一種高性能水性磷酸鐵鋰動力電池及其製作方法

2023-05-08 06:03:56 1

專利名稱：一種高性能水性磷酸鐵鋰動力電池及其製作方法
技術領域：
本發明涉及鋰離子電池領域的製備工藝，特別是磷酸鐵鋰動力鋰離子電池及其製備方法。
背景技術：
新能源汽車替代傳統汽車已成為必然，各大汽車廠商都有相關新能源汽車計劃。 受益新能源汽車的快速發展，未來動力鋰離子電池市場規模將高速增長。新能源汽車動力電池的整個產業鏈也將因此受益。由於磷酸鐵鋰電池的性能優勢特點，這對磷酸鐵鋰電池生產企業來說更是新機遇。這對電池原材料供應商和廠商來說都是巨大的商業蛋糕，其「錢景」不可估量。磷酸鐵鋰正極材料的優點1、超長壽命，長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右，最高達500次，而以磷酸鐵鋰為正極材料的動力電池，循環壽命可達到2000次以上，標準充電使用，可達到2000次。 同質量的鉛酸電池最多也就1 1. 5年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，將達到 7 8年。綜合考慮，性能價格比將為鉛酸電池的4倍以上。2、使用安全，磷酸鐵鋰可完全解決鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強烈的碰撞下會產生爆炸對消費者的生命安全構成威脅，而磷酸鐵鋰經過嚴格的安全測試即使在最惡劣的交通事故中也不會產生爆炸。3、快速充放電。可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內即可使電池充滿，起動電流可達2C。4、耐高溫，磷酸鐵鋰電熱峰值可達350°C 500°C而錳酸鋰和鈷酸鋰只能在200°C
左右ο5、大容量，磷酸鐵鋰動力電池的續行裡程是同等質量鉛酸電池的3 4倍，其優點可使電動自行車在重量上不超標GOkg/輛)的前提下，充一次電可跑120公裡左右，對於上班族，充一次電能夠使用一周左右的時間。而鉛酸電池配備的電動自行車在整車重量不超標的條件下，其電池容量最大為12Ah(鉛酸電池重量此時已達13公斤，而同容量的磷酸鐵鋰電池的重量只有5公斤)，充一次電最多能夠行駛50km左右。6、無記憶效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處於什麼狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。7、體積小、重量輕。同等規格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3， 重量是鉛酸電池的1/3。8.綠色環保。絕對的綠色環保電池電動自行車雖然為綠色環保型的交通工具，而其配備的鉛酸電池中卻存在著大量的鉛，在其廢棄後若處理不當，仍將對環境造成二次汙染，而磷酸鐵鋰材料無任何有毒有害物質不會對環境構成任何汙染，被公認為綠色環保電池，該電池無論在生產及使用中，均無汙染。隨著中國加入WT0，中國電動自行車的出口量將迅速增大，而現在進入歐美的電動自行車已要求配備無汙染電池，配備鉛酸電池的電動車很難出口，無疑磷酸鐵鋰動力電池將是最好的候補。
中國目前在國內生產(中試)磷酸鐵鋰的廠家多採用固相法，生產中批次間質量控制仍是一個難題。據悉，武漢大學已經解決了這個難題，在不考慮摻雜導電劑因素的情況下，比容量已經達到理論容量(170mAh/g)，獨特的生產工藝(已申請專利保護)使得高質量的磷酸鐵鋰從原料到產品一步到位，生產中只有少量的蒸汽和二氧化碳產生，對環境影響小，質量易控制，降低了生產成本。目前鋰電生產中的大多數漿料都是有機溶劑型的漿料，雖然基本能夠滿足塗布工藝要求，但同時也存在許多問題。首先，溶劑型漿料使用大量的有機溶劑NMP，價格比較去離子水而言要昂貴得多，目前市場價約2萬/噸，使用的粘結劑主要為氟碳樹脂pvdf，價格更為昂貴，市場價約200元/公斤；其次，溶劑型漿料烘烤較水性漿料難烘乾，需要在120攝氏度以上透幹，能耗較高；再者，使用有機溶劑對環境造成一定的汙染，也不利於作業人員的健康。更嚴重的問題是，一則，高比容量電池需要使用的天然石墨只能用水性配料；二則，磷酸鐵鋰正極用油性塗布存在嚴重的難以解決的問題，難以分散、乾燥，極片容易開裂、掉料， 面密度難以提高，業內較高的也只能塗到320g/nT2左右，而且極片不良率非常高。所以使用水性漿料非常有必要。雖然目前一些動力電池的漿料已經採用水性漿料，主要為SBR(配合cmc)，但由於粘結劑選擇和配伍不合理，在工藝上存在諸多問題。這些問題主要包括第一，由於粘結劑選擇和配伍不合理粘結性能很差，容易掉粉；第二，由於水的表面張力較高， 粉料質量份額大，漿料難以攪勻，烘烤時難以流平。第三，極片較硬。

發明內容
本發明所要解決的問題就是提供一種導電性和離子擴散性良好、能大倍率放電的、正極片製備易於實現與控制的高性能的動力型水性磷酸鐵鋰電池及其製造工藝。為了解決上述問題，本發明通過下面技術方案實現一種高性能水性磷酸鐵鋰動力電池包括正極、負極、隔膜和專用動力型磷酸鐵鋰電解液。將磷酸鐵鋰作為動力電池正極活性材料，正極片由改性的磷酸鐵鋰、導電劑、相應的粘結劑以及鋁箔組成，負極片由專用動力型石墨、導電劑、粘結劑以及銅箔組成，其中正極塗布漿料的質量配比為91%的活性物質磷酸鐵鋰、3%的導電劑(1. 17%的Super-P、 0. 91% 的 KS-6、0. 92% 的石墨)以及 6% 的粘結劑(5. 19 % 的 F_105、0. 81 % 的 F-105-A)； 所述負極塗布混合物中活性物質、導電劑、粘結劑的質量百分比分別為94<%、2%、4%。所述的正極材料為改性的磷酸鐵鋰，粒徑均勻，負極材料為動力型石墨材料。所述的正極粘結劑F-105、F-105-A為高效的有機粘結劑，此類粘結劑與磷酸鐵鋰具有極好的相容性。所述的正極導電劑為三種導電混合物，它包括Super-P、KS-6以及石墨三者之間按適當的比例混合。所述的正極集流體採用鋁箔，厚度為20um。負極採用銅箔，厚度為10um。在所述製備正極片工序中1)選取重量比為91%的活性物質磷酸鐵鋰、3%的導電劑(1. 17%的Super-P、 0. 91% 的 KS-6、0. 92% 的石墨)以及 6% 的粘結劑(5. 19% 的 F_105、0. 81% 的 F-105-A)作為正極漿料。2)導電劑和活性物質磷酸鐵鋰均需在真空下100°C乾燥，烘烤時間他。
8、根據權利要求1所述的高性能的磷酸鐵鋰動力電池，其特徵在於正負極片出料塗布前，正極漿料粘度範圍2500 4000mPa-s,負極漿料粘度範圍1500 2500mPa-s,
按實際塗布需要進行調整。所述的塗布溫度正極片塗布時6段烘箱溫度設置為I :55°C，II :65°C，III 75°C, IV :85°C, V :65°C, VI :50°C，塗布速度控制在 3 4m/min。所述的壓實密度對於正極片的壓實密度控制在1. 9 2. lg/cm"3,負極片的壓實密度控制在2. 3 2. 4g/cnT3。本發明採用上述技術方案後得到了如下收益採用的是F105系列的高效粘結劑， 對活性物質顆粒間起粘接作用，將活性物質粘接在集流體上，保持活性物質間以及和集流體間的粘接作用，以保證活性物質製漿時的均勻性和安全性，有利於增強導電劑與活性物質的接觸面積，增強了電子導電性，從而可以提高電池大倍率放電的性能。同時在製備過程中，採取先分散導電劑、粘結劑，後分散活性物質的工序，進一步保證了導電劑與活性物質均勻而又充分的接觸，增強了電池的導電性，有利於提高電池的放電性能。這種電池製作工藝簡單易行，過程易於控制，產品放電性能好，安全性高，循環壽命長。
具體實施例方式下面對本發明作進一步的說明一種高性能水性磷酸鐵鋰動力電池及其製作方法的具體過程如下一種高性能水性磷酸鐵鋰動力電池包括正極、負極、隔膜和專用動力型磷酸鐵鋰電解液。將磷酸鐵鋰作為動力電池正極活性材料，正極片由改性的磷酸鐵鋰、導電劑、相應的粘結劑以及鋁箔組成，負極片由專用動力型石墨、導電劑、粘結劑以及銅箔組成，其中正極塗布漿料的質量配比為91%的活性物質磷酸鐵鋰、3%的導電劑(1. 17%的Super-P、 0. 91% 的 KS-6、0. 92% 的石墨)以及 6% 的粘結劑(5. 19 % 的 F_105、0. 81 % 的 F-105-A)； 所述負極塗布混合物中活性物質、導電劑、粘結劑的質量百分比分別為94<%、2%、4%。一種高性能水性磷酸鐵鋰動力電池製作過程如下步驟一正、負極片的製作。先將正、負極片原材料放到烘箱中真空100°C乾燥他， 將乾燥好的的原材料按照既定的比例，先加粘結劑與導電劑，後加活性物質逐一攪拌開來， 直至原材料完全分散開來。正極漿料的粘度為2500 4000mPa · s,負極漿料粘度範圍 1500 2500mPa · s，按實際塗布需要進行調整。步驟二 正負極片塗布，均採用雙面塗布，塗布尺寸參照5Ah電池工藝文件。塗布 6 段烘箱溫度為I :55°C, II :65°C, III :75°C，IV :85°C，V :65°C，VI :50°C，走速控制在 3 4m/min，正極片的壓實密度控制在1. 9 2. lg/cm"3,負極片的壓實密度控制在2. 3 2. 4g/cm"30將極片按照工藝文件標準進行橫切分條，乾燥後進行極耳焊接、卷繞等工作，製成電芯，經過注液、化成分容等工序得到高性能水性磷酸鐵鋰動力電池。實施案例一磷酸鐵鋰作為動力電池正極活性材料，正極片由改性的磷酸鐵鋰、導電劑、相應的粘結劑以及鋁箔組成，負極片由專用動力型石墨、導電劑、粘結劑以及銅箔組成，其中正極塗布漿料的質量配比為91%的活性物質磷酸鐵鋰、3%的導電劑(1. 17%的Super-P、 0. 91% 的 KS-6、0. 92% 的石墨)以及 6% 的粘結劑(5. 19 % 的 F_105、0. 81 % 的 F-105-A)；
5所述負極塗布混合物中活性物質、導電劑、粘結劑的質量百分比分別為94<%、2%、4%，具體工序步驟一正、負極片的製作。先將正、負極片原材料放到烘箱中真空100°C乾燥他， 將乾燥好的的原材料按照既定的比例，先加粘結劑與導電劑，後加活性物質逐一攪拌開來， 直至原材料完全分散開來。正極漿料的粘度為2500 4000mPa · s,負極漿料粘度範圍 1500 2500mPa · s，按實際塗布需要進行調整。步驟二 正負極片塗布，均採用雙面塗布，塗布尺寸參照5Ah電池工藝文件。塗布 6 段烘箱溫度為I :55°C, II :65°C, III :75°C，IV :85°C，V :65°C，VI :50°C，走速控制在 3 4m/min，正極片的壓實密度控制在1. 9 2. lg/cm"3,負極片的壓實密度控制在2. 3 2. 4g/cm"30將極片按照工藝文件標準進行橫切分條，乾燥後進行極耳焊接、卷繞等工作，製成電芯，經過注液、化成分容等工序得到高性能水性磷酸鐵鋰動力電池。實施案例二磷酸鐵鋰作為動力電池正極活性材料，正極片由改性的磷酸鐵鋰、導電劑、相應的粘結劑以及鋁箔組成，負極片採用一般石墨活性材料、導電劑、粘結劑以及銅箔組成，其中 正極塗布漿料的質量配比為91%的活性物質磷酸鐵鋰、3%的導電劑(1. 17%的Super-P、 0. 91% ^ KS-6、0. 92 % 的石墨)以及 6 % 的粘結劑(5. 19 % 的 F_105、0. 81 % 的 F-105-A)； 所述負極塗布混合物中活性物質、導電劑、粘結劑的質量百分比分別為94<%、2%、4%，具體工序同實施案例一。實施案例三磷酸鐵鋰作為動力電池正極活性材料，正極片由改性的磷酸鐵鋰、導電劑、相應的粘結劑以及鋁箔組成，負極片由專用動力型石墨、導電劑、粘結劑以及銅箔組成，其中正極塗布漿料的質量配比為91%的活性物質磷酸鐵鋰、3%的導電劑Super-P以及6%的粘結劑(5. 19%的F-105、0.81%的F-105-A)；所述負極塗布混合物中活性物質、導電劑、粘結劑的質量百分比分別為94 %、2 %、4 %，具體工序同實施案例一。實施案例四磷酸鐵鋰作為動力電池正極活性材料，正極片由改性的磷酸鐵鋰、導電劑、相應的粘結劑以及鋁箔組成，負極片由專用動力型石墨、導電劑、粘結劑以及銅箔組成，其中正極塗布漿料的質量配比為91%的活性物質磷酸鐵鋰、3%的導電劑(5. lg^WF-iosj.si^ 的F-105-A)以及6%的粘結劑LA-133 ；所述負極塗布混合物中活性物質、導電劑、粘結劑的質量百分比分別為94^^2^^4%,具體工序同實施案例一。實施案例五磷酸鐵鋰作為動力電池正極活性材料，正極片由改性的磷酸鐵鋰、導電劑、相應的粘結劑以及鋁箔組成，負極片由專用動力型石墨、導電劑、粘結劑以及銅箔組成，其中正極塗布漿料的質量配比為91%的活性物質磷酸鐵鋰、3%的導電劑(5. 19%的F-105、0.81% 的F-105-A)以及6%的粘結劑LA-135 ；所述負極塗布混合物中活性物質、導電劑、粘結劑的質量百分比分別為94 %、2 %、4 %，具體工序同實施案例一。
權利要求
1.一種高性能水性磷酸鐵鋰動力電池包括正極、負極、隔膜和專用動力型磷酸鐵鋰電解液。將磷酸鐵鋰作為動力電池正極活性材料，正極片由改性的磷酸鐵鋰、導電劑、相應的粘結劑以及鋁箔組成，負極片由專用動力型石墨、導電劑、粘結劑以及銅箔組成。
2.根據權利要求1所述的一種高性能水性磷酸鐵鋰動力電池，其特徵在於所述正極片由正極集流體和正極漿料組成，正極塗布漿料的質量配比為91 %的活性物質磷酸鐵鋰、3%的導電劑(1. 17%的3叩吐- 、0.91%的1 -6、0.92%的石墨)以及6%的粘結劑 (5. 19% 的 F-105、0. 81% 的 F-105-A)。
3.根據權利要求1和2所述的高性能水性磷酸鐵鋰動力電池，其特徵在於正極材料為改性的磷酸鐵鋰，負極材料為動力型改性石墨。
4.根據權利要求1和2所述的高性能水性磷酸鐵鋰動力電池，其特徵在於所述的正極粘結劑F-105、F-105-A為高效的有機粘結劑，此類粘結劑與磷酸鐵鋰具有極好的相容性。
5.根據權利要求1和2所述的高性能水性磷酸鐵鋰動力電池，其特徵在於所述的正極導電劑為三種導電混合物，它包括Super-P、KS-6以及石墨三者之間按適當的比例混合。
6.根據權利要求1所述的高性能水性磷酸鐵鋰動力電池，其特徵在於所述的正極集流體採用鋁箔，厚度為20um。負極採用銅箔，厚度為lOum。
7.根據權利要求1所述的高性能水性磷酸鐵鋰動力電池，其特徵在於在所述製備正極片工序中1)選取重量比為91%的活性物質磷酸鐵鋰、3%的導電劑(1.17%的Super-P、0.91% 的KS-6、0.92%的石墨)以及6%的粘結劑(5. 19%的卩-105、0.81%的卩-105-八)作為正極漿料。2)導電劑和活性物質磷酸鐵鋰均需在真空下100°C乾燥，烘烤時間8h。
8.根據權利要求1所述的高性能的磷酸鐵鋰動力電池，其特徵在於正負極片出料塗布前，正極漿料粘度範圍2500 4000mPa · s，負極漿料粘度範圍1500 2500mPa · s，按實際塗布需要進行調整。
9.根據權利要求1所述的高性能的磷酸鐵鋰動力電池，其特徵在於正極片塗布時6 段烘箱溫度設置I :55°C, II :65°C, III :75°C，IV :85°C，V :65°C，VI :50°C，塗布速度控制在 3 4m/min。
10.根據權利要求1所述的高性能的磷酸鐵鋰動力電池，其特徵在於對於正極片的壓實密度控制在1. 9 2. lg/cm"3,負極片的壓實密度控制在2. 3 2. 4g/cm"30
全文摘要
本發明涉及一種高性能水性磷酸鐵鋰動力電池的製備工藝，它包括正極、負極、隔膜和專用動力型磷酸鐵鋰電解液。將磷酸鐵鋰作為動力電池正極活性材料，正極片由改性的磷酸鐵鋰、導電劑、相應的粘結劑以及鋁箔組成，負極片由專用動力型石墨、導電劑、粘結劑以及銅箔組成。本發明特徵在於所述正極片由正極集流體和正極漿料組成，正極塗布漿料的質量配比為91％的活性物質磷酸鐵鋰、3％的導電劑(1.17％的Super-P、0.91％的KS-6、0.92％的石墨)以及6％的粘結劑(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)。本發明採用的導電劑和粘結劑配比合理，使得鋰離子動力電池電壓平臺穩定，電池容量大，高倍率充放電性能優，性能循環好，同時這種電池在大電流放電的同時，安全性能好。
文檔編號H01M4/1397GK102347513SQ20111029935
公開日2012年2月8日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者王太宏, 王耀玲, 羅雨, 陳立寶, 黃睿 申請人:湖南大學