含有1摩爾/升LiPF6，溶劑為重量比為30:34:11:12的碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯的混合物。然后用秒表記錄2(TC下電解液在上述5個負極極片樣品上完全擴散開的時間。將此溫度下擴散時間和壓實密度分別為Y軸和X軸得到如圖2所示的擴散時間-壓實密度曲線，曲線上斜率突變的點所對應的壓實密度為1.54千克/立方毫米。實施例3該實施例用于制備正負極材料的壓實密度分別為由實施例1和2確定的最佳壓實密度的鋰離子電池。將正極材料(100重量份正極活性物質LiCo02，4重量份粘接劑PVDF，4重量份導電劑乙炔黑)和40重量份溶劑NMP混合均勻，制得正極漿料，將該正極漿料均勻涂布在鋁箔表面，干燥后分別壓制至壓實密度為3.60千克/立方毫米，得到正極極片。其中該正極極片含有7.4克正極活性物質LiCo02。將負極材料(100重量份負極活性物質石墨，5重量份粘合劑聚四氟乙烯)和40重量份溶劑NMP混合均勻，制得負極漿料，將該負極漿料均勻涂布在銅箔表面，干燥后分別壓制至壓實密度為1.40千克/立方毫米，得到負極極片。其中該負極極片含有3.62克負極活性物質石墨。將將上述的正、負極片與聚丙烯膜巻繞成一個方型鋰離子電池的極芯，然后將非水電解液以3.8g/Ah的量注入電池殼中，密封，制成5支鋰離子電池A。該電解液含有1摩爾/升LiPF6，溶劑為重量比為30:34:11:12的碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯的混合物。對比例1該實施例用于制備正負極材料的壓實密度分別超過由實施例1和2確定的最佳壓實密度的鋰離子電池。按照與實施例3相同的方法制得5支鋰離子電池B，不同的是，正負極材料的壓實密度分別為3.90千克/立方毫米和1.70千克/立方毫米，正極極片含有7.4克正極活性物質LiCo02，負極極片含有3.62克負極活性物質石墨。實施例4該實施例用于測定由實施例3制得的鋰離子電池的性能。使用BS-9300性能測試儀(廣州藍奇電子實業有限公司生產)，按照如下方法分別測定鋰離子電池A的0.5C放電容量和3C放電容量(即大電流放電性能)。0.5C放電容量在20。C下，用1C的電流將鋰離子電池A充電至4.2V，然后在2(TC下用0.5C的電流放電至3.0V所對應的容量；3C放電容量在2(TC下，用1C的電流將鋰離子電池A充電至4.2V，然后在20。C下用3C的電流放電至3.0V所對應的容量。然后按照下式計算3C放電容量比率3C放電容量比率(％)=(3C放電容量/0.5C放電容量)X100%結果如表1所示。對比例2該對比例用于測定由對比例1制得的鋰離子電池的性能。按照與實施例4相同的方法測定由對比例1制得的鋰離子電池B的0.5C放電容量、3C放電容量和3C放電容量比率，結果如表1所示。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>從表1所示的結果可以看出，實施例3制備的電池的正負極材料的壓實密度分別為由實施例1和2確定的最佳壓實密度，對比例1制備的電池的正負極材料的壓實密度分別超過由實施例1和2確定的最佳壓實密度，實施例3制備的電池的平均0.5C放電容量與對比例1制備的電池的平均0.5C放電容量差不多。對比例1制備的電池的平均3C放電容量和3C放電容量比率分別僅為250.4mAh和26.2%，實施例3制備的電池的平均3C放電容量和3C放電容量比率分別高達655.8mAh和68.4%，遠高于對比例1制備的電池，說明本發明提供的粉體壓實密度的設計方法可以準確地確定電池正負極材料的最佳壓實密度。而且從實施例1和2的描述可以看出，本發明提供的粉體壓實密度的設計方法步驟簡單。權利要求1.一種粉體壓實密度的設計方法，該方法包括將粉體制備成壓實密度不同的多個樣品，并確定最佳的壓實密度，其特征在于，確定最佳的壓實密度的方法包括將參與電化學反應的溶劑分別加在所述樣品的表面，分別記錄所述溶劑完全擴散的擴散時間；分別以擴散時間和壓實密度為Y軸和X軸，或者分別以擴散時間和壓實密度為X軸和Y軸，得到擴散時間-壓實密度曲線，該擴散時間-壓實密度曲線上斜率突變的點所對應的壓實密度為最佳的壓實密度，加在不同樣品表面的參與電化學反應的溶劑的量相同。2、根據權利要求1所述的方法，其中，加在不同樣品表面的參與電化學反應的溶劑的量為0.01-0.5毫升。3、根據權利要求1所述的方法，其中，所述壓實密度不同的多個樣品的任意兩個相鄰壓實密度值之間的差值相等，該差值為0.01-0.3千克/立方毫米。4、根據權利要求1或3所述的方法，其中，每個樣品的壓實密度值為0.5-5.0千克/立方毫米。5、根據權利要求4所述的方法，其中，所述粉體為鋰離子電池的正極材料，每個樣品的壓實密度為2.0-4.5千克/立方毫米。6、根據權利要求4所述的方法，其中，所述粉體為鋰離子電池的負極材料，每個樣品的壓實密度為0.8-2.0千克/立方毫米。7、根據權利要求1所述的方法，其中，所述壓實密度不同的多個樣品的數量為5-30。8、根據權利要求1所述的方法，其中，所述粉體為鋰離子電池的正負極材料，所述參與電化學反應的溶劑為鋰離子電池用非水電解液。9、根據權利要求1所述的方法，其中，所述粉體為堿性二次電池的正負極材料，所述參與電化學反應的溶劑為堿性二次電池用堿性含水電解液。10、根據權利要求1所述的方法，其中，在相同溫度條件下記錄所述溶劑在多個樣品上的擴散時間，該溫度為10-6(TC。全文摘要一種粉體壓實密度的設計方法包括將粉體制備成壓實密度不同的多個樣品，并確定最佳的壓實密度，其中，確定最佳的壓實密度的方法包括將參與電化學反應的溶劑分別加在所述樣品的表面，分別記錄所述溶劑完全擴散的擴散時間；分別以擴散時間和壓實密度為Y軸和X軸，或者分別以擴散時間和壓實密度為X軸和Y軸，得到擴散時間-壓實密度曲線，該擴散時間-壓實密度曲線上斜率突變的點所對應的壓實密度為最佳的壓實密度，加在不同樣品表面的參與電化學反應的溶劑的量相同。本發明提供的粉體壓實密度的設計方法步驟簡單，可以快速確定最佳的壓實密度。文檔編號G01N27/00GK101206188SQ20061016779公開日2008年6月25日申請日期2006年12月18日優先權日2006年12月18日發明者杜春年申請人:比亞迪股份有限公司