CN101504993A

CN101504993A - 一种磷酸亚铁锂软包装锂离子电池

Info

Publication number: CN101504993A
Application number: CNA2009100378387A
Authority: CN
Inventors: 崔明; 许汉良; 郭付祥; 夏信德; 黄赛先
Original assignee: GREATPOWER BATTRY (ZUHAI) CO Ltd
Current assignee: GREATPOWER BATTRY (ZUHAI) CO Ltd
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2009-08-12

Abstract

本发明专利涉及一种磷酸亚铁锂软包装锂离子电池，其电解液的配方组分为LiBOB、PS、BS、EC、PC、EMC、LiPF6、VC；正极材料组成为：LiFePO4、碳黑、粘结剂及导电剂；负极材料组成为：石墨、碳黑及粘结剂。本发明对电解液进行优化，在保证电池电化学性能的基础上改善了电池的容量及安全性能；对正负极材料的改进，解决了磷酸铁锂自身导电性比较差、环保及成本的问题；制备工艺上对正、负极浆料配备、正极涂布环境及电极的辊压过程的工艺均有改进；使得本发明提供的磷酸亚铁锂软包装锂离子电池具有容量大、安全性高、性价比高、环境友好等优点。

Description

一种磷酸亚铁锂软包装锂离子电池

技术领域

本发明涉及锂离子电池，具体涉及磷酸亚铁锂软包装锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有高电压、高比能量、循环寿命长、自放电率低等特点。但基于锂离子电池的特有电化学工作原理和电极、电解液材料的固有特性，锂离子电池也具有某些不足之处，归纳起来有以下几点：

大电流充放电过程中(即使用中)的安全问题。首先是充电过程中，锂离子沉积在保护膜上，会逐渐形成树枝状的结晶。在放电的过程中，树枝状结晶虽会溶解，但是无法百分之百的溶解，便会有残存的结晶在下次充电时继续结晶成长。最后会穿刺隔膜，造成短路；其次，在过充状况时，电压太高，导致电解质分解，产生气体和其他不安全的副反应；再者是由于锂离子电池的电解液为易燃有机溶剂，当大电流充放电而导致电池温度过高时易引起燃烧。

现阶段价格过高。现在，制约锂离子电池商业化发展的关键问题之一就是生产成本较高，这主要是因为电池需要使用以钴为主的原料来制备正极材料。

磷酸铁锂(LiFePO₄)是近三年来引起广泛关注的新型锂离子电池正极材料，磷酸铁锂由于其原料来源广泛、价格便宜(约为钴酸锂LiCoO₂的1/3)、无毒、对环境友好、无吸湿性，理论比容量高(170mAh/g)，与其他锂离子电池相比具有相对适中的工作电压(3.25V左右)。不仅兼顾了LiCoO₂、LiNiO₂和LiMnO₂材料的优点，特别是其具有热稳定好、安全性能高、循环性能好和比能量高等优点。

LiFePO₄为正极材料的锂离子电池的工作原理是：电池在充电时，锂离子从正极中脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极中；反之，电池放电时，锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，重新嵌入到正极中去。

锂离子电池的LiFePO₄的充放电反应一般可用如下方程表示：

充电反应：LiFePO₄-xLi⁺-xe^-→xFePO₄+(1-x)LiFePO₄

放电反应：FePO₄+xLi⁺+xe^-→xLiFePO₄+(1-x)FePO₄

由于LiFePO₄与FePO₄具有非常相似的结构，即锂离子在脱出前后，原有晶体结构变化微小，可以保障锂离子的顺利可逆脱嵌，减少由于结构变化过大而造成的容量损失，所以LiFePO₄具有极其稳定的循环可逆性。

虽然磷酸亚铁锂动力电池具有其他材料无可比拟的一系列优点，但是它也存在一些不足之处，主要表现在：(1)电池容量偏低，安全性能有待提高；(2)纯的LiFePO₄的电导性和离子扩散性能差，从而导致电池大电流放电性能差，且现有电极材料的粘合剂为偏氟乙烯的聚合物(PVDF)，其挥发既污染环境，又危害操作人员的健康，另外PVDF价格昂贵，增加了锂离子电池的生产成本；(3)LiFePO₄的松装密度和振实密度比较低，导致生产过程中正极浆料的涂附比较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种磷酸亚铁锂软包装锂离子电池及其工艺方法，从电解液配方、正负极材料入手，提高锂离子电池性能，同时从多个细节改善其生产工艺。

上述目的由以下技术方案实现：

一种磷酸亚铁锂软包装锂离子电池，包括电解液、正极材料及负极材料；其特征在于：所述电解液的配方组分为LiBOB、PS、BS、EC、PC、EMC、LiPF6、VC；所述正极材料组成为：LiFePO4、碳黑、粘结剂及导电剂；所述负极材料组成为：石墨、碳黑及粘结剂。

所述电解液的具体组成为：LiBOB：3％，PS：2％，BS：4％，EC：22.49％，PC：9.31％，EMC：45.75％，LiPF6：12.45％，VC：1％，以质量比计。

所述正极材料组成的具体配比为：70％～90％的LiFePO4、5％～20％的碳黑、5％～10％的粘结剂及5—15％的导电剂；所述负极材料组成的具体配比为：85％～96％的石墨、0％～2％的碳黑、4％～13％的粘结剂；均以质量比计。

所述导电剂选用Super-P或KS-6。

所述粘合剂均为丙烯酸类聚合物胶乳。

一种上述磷酸亚铁锂软包装锂离子电池的工艺方法，包括：正、负极浆料配备、极片成型、电池装配及电池化成；其中：正、负极浆料配备时对正、负极材料组分进行了混合分散的步骤。

此外，正极涂布的环境采用：25℃±2℃、40％～50％的相对湿度、无尘环境。

在电极的辊压过程中，正、负极片压后粉膜层密度控制在：正极为2.0～2.5g/cm3、负极为1.3～1.8g/cm3。

本发明对电解液进行优化，在保证电池电化学性能的基础上改善了电池的容量及安全性能；对正负极材料的改进，解决了磷酸铁锂自身导电性比较差、环保及成本的问题；制备工艺上对正、负极浆料配备、正极涂布环境及电极的辊压过程的工艺均有改进；使得本发明提供的磷酸亚铁锂软包装锂离子电池具有容量大、安全性高、性价比高、环境友好等优点。

具体实施方式

本发明提供的磷酸亚铁锂软包装锂离子电池包括电解液、正极材料及负极材料。下面分别说明：

一、电解液配方：

本申请人曾于200910037477.6号专利申请中开发出一种较佳的锰酸锂为正极材料的锂离子电池用电解液，其配方组分为：LiBOB(Lithium bis(oxalate)borate，双草酸硼酸锂)、PS(Phenyl sulfone，苯砜)、BS(亚硫酸丁烯酯)、EC(Ethylenecarbonate碳酸乙烯酯)、PC(Propylene carbonate碳酸丙烯酯)、EMC(Dimethylcarbonate二甲级碳酸酯)、LiPF₆(锂六氟磷酸盐)、VC(Vinylene carbonate碳酸亚乙烯酯)，该电解液配方的主要特点是改善了锂离子电池的容量及安全性能，对于电化学领域普通技术人员而言，该电解液对安全性能的改善完全可以适用磷酸亚铁锂为正极材料的锂电池当中。所以，本发明磷酸亚铁锂软包装锂离子电池就采用如下电解液配方组分：LiBOB、PS、BS、EC、PC、EMC、LiPF₆、VC；具体组成为：LiBOB：3.00，PS：2.00，BS：4.00，EC：22.49，PC：9.31，EMC：45.75，LiPF₆：12.45，VC：1.00(单位g，样品以100g样品中所含有各种组分质量)。

二、正、负极材料：

由于纯的LiFePO₄的电导性和离子扩散性能差，从而导致电池大电流放电性能差。所以，本发明采用的正极材料组成为：LiFePO₄、碳黑、粘结剂及导电剂；具体质量配比为：70％～90％的LiFePO₄、5％～20％的碳黑、5％～10％的粘结剂及5—15％的导电剂，导电剂选用Super-P或KS-6。本发明采用的负极组成为：石墨、碳黑及粘结剂；具体质量配比为：85％～96％的石墨、0％～2％的碳黑、4％～13％的粘结剂。粘合剂均采用丙烯酸类聚合物胶乳。

该配方能够满足普通型号磷酸亚铁锂材料为正极活性物质的软包装锂离子电池要求，在放电倍率要求低于10C、电池容量低于5Ah的条件下，电池能够满足应用需求。

三、电池制备工艺方法

电池制备工艺过程通常包括：正、负极浆料配备、极片成型、电池装配及电池化成。下面说明本发明对传统技术的改进点：

其中，为了保证正、负极组分中各物质混合的均匀性和颗粒大小尺寸的均匀性，本发明对正、负极材料组分进行了混合分散的步骤，即将LiFePO₄、炭黑或石墨混合研磨、烘干预混、制成正极粉末；将石墨、碳黑混合研磨、烘干预混，制成负极粉末。

此外，正极涂布是LiFePO4电池产业化的关键技术之一，除与材料晶粒大小，导电剂、粘结剂的种类与含量以及涂布的工艺控制有关；涂布过程中的干燥温度，风速以及涂布速度也起着重大作用，在上述正极组分材料进行混合分散的步骤的基础上，本发明确定涂布的最佳环境采用：25℃±2℃、40％～50％的相对湿度、无尘环境。具体操作时，采用斜拉铝网作为集流体，且加热要均匀，要准确地控制烘片的温度，时间和烘干程度。

进而，在电极的辊压过程中，使得电极经过辊压后，表面无波纹，电极的延伸率小，保持有适当的空隙结构。辊压力和压后总厚度相关联，必须据设计要求的片总厚来调节恰当的压力。本发明正、负极片压后粉膜层密度：正极为2.0～2.5g/cm3、负极为1.3～1.8g/cm3。

本发明针对制造LiFePO4软包装动力电池存在的难点，采用了新型电解液配方、正负电极材料以及改进的生产工艺，技术先进性和创新性主要表现在：

(1)采用新型配方的功能锂离子电解液组分，在保证电池电化学性能的基础上改善了电池的容量及安全性能。

(2)为了克服磷酸铁锂自身导电性比较差的缺点，正极采用LiFePO₄、碳黑、粘结剂及导电剂的配方，且对正、负极组分材料进行了混合分散的步骤；本发明以水性粘合剂丙烯酸类聚合物胶乳为LiFePO4动力电池正极材料的粘结剂，解决粘合剂环保及成本的问题。

(3)为了克服LiFePO4松装密度和振实密度比较低导致的极片涂附困难，本发明还确定涂膜的最佳环境，采用斜拉铝网作为集流体，这样既解决了极片涂附问题，还简化了工艺。

本发明提供的磷酸亚铁锂软包装锂离子电池的使用效果如下：

1.电池3C、10V过充不爆炸、不起火；

2.安全性能提高，用恒流恒压源以(20C、9V)对光身电池直充不会着火，爆炸，能通过所有的UL安全测试；

3.电池在室温以及恒温60℃条件下短路不爆炸、不起火；

4.电池在60℃条件下荷电搁置7天，电池鼓胀率≤10％；

5.能以大电流6C充电，10C放电，循环200周后容量≥70％C。

Claims

1.一种磷酸亚铁锂软包装锂离子电池，包括电解液、正极材料及负极材料；其特征在于：所述电解液的配方组分为LiBOB、PS、BS、EC、PC、EMC、LiPF₆、VC；所述正极材料组成为：LiFePO₄、碳黑、粘结剂及导电剂；所述负极材料组成为：石墨、碳黑及粘结剂。

2.根据权利要求1所述的磷酸亚铁锂软包装锂离子电池，其特征在于：所述电解液的具体组成为：LiBOB：3％，PS：2％，BS：4％，EC：22.49％，PC：9.31％，EMC：45.75％，LiPF6：12.45％，VC：1％，按质量比计。

3.根据权利要求1或2所述的磷酸亚铁锂软包装锂离子电池，其特征在于：所述正极材料组成的具体配比为：70％～90％的LiFePO₄、5％～20％的碳黑、5％～10％的粘结剂及5—15％的导电剂。

4.根据权利要求3所述的磷酸亚铁锂软包装锂离子电池，其特征在于：所述导电剂选用Super-P或KS-6。

5.根据权利要求1所述的磷酸亚铁锂软包装锂离子电池，其特征在于：所述负极材料组成的具体配比为：85％～96％的石墨、0％～2％的碳黑、4％～13％的粘结剂。

6.根据权利要求1所述的磷酸亚铁锂软包装锂离子电池，其特征在于：所述粘合剂均为丙烯酸类聚合物胶乳。

7.一种生产权利要求1所述磷酸亚铁锂软包装锂离子电池的工艺方法，包括：正、负极浆料配备、极片成型、电池装配及电池化成；其特征在于：正、负极浆料配备时对正、负极材料组分进行了混合分散的步骤。

8.根据权利要求7所述的生产磷酸亚铁锂软包装锂离子电池的工艺方法，其特征在于：正极涂布的环境采用：25℃±2℃、40％～50％的相对湿度、无尘环境。

9.根据权利要求7所述的生产磷酸亚铁锂软包装锂离子电池的工艺方法，其特征在于：在电极的辊压过程中，正、负极片压后粉膜层密度控制在：正极为2.0～2.5g/cm3、负极为1.3～1.8g/cm3。