CN101707262A - 锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池，其电芯包括：正极片、负极片和间隔于正、负极片之间的隔离膜，正极片包括正极集流体和正极膜片，正极集流体为碳膜，电芯的负极片为卷绕结构，正极片为叠片结构。相对于现有技术，本发明采用碳膜集流体代替传统锂离子电池的铝箔集流体，明显改善了锂离子电池的安全性能和电化学性能。此外，本发明还公开了一种锂离子电池的制备方法。

Description

锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池及其制备方法，尤其是一种具有良好安全性能的锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是一种具有高能量密度和良好环保性能的电池，具有能量高、可靠性高和加工性好等优点，因此被广泛应用于各类便携式电子设备中。
锂离子电池的电芯一般包括相互叠加或卷绕的正极片、隔离膜和负极片，隔离膜间隔于相邻的正、负极片之间，可绝缘隔离正、负极片并保持电解液。正极片包括一般采用铝箔制备的正极集流体和附着在正极集流体上、含有正极活性物质的正极膜片。
由于锂电池工业无法完全阻止在工艺过程中引入微粒，电芯内部容易发生短路。数家锂离子电池厂家都因此而导致大规模的电池召回，造成了很大的经济损失，对锂电池产业也造成了不良影响。在短路过程中，由于铝箔电阻较小，在发生内部短路时，铝箔接触阳极表面并导致短路电流很大，点燃阳极并出现着火、冒烟甚至爆炸等现象，安全性较差。
有鉴于此，确有必要提供一种具有良好安全性能的锂离子电池及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种具有良好安全性能的锂离子电池及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锂离子电池，其电芯包括：正极片、负极片和间隔于正、负极片之间的隔离膜，正极片包括正极集流体和正极膜片，正极集流体为碳膜，电芯的负极片为卷绕结构，正极片为叠片结构。
作为本发明锂离子电池的一种改进，所述碳膜集流体内含有导电剂和粘结剂或导电剂、粘结剂和增塑剂。
作为本发明锂离子电池的一种改进，所述导电剂为导电炭黑，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚偏二氟乙烯。
作为本发明锂离子电池的一种改进，所述碳膜集流体内含有导电剂、粘结剂和增塑剂，导电剂、粘结剂和增塑剂在固体碳膜集流体中的重量百分含量分别为：1％～90％、1％～90％和1％～70％。
作为本发明锂离子电池的一种改进，所述负极片为Z形卷绕结构。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种锂离子电池的制备方法，其包括以下步骤：取一定量的粘结剂溶解于溶剂中，搅拌溶解充分后形成澄清溶液；向澄清溶液中加入增塑剂和导电剂，搅拌均匀；蒸发除去溶剂，烘干碳膜，得到碳膜集流体；制备正极膜片，并将正极膜片通过涂布或热压方式与碳膜集流体复合在一起，制得正极片；制备负极片和隔离膜，并将正极片、负极片和隔离膜制成裸电芯；以及将裸电芯装入电池包装壳中，注入电解液，经化成、陈化工艺制得锂离子电池。
作为本发明锂离子电池的制备方法的一种改进，所述溶剂为丙酮、N-甲基吡咯烷酮或水，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二甲酯或丙烯碳酸酯，所述导电剂为导电炭黑.
作为本发明锂离子电池的制备方法的一种改进，所述正、负极片和隔离膜制成裸电芯的步骤为：先将隔离膜预卷半圈，然后将负极片插入卷半圈；随后，插入一片正极片，并保证正极膜片区域对应负极膜片，再卷半圈；最后，插入一片正极片，直到卷到设计的裸电芯层数。
作为本发明锂离子电池的制备方法的一种改进，所述正、负极片和隔离膜制成裸电芯的步骤为：首先，取一单面正极片，膜片朝上，将隔离膜平铺在正极片上表面；然后，依次在隔离膜上层叠放双面负极片和隔离膜，再叠放一片双面正极片，双面负极片与隔离膜采用Z形卷绕方式，双面正极片依次插入Z形卷绕夹缝中，直到达到裸电芯的设计层数；最后，用剩余的隔离膜卷绕裸电芯至少一周，裸电芯制备完成。
作为本发明锂离子电池的制备方法的一种改进，所述正极膜片的制备方法为：将钴酸锂、导电炭黑和聚偏二氟乙烯或钴酸锂、导电炭黑、聚偏二氟乙烯和增塑剂加入丙酮或N-甲基吡咯烷酮中，混合且搅拌均匀得到具有一定流动性的浆料；然后，将上述浆料涂覆在30μm厚的聚酯薄膜表面，烘干后形成具有一定柔软度的正极膜片。
相对于现有技术，本发明锂离子电池采用碳膜代替传统锂离子电池的铝箔集流体，明显改善了锂离子电池的安全性能和电化学性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明，其中：
图1为本发明锂离子电池实施例1的电芯卷绕结构示意图。
图2为本发明锂离子电池实施例2的电芯Z形卷绕结构示意图。
图3为传统锂离子电池在25℃时以0.5C充电0.5C放电的循环曲线图。
图4为本发明锂离子电池实施例1在25℃时以0.5C充电0.5C放电的循环曲线图。
图5为本发明锂离子电池实施例2在25℃时以0.5C充电0.5C放电的循环曲线图。
图6为传统锂离子电池用针刺实验模拟内部短路时的测试曲线图。
图7为本发明锂离子电池实施例1用针刺实验模拟内部短路时的测试曲线图。
具体实施方式
为了避免铝箔集流体给锂离子电池安全性能带来的不良影响，本发明以碳膜取代铝箔作为正极集流体制备正极片。同时，在制备电芯时，正极片采用叠片结构取代卷绕结构，负极片采用卷绕结构，以改善电芯的安全性能。碳膜集流体及相应锂离子电池的制备实施例如下：
实施例1
制备正极集流体：首先，取一定量的聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(有机高分子粘结剂，PVDF-HFP)溶解于丙酮溶剂中，形成澄清且浓度约为10％的溶液，待溶解充分、搅拌均匀后，最好可以加入邻苯二甲酸二丁酯(增塑剂，DBP)；然后，将导电炭黑(导电剂，Super-P)加入上述混合溶液中；最后，待搅拌均匀后，将丙酮溶剂蒸发除去，把处理后的碳膜烘干得到碳膜集流体.在固体碳膜集流体中，聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、邻苯二甲酸二丁酯与导电炭黑的重量百分含量分别为：聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物含量20％，邻苯二甲酸二丁酯含量10％，导电炭黑70％.
需要说明的是，在本实施例中，所采用的溶剂为丙酮，所采用的增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。但是，根据本发明的其他实施例，所采用的溶剂也可以是N-甲基吡咯烷酮(NMP)或水，增塑剂也可以是邻苯二甲酸二甲酯(DMP)或丙烯碳酸酯(PC)。
此外，根据本发明锂离子电池的其他实施例，导电剂、粘结剂和增塑剂在固体碳膜集流体中的重量百分含量也可以分别为：1％～90％、1％～90％和1％～70％。
制备正极膜片：将钴酸锂(LiCoO2)、导电碳黑(导电剂，Super-P)、聚偏二氟乙烯(高分子粘接剂，PVDF)按重量比95.5∶2.2∶2.3加入丙酮溶剂中，混合且搅拌均匀后得到具有一定流动性的浆料；然后，将上述浆料涂覆在30μm厚的聚酯薄膜的表面，烘干后形成具有一定柔软度的正极膜片。
使用上述碳膜集流体和正极膜片制备电池正极片：将正极膜片与碳膜集流体热压复合后，对正极膜片进行冷压、冲切，再并将16μm厚的铝箔裁成适当尺寸制成正极极耳后固定于碳膜，即可得到正极极片。
制备负极片：将石墨、导电碳黑(导电剂，Super-P)、羧甲基纤维素(水基粘结剂，CMC)、SBR(Styrene Butadiene Rubber，一种橡胶)按重量比95.5∶1.5∶1.5∶1.5加入去离子水中，混合且搅拌均匀得到具有一定流动性的浆料；然后，将上述浆料涂覆在9μm厚的金属铜箔的两面，烘干后形成具有一定柔度的负极片；最后，经过冷压、分条(即将负极片剪裁、切割成所需要的尺寸)，将用0.4mm厚的镍片制成的负极极耳焊接接在铜箔上，制得负极片。
制备锂离子电池：请特别参阅图1，把制备好的正极片、负极片和隔离膜制成裸电芯，其中，隔离膜采用聚丙烯(PP)-聚乙烯(PE)-聚丙烯PP三层复合薄膜，具体方法如下：
首先，按照传统的卷绕工艺，先将隔离膜100预卷半圈；其次，将负极片102插入卷半圈；然后，插入一片正极片104，保证正极膜片区域对应负极膜片，再卷半圈，随后又插入一片正极片104。如此卷绕，直到卷到设计的裸电芯层数。最后，将各正极极耳106焊接在一起，除去增塑剂并将电芯装入铝塑复合膜、铝壳或者钢壳等电池包装壳中，向电池包装壳内注入电解液，经化成、陈化等工艺制得成品锂离子电池。其中，电解液以六氟磷酸锂(LiPF6)为锂盐，以重量百分含量20％的碳酸乙烯酯、30％的碳酸甲乙酯和50％的碳酸二甲酯为溶剂。
对按本实施例制得的多个锂离子电池样品进行容量和内阻测试，测试结果参见表1。
表1实施例1的电池容量和内阻测试结果
  测试序号   充/放电倍率   内阻   容量数据
1 0.5C/0.5C   15.3m Ohm 2048mAh
2 0.5C/0.5C   15.4m Ohm 2051mAh
3 0.5C/0.5C   15.3m Ohm 2047mAh
4 0.5C/0.5C   15.7m Ohm 2050mAh
5 0.5C/0.5C   15.2m Ohm 2054mAh
6 0.5C/0.5C   15.4m Ohm 2052mAh
实施例2
正极集流体、正极膜片、正极片和负极片的制备材料和步骤同实施例1。
制备锂离子电池：请特别参阅图2，把制备好的正极片、负极片和隔离膜采用Z形卷绕结构(Z-folding)制成裸电芯，其中，隔离膜可采用聚丙烯(PP)-聚乙烯(PE)-聚丙烯PP三层复合薄膜，具体方法如下：
首先，取一单面正极片202，膜片朝上，将隔离膜200平铺在正极片202上表面；然后，依次在隔离膜200上层叠放双面负极片204和隔离膜200，再叠放一片双面正极片202，双面负极片204与隔离膜采用Z形卷绕方式，双面正极片202则依次插入Z形卷绕的夹缝中，直到达到裸电芯的设计层数；再后，用剩余的隔离膜200卷绕裸电芯至少一周，起到固定裸电芯的作用，完成裸电芯制备；最后，焊接正极极耳206，并将电芯装入电池包装壳中，向其内注入电解液，经化成、陈化等工艺制得成品锂离子电池。其中，电解液以六氟磷酸锂(LiPF6)为锂盐，以重量百分含量为20％的碳酸乙烯酯、30％的碳酸甲乙酯和50％的碳酸二甲酯为溶剂。
对按本实施例制得的多个锂离子电池样品进行容量和内阻测试，测试结果参见表2。
表2实施例2的电池容量和内阻测试结果
  测试序号   充/放电倍率   内阻   容量数据
  1   0.5C/0.5C   15.3m Ohm   2050mAh
  2   0.5C/0.5C   15.4m Ohm   2045mAh
  测试序号   充/放电倍率   内阻   容量数据
  3   0.5C/0.5C   15.3m Ohm   2053mAh
  4   0.5C/0.5C   15.7m Ohm   2049mAh
  5   0.5C/0.5C   15.2m Ohm   2054mAh
  6   0.5C/0.5C   15.4m Ohm   2047mAh
比较实施例
为了便于对比，以下详细说明一种以铝箔作为集流体的传统锂离子电池的制备工艺，并测试其电池容量和内阻。
制备正极片：将钴酸锂(LiCoO2)、导电碳黑(Super-P)、聚偏二氟乙烯(PVDF，高分子粘接剂)按重量比95.5∶2.2∶2.3加入丙酮溶剂中，混合且搅拌均匀得到具有一定流动性的浆料；然后，将上述浆料涂覆在16μm厚的打孔金属铝箔的两面，烘干后形成具有一定柔软度的正极极片；最后，经过冷压、分条，将用0.4mm厚的铝片制成的正极极耳焊接在铝箔上，制得正极片。
负极片的制备材料和步骤同实施例1。
制备锂离子电池：把制备好的正极片、负极片和隔离膜通过卷绕工艺制成裸电芯，其中，隔离膜可采用聚丙烯(PP)-聚乙烯(PE)-聚丙烯PP三层复合薄膜；然后，将电芯装入电池包装壳中，向其内注入电解液，经化成、陈化等工艺制得成品锂离子电池。其中，电解液以六氟磷酸锂(LiPF6)为锂盐，以重量百分含量为20％的碳酸乙烯酯、30％的碳酸甲乙酯和50％的碳酸二甲酯为溶剂。
对按比较实施例方法制得的多个传统锂离子电池样品进行容量和内阻测试，测试结果参见表3。
表3传统锂离子电池的电池容量和内阻测试结果
  测试序号   充/放电倍率   内阻   容量数据
  1   0.5C/0.5C   19.3m Ohm   2050mAh
  2   0.5C/0.5C   20.4m Ohm   2045mAh
  3   0.5C/0.5C   20.3m Ohm   2051mAh
  4   0.5C/0.5C   19.7m Ohm   2048mAh
  5   0.5C/0.5C   19.2m Ohm   2054mAh
  6   0.5C/0.5C   20.4m Ohm   2049mAh
通过表1至表3的对比可以看出，本发明锂离子电池的容量与传统工艺制备的锂离子电池容量相当，但内阻比传统工艺制备的锂离子电池的内阻小.
请参阅图3至5，通过对比可以看出，本发明锂离子电池在25℃下以0.5C充电、0.5C放电时，循环性能正常。
从图6和图7对比可以看出，本发明锂离子电池除具有良好的循环性能外，还具有可靠的安全性能。实验表明，通过针刺模拟内部短路测试过程中电芯表面温度升高很小，电芯未出现着火、冒烟或燃烧等现象；正常以铝箔作为集流体的电池则发生了燃烧。
综上所述，本发明通过采用碳膜代替传统锂离子电池的铝箔集流体，明显改善了锂离子电池的针刺安全问题，提高了锂离子电池的电化学性能。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，其电芯包括：正极片、负极片和间隔于正、负极片之间的隔离膜，正极片包括正极集流体和正极膜片，其特征在于：所述正极集流体为碳膜，所述电芯的负极片为卷绕结构，正极片为叠片结构。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述碳膜集流体内含有导电剂和粘结剂或导电剂、粘结剂和增塑剂。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于：所述导电剂为导电炭黑，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚偏二氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述碳膜集流体内含有导电剂、粘结剂和增塑剂，导电剂、粘结剂和增塑剂在固体碳膜集流体中的重量百分含量分别为：1％～90％、1％～90％和1％～70％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的锂离子电池，其特征在于：所述负极片为Z形卷绕结构。
6.一种锂离子电池的制备方法，其包括以下步骤：
取一定量的粘结剂溶解于溶剂中，搅拌溶解充分后形成澄清溶液；
向澄清溶液中加入增塑剂和导电剂，搅拌均匀；
蒸发除去溶剂，烘干碳膜，得到碳膜集流体；
制备正极膜片，并将正极膜片通过涂布或热压方式与碳膜集流体复合在一起，制得正极片；
制备负极片和隔离膜，并将正极片、负极片和隔离膜制成裸电芯；以及
将裸电芯装入电池包装壳中，注入电解液，经化成、陈化工艺制得锂离子电池。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述溶剂为丙酮、N-甲基吡咯烷酮或水，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二甲酯或丙烯碳酸酯，所述导电剂为导电炭黑。
8.根据权利要求6所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正、负极片和隔离膜制成裸电芯的步骤为：先将隔离膜预卷半圈，然后将负极片插入卷半圈；随后，插入一片正极片，并保证正极膜片区域对应负极膜片，再卷半圈；最后，插入一片正极片，直到卷到设计的裸电芯层数。
9.根据权利要求6所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正、负极片和隔离膜制成裸电芯的步骤为：首先，取一单面正极片，膜片朝上，将隔离膜平铺在正极片上表面；然后，依次在隔离膜上层叠放双面负极片和隔离膜，再叠放一片双面正极片，双面负极片与隔离膜采用Z形卷绕方式，双面正极片依次插入Z形卷绕夹缝中，直到达到裸电芯的设计层数；最后，用剩余的隔离膜卷绕裸电芯至少一周，裸电芯制备完成。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极膜片的制备方法为：将钴酸锂、导电炭黑和聚偏二氟乙烯或钴酸锂、导电炭黑、聚偏二氟乙烯和增塑剂加入丙酮或N-甲基吡咯烷酮中，混合且搅拌均匀得到具有一定流动性的浆料；然后，将上述浆料涂覆在30μm厚的聚酯薄膜表面，烘干后形成具有一定柔软度的正极膜片。
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