一種高比功率鋰離子電池及其製備方法
2023-05-01 17:36:11 2
專利名稱：一種高比功率鋰離子電池及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鋰離子電池及其製備方法，尤其涉及一種高比功率鋰離子電池及其製備方法。
背景技術：
隨著社會發展和科技進步，人們對能源的需求越來越大。相比傳統的鉛酸蓄電池、 Ni-Cd, Ni-MH電池來說，鋰離子蓄電池具有對環境友好、比能量高(140Wh/kg)、電壓平臺高、循環壽命長、自放電小、無記憶效應等特點，已廣泛應用於軍用、民用領域，包括3G電子產品、各種電動工具等，並有希望作為動力源應用於混合動力車、電動汽車領域。目前商業化的鋰離子電池正極材料主要為LiCo02、LiMn2O4, LiFePO4, NCM(鋰鎳鈷錳氧)三元和NCA(鋰鎳鈷鋁氧)三元等材料，負極材料主要為石墨類材料，電解液以LiPF6 作為鋰鹽的有機液體電解液為主。由於正極材料的比容量為110 165mAh/g，組成電池的放電電壓平臺在3. 6 3. 8V，鋰離子電池要實現在電動汽車領域的廣泛應用，其比功率或比功率仍有待提高；且有機液體電解液存在易漏液及易燃易爆的安全隱患等問題。例如申請號為200810244353.0. A的中國專利申請中公開的鋰離子動力電池，其正電極活性物質為錳酸鋰，負電極活性物質為石墨類碳材料，電解液、隔膜材料及電池結構均採用常規技術，其鋰離子單體動力電池電壓只能達到3. 8V，而且錳酸鋰材料本身比容量較低，一般在110mAh/g左右，比容量與比功率都比較低。例如申請號為200710163888.0. B的中國專利申請中公開的高功率鋁塑軟包裝鋰離子電池，其正電極材料採用表面包覆處理的三元系鋰鎳鈷錳氧材料，負電極活性材料為石墨，電解液為常規的有機電解液，該電池通過優化電池設計和結構，可以進行高倍率放電，但該鋰離子電池工作電壓只能達到3. 8V,比功率比較低。又例如中國專利申請號為200810141697.9的專利申請中，公開了一種的鋰離子
電池體系，採用錳酸鋰與三元材料LiNiv5 2/5C0l/5 2/5Mni/5 2/5A複合的正極材料，複合正極材料中錳酸鋰和三元材料LiNi1Z5 2/5Co1/5 2/5Mn1/5 2/502的重量比為50 50 80 20。 負電極活性材料為石墨，電解液為常規的有機電解液，雖然混合的兩種正極材料可以優劣互補，但也沒有能提高現有鋰離子電池工作電壓和比功率。
發明內容
本發明的目的是提供一種高比功率鋰離子電池，解決目前鋰離子電池比功率不高的問題。本發明的另一個目的是研究出製造出上述高比功率鋰離子電池的方法，使這種方法的工藝簡單，易於批量化，大型化。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種高比功率鋰離子電池，由正電極、凝膠態聚合物電解質薄膜、聚乙烯多孔膜、凝膠態聚合物電解質薄膜和負電極依次通過堆疊或卷繞封裝而成；所述正電極的活性材料為LiNia5Mr^5O4尖晶石型化合物，或是它的摻雜改性化合物 LixNi0.5_yMnL5_zMy+z04_w，式中 0. 9 < χ 0, ζ > 0,0 < y+z < 0. 1, 0彡w < 2，M選自Al、Mg、Ti、Cr、Zr、Cu、Mo、Fe、Co、V、F中的一種或多種；所述正電極的活性材料或是 LiNitl. 5MnL504，LixNi0.5_yMnL5_zMy+z04-w 兩者之一的 C、ZnO, SiO2、Al2O3 包覆改性化合物；所述負電極的活性材料為矽基複合材料、錫基複合材料、天然石墨、人造石墨、碳纖維、中間相碳微球、硬碳等電位接近鋰電位的可嵌入鋰的化合物中的一種或多種。所述的凝膠態聚合物電解質薄膜由聚合物溶於溶劑，並向其中加入包含鋰鹽和有機溶劑的電解溶液混合併塗於聚乙烯多孔薄膜或正、負電極的兩個表面乾燥形成；所述聚合物為聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、環氧乙烯-環氧丙烯的均聚物或共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚氨基甲酸脂中的一種或多種混合物；溶劑為酮類溶劑、 脂類溶劑和雜環化溶劑中的一種或幾種混合溶劑。所述的酮類溶劑為丙酮、甲乙酮中的一種或兩種混合溶劑，所述的脂類溶劑為碳酸二乙脂、碳酸二丙脂、乙酸乙酯、乙酸甲酯、亞硫酸亞乙酯、亞硫酸亞丙酯中的一種或多種混合溶劑，所述的雜環化溶劑為r-丁內酯、四氫呋喃中的一種或兩種混合溶劑。所述的鋰鹽為LiPF6、LiClO4, LiBOB, LiBF4, LiBF6, LiAsF6, LiCF3S03、LiN(S02C2F5) 2和LiN(SO2CF3)2中的一種或多種混合物；所述有機溶劑為酮類或者脂類有機溶劑。在工藝可以實現的前提下減少凝膠態聚合物電解質薄膜的內阻，所述的凝膠態聚合物電解質薄膜的厚度為0. 1 20 μ m。為防止電解液過度蒸發和鋰鹽的分解，所述的凝膠態聚合物電解質薄膜的的乾燥溫度範圍為30 90°C。本發明的高比功率鋰離子電池的製備方法包括以下步驟A、將含80 98wt%的正電極活性材料、1 10wt%的導電劑和1 10 丨％的粘結劑溶於溶劑中製成正電極漿料，以15 μ m 20 μ m厚的鋁箔為集流體，將正電極漿料塗覆在鋁箔正、反面上並乾燥，製成極片，然後將極片碾壓、模切或剪切，製成正電極；B 將含75 98wt%的負電極活性材料、1 15wt%的導電劑和1 IOwt%的粘結劑溶於溶劑中製成負電極漿料，以9 μ m 13 μ m厚的銅箔為集流體，將負電極漿料塗在銅箔正、反面上並乾燥，製成極片，然後將極片碾壓、模切或剪切，製成負電極；C:將鋰鹽溶於有機溶劑中製成電解溶液，將聚合物溶於溶劑得到聚合物溶液，將電解溶液與聚合物溶液混合均勻後，塗於聚乙烯多孔薄膜或正、負電極的兩個表面上，30 90°C乾燥後得到凝膠態聚合物電解質薄膜；D 將上述的正電極、凝膠態聚合物電解質薄膜、聚乙烯多孔膜、凝膠態聚合物電解質薄膜和負電極依次通過堆疊或卷繞，然後包膜、焊接極耳、電池外殼封裝工序得到動力鋰離子電池半成品，其中負電極和正電極通過聚乙烯多孔薄膜隔離，正電極或負電極分別與聚乙烯多孔薄膜之間塗覆有凝膠態聚合物電解質薄膜；E 將步驟d中得到的動力鋰離子電池半成品進行化成、分容、檢測，得到動力鋰離子電池成品。本發明的有益效果由正電極、凝膠態聚合物電解質薄膜、聚乙烯多孔膜、凝膠態聚合物電解質薄膜和負電極依次通過堆疊或卷繞封裝而成的鋰電池，正電極活性物質比容量可達130 140mAh/g，放電電壓平臺可達4. 5V左右，比現有的三元、磷酸鐵鋰、錳酸鋰等電池比功率可提高10-20%，且具有較高的安全性能，很好的儲存性能和長循環壽命；凝膠態聚合物電解質薄膜的厚度為0. 1 20 μ m，可降低高比功率鋰離子電池的內阻；凝膠態聚合物電解質薄膜的乾燥溫度為30 90°C，可防止電解液過度蒸發和鋰鹽的分解。該高比功率鋰電池的製備方法設備簡單，環境要求易實現，因此製造成本低，易於大型化生產。以下將結合附圖和實施例，對本發明進行較為詳細的說明。
圖1是本發明的高比功率鋰離子電池的製備方法流程圖。圖2為本發明實施實例1電池單體的充放電曲線圖。圖3為本發明實施實例1電池單體的循環壽命曲線圖。圖4為本發明實施實例2電池單體的充放電曲線圖。圖5為本發明實施實例2電池單體的循環壽命曲線圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖來詳細說明本發明。實施例1 本實施例的高比功率鋰離子電池，按單體電池額定容量6. 5Ah設計，如圖1所示， 其具體的製備方法步驟如下步驟A 將含95wt %的LiNia5Mn1 504、l. 5wt %的乙炔黑、1. 5wt %的導電碳黑、 的聚偏氟乙烯為溶質，以N-甲基吡咯烷酮為溶劑調成膏狀的正電極漿料，以15μπι厚
的鋁箔作為集流體，將正電極漿料塗覆到鋁箔的正、反面上並於120°C條件下乾燥8小時， 製成極片，然後將極片碾壓、模切或剪切製成正電極，正電極的壓實密度為3. 6g/cm3 ；步驟B 將的碳包覆納米矽複合材料、7wt%的導電碳黑和9wt%的聚偏氟乙烯為溶質，以N-甲基吡咯烷酮為溶劑調成膏狀的負電極漿料，以10 μ m厚的銅箔作集流體，將負電極漿料塗到銅箔的正、反面上並於120°C條件下乾燥6小時後製成極片，然後將極片碾壓、模切或剪切，製成負電極，負電極的壓實密度為1. 6g/cm3 ；步驟C :將鋰鹽LiPF6溶於有機溶劑中製成電解液，並與溶於溶劑的聚合物電解質混合後塗於聚乙烯多孔薄膜或正負電極的兩面上，乾燥後得到凝膠態聚合物電解質的薄膜，其中聚合物溶液的溶質為偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，溶劑為碳酸二乙脂、碳酸二丙脂的混合物；步驟D 將上述的正電極、凝膠態聚合物電解質薄膜、聚乙烯多孔膜、凝膠態聚合物電解質薄膜和負電極依次通過堆疊或卷繞、包膜、焊接極耳、用鋁塑複合膜封裝等工序後得到動力鋰離子電池半成品；步驟E 將D步驟中得到的動力鋰離子電池半成品進行化成、分容、檢測，得到動力鋰離子電池成品。經過測試，本實施例的動力鋰離子電池的內阻為3. &ιΩ，容量為5. 18Ah，開路電壓為4. 5IV，電池出現4. 35V的電壓平臺，0. 5C倍率200次循環後電池容量剩餘4. 885Ah，容量保持率為94.3%。實施例2
本實施例的高比功率鋰離子電池，按單體電池額定容量6Ah設計，如圖1所示，其具體的製備方法如下步驟A 將含93wt%的包覆碳的LiNia45Cratl5Mr^5O4U. 5wt%的乙炔黑、2wt%的導電碳黑、3. 5wt%的聚偏氟乙烯為溶質，以N-甲基吡咯烷酮為溶劑調成膏狀的正電極漿料， 以15μπι厚的鋁箔作為集流體，將正電極漿料塗覆到鋁箔的正、反面上並於120°C條件下乾燥8小時，製成極片，然後將極片碾壓、剪切製成正電極，正電極的壓實密度為3. 4g/cm3 ；步驟B 將的中間相碳微球、7wt%的導電碳黑和9wt%的聚偏氟乙烯為溶質，以N-甲基吡咯烷酮為溶劑調成膏狀的負電極漿料，以10 μ m厚的銅箔作集流體，將負電極漿料塗到銅箔的正、反面上並於120°C條件下乾燥6小時後製成極片，然後將極片碾壓、 剪切，製成負電極，負電極的壓實密度為0. 85g/cm3 ；步驟C 將鋰鹽LiPF6溶於有機溶劑中製成電解液，並與溶於溶劑的聚合物電解質混合後，塗於聚乙烯多孔薄膜或正負電極的兩個表面上，乾燥後得到凝膠態聚合物電解質的膜，其中導電聚合物溶液的溶質為偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，溶劑為碳酸二乙脂、碳酸二丙脂的混合物；步驟D 將上述的正電極、凝膠態聚合物電解質薄膜、聚乙烯多孔膜、凝膠態聚合物電解質薄膜和負電極依次通過堆疊、包膜、焊接極耳、用鋁塑複合膜封裝等工序後得到動力鋰離子電池半成品；步驟E 將D步驟中得到的動力鋰離子電池半成品進行化成、分容、檢測，得到動力鋰離子電池成品。經過測試，本實施例的動力鋰離子電池的內阻為2. 8 ! Ω，容量為4. 87Ah，開路電壓為4. 73V，電池出現4. 54V的電壓平臺，0. 5C倍率200次循環後電池容量剩餘4. 485Ah，容量保持率為92. 1%。)以上實施例僅用以說明本發明而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的實質性範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種高比功率鋰離子電池，其特徵在於由正電極、凝膠態聚合物電解質薄膜、 聚乙烯多孔膜、凝膠態聚合物電解質薄膜和負電極依次通過堆疊或卷繞封裝而成； 所述正電極的活性材料為LiNia5Mn1.504尖晶石型化合物，或是它的摻雜改性化合物 LixNi0.5_yMnL5_zM」z04_w，式中 0. 9 < χ 0，ζ > 0，0 < y+z < 0. 1，0 彡 w < 2，M 選自Al、Mg、Ti、Cr、Zr、Cu、Mo、Fe、Co、V、F中的一種或多種；所述正電極的活性材料或是 LiNia 5MnL504，LixNitl. 5_yMnL5_zMyJ)4_w 兩者之一的 C、ai0、Si02、Al203 包覆改性化合物；所述負電極的活性材料為矽基複合材料、錫基複合材料、天然石墨、人造石墨、碳纖維、中間相碳微球、硬碳等電位接近鋰電位的可嵌入鋰的化合物中的一種或多種。
2.如權利要求1所述的高比功率鋰離子電池，其特徵在於所述的凝膠態聚合物電解質薄膜由聚合物溶於溶劑，並向其中加入包含鋰鹽和有機溶劑的電解溶液混合併塗於聚乙烯多孔薄膜或正、負電極的兩個表面乾燥形成；所述聚合物為聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、環氧乙烯-環氧丙烯的均聚物或共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚氨基甲酸脂中的一種或多種混合物；溶劑為酮類溶劑、脂類溶劑和雜環化溶劑中的一種或幾種混合溶劑。
3.如權利要求2所述的高比功率鋰離子電池，其特徵在於所述的酮類溶劑為丙酮、 甲乙酮中的一種或兩種混合溶劑，所述的脂類溶劑為碳酸二乙脂、碳酸二丙脂、乙酸乙酯、 乙酸甲酯、亞硫酸亞乙酯、亞硫酸亞丙酯中的一種或多種混合溶劑，所述的雜環化溶劑為 r_ 丁內酯、四氫呋喃中的一種或兩種混合溶劑。
4.如權利要求2所述的高比功率鋰離子電池，其特徵在於所述的鋰鹽為LiPF6、 LiClO4、LiBOB, LiBF4、LiBF6, LiAsF6, LiCF3SO3、LiN (SO2C2F5) 2 和 LiN (SO2CF3) 2 中的一種或多種混合物；所述有機溶劑為酮類或者脂類有機溶劑。
5.如權利要求1或2所述的高比功率鋰離子電池，其特徵在於所述的凝膠態聚合物電解質薄膜的厚度為0. 1 20 μ m。
6.如權利要求4所述的高比功率鋰離子電池，其特徵在於所述的凝膠態聚合物電解質薄膜的的乾燥溫度範圍為30 90°C。
7.—種如權利要求1所述的高比功率鋰離子電池的製備方法，包括以下步驟A、將含80 98wt%的正電極活性材料、1 10wt%的導電劑和1 10襯％的粘結劑溶於溶劑中製成正電極漿料，以15 μ m 20 μ m厚的鋁箔為集流體，將正電極漿料塗覆在鋁箔正、反面上並乾燥，製成極片，然後將極片碾壓、模切或剪切，製成正電極；B 將含75 98wt%的負電極活性材料、1 15wt%的導電劑和1 10襯％的粘結劑溶於溶劑中製成負電極漿料，以9 μ m 13 μ m厚的銅箔為集流體，將負電極漿料塗在銅箔正、反面上並乾燥，製成極片，然後將極片碾壓、模切或剪切，製成負電極；C:將鋰鹽溶於有機溶劑中製成電解溶液，將聚合物溶於溶劑得到聚合物溶液，將電解溶液與聚合物溶液混合均勻後，塗於聚乙烯多孔薄膜或正、負電極的兩個表面上，30 90°C乾燥後得到凝膠態聚合物電解質薄膜；D 將上述的正電極、凝膠態聚合物電解質薄膜、聚乙烯多孔膜、凝膠態聚合物電解質薄膜和負電極依次通過堆疊或卷繞，然後包膜、焊接極耳、電池外殼封裝工序得到動力鋰離子電池半成品，其中負電極和正電極通過聚乙烯多孔薄膜隔離，正電極或負電極分別與聚乙烯多孔薄膜之間塗覆有凝膠態聚合物電解質薄膜；E 將步驟d中得到的動力鋰離子電池半成品進行化成、分容、檢測，得到動力鋰離子電池成品。
8.如權利要求7所述的高比功率鋰離子電池的製備方法，其特徵在於所述步驟A中， 負電極漿料在負電極上的塗覆量小於40mg/cm2。
9.如權利要求7所述的高比功率鋰離子電池的製備方法，其特徵在於所述步驟B中， 正電極漿料在正電極上的塗覆量小於40mg/cm2。
10.如權利要求7所述的高比功率鋰離子電池的製備方法，其特徵在於所述步驟A、B 中所述的導電劑為超級導電炭黑、導電石墨或導電納米碳管中的一種或幾種的混合物；所述的粘結劑為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚合類樹脂中的一種或幾種的混合物；正電極漿料和負電極漿料中的溶劑為N-甲基吡咯烷酮或二甲基醯胺或二甲基乙醯胺；所述步驟D中電池外殼可以為鋼殼、鋁殼、塑料外殼及鋁塑複合膜中一種。
全文摘要
一種高比功率鋰離子電池及其製備方法，屬於鋰離子電池領域，該高比功率鋰離子電池由正電極、凝膠態聚合物電解質薄膜、聚乙烯多孔膜、凝膠態聚合物電解質薄膜和負電極依次通過堆疊或卷繞封裝而成；所述的凝膠態聚合物電解質薄膜由聚合物溶於溶劑，並向其中加入包含鋰鹽和有機溶劑的電解溶液混合併塗於聚乙烯多孔薄膜或正、負電極的兩個表面乾燥形成；本發明可以有效提高鋰電池的比功率，且具有較高的安全性能，很好的儲存性能和長循環壽命；該電池的製造工藝簡單，環境要求低，可廣泛應用於製造高比功率鋰電池領域。
文檔編號H01M4/525GK102361095SQ20111032513
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月24日 優先權日2011年10月24日
發明者劉三兵, 劉雲建, 劉志遠 申請人:奇瑞汽車股份有限公司