一種磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池的製作方法
2023-05-31 12:05:31 2
專利名稱：一種磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及鋰離子電池，具體涉及磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池。
背景技術：
鋰離子電池具有高電壓、高比能量、循環壽命長、自放電率低等特點。但 基於鋰離子電池的特有電化學工作原理和電極、電解液材料的固有特性，鋰離 子電池也具有某些不足之處，歸納起來有以下幾點
大電流充放電過程中(即使用中)的安全問題。首先是充電過程中，鋰離 子沉積在保護膜上，會逐漸形成樹枝狀的結晶。在放電的過程中，樹枝狀結晶雖 會溶解，但是無法百分之百的溶解，便會有殘存的結晶在下次充電時繼續結晶 成長。最後會穿刺隔膜，造成短路；其次，在過充狀況時，電壓太高，導致電 解質分解，產生氣體和其他不安全的副反應；再者是由於鋰離子電池的電解液 為易燃有機溶劑，當大電流充放電而導致電池溫度過高時易弓I起燃燒。
現階段價格過高。現在，制約鋰離子電池商業化發展的關鍵問題之一就是 生產成本較高，這主要是因為電池需要使用以鈷為主的原料來製備正極材料。
磷酸鐵鋰(LiFeP04)是近三年來引起廣泛關注的新型鋰離子電池正極材料， 磷酸鐵鋰由於其原料來源廣泛、價格便宜(約為鈷酸鋰LiCo02的1/3)、無毒、 對環境友好、無吸溼性，理論比容量高(170mAh/g)，與其他鋰離子電池相比具 有相對適中的工作電壓(3.25V左右)。不僅兼顧了 LiCo02、 LiNi02和LiMn02 材料的優點，特別是其具有熱穩定好、安全性能高、循環性能好和比能量高等 優點。
LiFeP04為正極材料的鋰離子電池的工作原理是電池在充電時，鋰離子從 正極中脫嵌，通過電解質和隔膜，嵌入到負極中；反之，電池放電時，鋰離子
從負極脫嵌，通過電解質和隔膜，重新嵌入到正極中去。
鋰離子電池的LiFeP04的充放電反應一般可用如下方程表示充電反應LiFeP04- xLi+- xe— — xFeP04 + (1—x〉LiFeP04 放電反應FeP04+ xLi++ xe— — xLiFeP04 + (1-x)FeP04
由於LiFeP04與FeP04具有非常相似的結構，即鋰離子在脫出前後，原有 晶體結構變化微小，可以保障鋰離子的順利可逆脫嵌，減少由於結構變化過大 而造成的容量損失，所以LiFeP04具有極其穩定的循環可逆性。
雖然磷酸亞鐵鋰動力電池具有其他材料無可比擬的一系列優點，但是它也 存在一些不足之處，主要表現在(1)電池容量偏低，安全性能有待提高；(2) 純的LiFeP04的電導性和離子擴散性能差，從而導致電池大電流放電性能差，且 現有電極材料的粘合劑為偏氟乙烯的聚合物(PVDF)，其揮發既汙染環境，又 危害操作人員的健康，另外PVDF價格昂貴，增加了鋰離子電池的生產成本；(3) LiFeP04的松裝密度和振實密度比較低，導致生產過程中正極漿料的塗附比較困 難。
發明內容
本發明的目的是提供一種磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池及其工藝方法，從 電解液配方、正負極材料入手，提高鋰離子電池性能，同時從多個細節改善其 生產工藝。
上述目的由以下技術方案實現
一種磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池，包括電解液、正極材料及負極材料； 其特徵在於所述電解液的配方組分為LiBOB、 PS、 BS、 EC、 PC、 EMC、 LiPF6、 VC;所述正極材料組成為LiFeP04、碳黑、粘結劑及導電劑；所述負極材料 組成為石墨、碳黑及粘結劑。
所述電解液的具體組成為LiBOB: 3%， PS: 2%， BS: 4%， EC: 22.49%, PC: 9.31%， EMC: 45.75%， LiPF6: 12.45%, VC: 1%，以質量比計。
所述正極材料組成的具體配比為70% 卯％的LiFePO4、5Q/。 20Q/。的碳黑、 5% 10%的粘結劑及5 — 15%的導電劑；所述負極材料組成的具體配比為 85% 96%的石墨、0% 2%的碳黑、4% 13%的粘結劑；均以質量比計。
所述導電劑選用Super-P或KS-6。所述粘合劑均為丙烯酸類聚合物膠乳。
一種上述磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池的工藝方法，包括正、負極漿料 配備、極片成型、電池裝配及電池化成；其中正、負極漿料配備時對正、負 極材料組分進行了混合分散的步驟。
此外，正極塗布的環境採用25°C±2°C、 40% 50%的相對溼度、無塵環
境O
在電極的輥壓過程中，正、負極片壓後粉膜層密度控制在正極為2.0 2.5g/cm3、負極為1.3 1.8g/cm3。
本發明對電解液進行優化，在保證電池電化學性能的基礎上改善了電池的 容量及安全性能；對正負極材料的改進，解決了磷酸鐵鋰自身導電性比較差、 環保及成本的問題；製備工藝上對正、負極漿料配備、正極塗布環境及電極的 輥壓過程的工藝均有改進；使得本發明提供的磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池具 有容量大、安全性高、性價比高、環境友好等優點。
具體實施例方式
本發明提供的磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池包括電解液、正極材料及負極 材料。下面分別說明 一、電解液配方
本申請人曾於200910037477.6號專利申請中開發出一種較佳的錳酸鋰為正 極材料的鋰離子電池用電解液，其配方組分為LiBOB(Lhhium bis(oxalate)borate, 雙草酸硼酸鋰)、PS (Phenyl sulfone,苯碸)、BS (亞硫酸丁烯酯)、EC (Ethylene carbonate碳酸乙烯酯)、PC (Propylene carbonate碳酸丙烯酯)、EMC (Dimethyl carbonate 二甲級碳酸酯)、LiPF6 (鋰六氟磷酸鹽)、VC (Vinylene carbonate碳 酸亞乙烯酯)，該電解液配方的主要特點是改善了鋰離子電池的容量及安全性 能，對於電化學領域普通技術人員而言，該電解液對安全性能的改善完全可以 適用磷酸亞鐵鋰為正極材料的鋰電池當中。所以，本發明磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰 離子電池就採用如下電解液配方組分LiBOB、 PS、 BS、 EC、 PC、 EMC、 LiPF6、 VC;具體組成為LiBOB: 3.00, PS: 2.00， BS: 4.00， EC: 22.49， PC: 9.31，EMC: 45.75， LiPF6: 12.45， VC: 1.00 (單位g，樣品以100g樣品中所含有各 種組分質量)。
二、 正、負極材料
由於純的LiFeP04的電導性和離子擴散性能差，從而導致電池大電流放電 性能差。所以，本發明採用的正極材料組成為LiFeP04、碳黑、粘結劑及導電 劑；具體質量配比為70% 90%的LiFeP04、 5% 20%的碳黑、5% 10%的粘 結劑及5 — 15%的導電劑，導電劑選用Super-P或KS-6。本發明採用的負極組成 為石墨、碳黑及粘結劑；具體質量配比為85% 96%的石墨、0% 2%的碳 黑、4% 13%的粘結劑。粘合劑均採用丙烯酸類聚合物膠乳。
該配方能夠滿足普通型號磷酸亞鐵鋰材料為正極活性物質的軟包裝鋰離子 電池要求，在放電倍率要求低於IOC、電池容量低於5Ah的條件下，電池能夠 滿足應用需求。
三、 電池製備工藝方法
電池製備工藝過程通常包括正、負極漿料配備、極片成型、電池裝配及 電池化成。下面說明本發明對傳統技術的改進點
其中，為了保證正、負極組分中各物質混合的均勻性和顆粒大小尺寸的均
勻性，本發明對正、負極材料組分進行了混合分散的步驟，即將LiFeP04、炭黑 或石墨混合研磨、烘乾預混、製成正極粉末；將石墨、碳黑混合研磨、烘乾預 混，製成負極粉末。
此外，正極塗布是LiFeP04電池產業化的關鍵技術之一，除與材料晶粒大 小，導電劑、粘結劑的種類與含量以及塗布的工藝控制有關；塗布過程中的幹 燥溫度，風速以及塗布速度也起著重大作用，在上述正極組分材料進行混合分 散的步驟的基礎上，本發明確定塗布的最佳環境採用25'C±2°C、 40% 50% 的相對溼度、無塵環境。具體操作時，採用斜拉鋁網作為集流體，且加熱要均 勻，要準確地控制烘片的溫度，時間和烘乾程度。
進而，在電極的輥壓過程中，使得電極經過輥壓後，表面無波紋，電極的 延伸率小，保持有適當的空隙結構。輥壓力和壓後總厚度相關聯，必須據設計
6要求的片總厚來調節恰當的壓力。本發明正、負極片壓後粉膜層密度正極為 2.0 2.5g/cm3、負極為1.3 1.8g/cm3。
本發明針對製造LiFeP04軟包裝動力電池存在的難點，採用了新型電解液 配方、正負電極材料以及改進的生產工藝，技術先進性和創新性主要表現在
(1) 採用新型配方的功能鋰離子電解液組分，在保證電池電化學性能的基 礎上改善了電池的容量及安全性能。
(2) 為了克服磷酸鐵鋰自身導電性比較差的缺點，正極採用LiFeP04、碳 黑、粘結劑及導電劑的配方，且對正、負極組分材料進行了混合分散的步驟； 本發明以水性粘合劑丙烯酸類聚合物膠乳為LiFeP04動力電池正極材料的粘結 劑，解決粘合劑環保及成本的問題。
(3) 為了克服LiFeP04松裝密度和振實密度比較低導致的極片塗附困難， 本發明還確定塗膜的最佳環境，採用斜拉鋁網作為集流體，這樣既解決了極片 塗附問題，還簡化了工藝。
本發明提供的磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池的使用效果如下
1. 電池3C、 IOV過充不爆炸、不起火；
2. 安全性能提高，用恆流恆壓源以(20C、 9V)對光身電池直充不會著火， 爆炸，能通過所有的UL安全測試；
3. 電池在室溫以及恆溫6(TC條件下短路不爆炸、不起火；
4. 電池在6(TC條件下荷電擱置7天，電池鼓脹率《10%;
5. 能以大電流6C充電，IOC放電，循環200周後容量>70%(:。
權利要求
1. 一種磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池，包括電解液、正極材料及負極材料；其特徵在於所述電解液的配方組分為LiBOB、PS、BS、EC、PC、EMC、LiPF6、VC；所述正極材料組成為LiFePO4、碳黑、粘結劑及導電劑；所述負極材料組成為石墨、碳黑及粘結劑。
2. 根據權利要求1所述的磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池，其特徵在於所述電解液的具體組成為LiBOB: 3%， PS: 2%， BS: 4%, EC: 22.49%， PC: 9.31%， EMC: 45.75%， LiPF6: 12.45°/。， VC: 1%，按質量比計。
3. 根據權利要求1或2所述的磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池，其特徵在於所述正極材料組成的具體配比為70% 90°/。的LiFeP04、 5% 20%的碳黑、5% 10%的粘結劑及5 — 15%的導電劑。
4. 根據權利要求3所述的磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池，其特徵在於所述導 電劑選用Super-P或KS-6。
5. 根據權利要求1所述的磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池，其特徵在於所述負 極材料組成的具體配比為85% 96%的石墨、0% 2%的碳黑、4% 13%的茅佔 結劑。
6. 根據權利要求1所述的磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池，其特徵在於所述粘合劑均為丙烯酸類聚合物膠乳。
7. —種生產權利要求1所述磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池的工藝方法，包括 正、負極漿料配備、極片成型、電池裝配及電池化成；其特徵在於正、負極漿料配備時對正、負極材料組分進行了混合分散的步驟。
8. 根據權利要求7所述的生產磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池的工藝方法，其特 徵在於正極塗布的環境採用25°C±2°C、 40% 50%的相對溼度、無塵環境。
9. 根據權利要求7所述的生產磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池的工藝方法，其特 徵在於在電極的輥壓過程中，正、負極片壓後粉膜層密度控制在正極為2.0 2.5g/cm3、負極為1.3 1.8g/cm3。
全文摘要
本發明專利涉及一種磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池，其電解液的配方組分為LiBOB、PS、BS、EC、PC、EMC、LiPF6、VC；正極材料組成為LiFePO4、碳黑、粘結劑及導電劑；負極材料組成為石墨、碳黑及粘結劑。本發明對電解液進行優化，在保證電池電化學性能的基礎上改善了電池的容量及安全性能；對正負極材料的改進，解決了磷酸鐵鋰自身導電性比較差、環保及成本的問題；製備工藝上對正、負極漿料配備、正極塗布環境及電極的輥壓過程的工藝均有改進；使得本發明提供的磷酸亞鐵鋰軟包裝鋰離子電池具有容量大、安全性高、性價比高、環境友好等優點。
文檔編號H01M4/02GK101504993SQ200910037838
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月12日 優先權日2009年3月12日
發明者夏信德, 明 崔, 許漢良, 郭付祥, 黃賽先 申請人:珠海市鵬輝電池有限公司