CN101944635A - 一种高功率锂离子二次电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率锂离子二次电池及其制造方法，该电池包括正极片、负极片、隔离膜、电解液和外包装壳，其中正、负极集流体为金属箔，该金属箔经粗化处理后表面粗糙。其制造方法包括：将称量计量的正极活性物质、导电剂、粘合剂和溶剂混合，搅拌均匀后，涂布到经粗化处理的正极集流体上，干燥，辊压，切片待用；将称量计量的碳材料、导电剂、粘合剂和溶剂混合，搅拌均匀后，涂布到经粗化处理的负极集流体上，干燥，辊压、切片待用；将正极片、隔膜、负极片叠放并压紧，焊极耳并装入外包装壳中；顶封侧封；电池经干燥后，注入电解液；电池化成；抽气封口；电池分容。该锂离子二次电池电导率高，内阻小，达到60C以上持续放电。

Description

一种高功率锂离子二次电池及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池，特别涉及一种基于非水电解质的高功率锂离子二次电池及其制备方法。

背景技术

当今世界许多国家和地区对环保的要求越来越高，传统的一些电池产品(如铅酸、镍镉、镍氢电池)的应用范围将受到越来越严格的限制，锂离子电池是一种绿色高能可充电电池。由于它具有电压高，比能量大，充放寿命长，放电性能稳定，比较安全，无污染等特点，深受社会和用户的欢迎。与镍镉、镍氢等电池相比，锂离子电池有着明显的优势。它充分体现了高比能量电池的优越性。

锂离子电池主要采用特殊结构的碳材料取代金属锂为负极，以过渡金属氧化物(LiCoO₂，LiNiO₂，LiMn₂O₄等)为正极，通过Li⁺离子嵌入、嵌出的循环贮存和释放能量.其工作原理如下：

充电时，锂离子从含锂化合物的正极脱离，嵌入负极的碳素层之间。相反在放电时，锂离子从负极的碳素层中脱离，插入到正极的锂化合物层之间。

但现有的采用非水电解质体系的锂离子二次电池，由于非水电解液的电导率低(与水性电解液体系相比约低2-3个数量级)，高倍率放电能力较差，一般只能3C左右放电。而市场上的航模玩具、车模及船模玩具等要求持续放电倍率达到10-20C，其中专业玩家市场更是要求达到30C以上，瞬间达到60C以上放电，要求放电平台电压高，爆发力强。这就需要对现有技术进行改进，突破现有工艺，采用特殊的技术方法来实现。要想提高电池的放电倍率，解决非水电解液的电导率低，电池内阻大的缺陷是关键。增加正负集流体的比表面积，增大正负极物质与集流体的接触面积，可以达到提高导电率，降低内阻的效果。现有技术中也有增加正负集流体单位面积的表面积的技术，如集流体采用冲压金属、金属箔、网状金属、泡沫金属等。但上述集流体如泡沫金属很难做薄，不适合用在锂离子电池上，仅在镍氢、镍镉电池上有应用；网状金属一般用在凝胶态锂聚合物电池上，而且网状金属导电导热性能并不比金属箔好，所以网状金属没有应用在商品化的锂离子电池上；金属箔是锂离子二次电池大量使用的集流体，其中金属铝箔是通过压延制造的，金属铜箔是通过电解或压延制造的，厚度一般在几微米到几十微米之间。金属箔是锂离子电池集流体较为理想的材料，易于制造，价格便宜。同时用金属箔制作锂离子电池极片也是最方便的，效率高，成本低。现有技术中金属箔的表面均是平面形的，这种结构使增加金属箔的比表面积受到限制，通过粗化金属箔表面是增加其比表面积的手段之一，但由于金属箔很薄，粗化处理在技术上有一定的困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中锂离子电池非水电解液的电导率低，电池内阻大，放电倍率低的缺点，提供一种电导率高，内阻小，达到60C以上持续放电的高功率锂离子二次电池。

本发明的另一目的是提供上述高功率锂离子二次电池的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的高功率锂离子二次电池，包括正极集流体和附着在该正极集流体上的正极材料组成的正极片、负极集流体和附着在该负极集流体上的负极材料组成的负极片、隔离膜、电解液和外包装壳，正极集流体和负极集流体为金属箔，该金属箔经粗化处理后表面粗糙。所述正极集流体可以为铝箔，负极集流体可以为铜箔。

本发明提供的制备锂离子二次电池的方法，包括以下步骤：

a.正极片制备：将称量计量的正极活性物质、导电剂、粘合剂和溶剂混合，搅拌均匀后，涂布到经过粗化处理的正极集流体上，干燥，辊压至所需电极厚度，切成设计的尺寸，待用；

b.负极片制备：将称量计量的碳材料、导电剂、粘合剂、和溶剂混合，搅拌均匀后，涂布到经过粗化处理的负极集流体上，干燥，辊压、切片待用；

c.将正极片、隔膜、负极片叠放并压紧，焊极耳并装入外包装壳中；

d.顶封侧封；

e.电池经干燥后，注入电解液；

f.电池化成；

g.抽气封口；

h.电池分容。

其中，所述粗化处理是用带有预定纹路的模具在铝箔、铜箔上压出密集且细致的纹路，模具可以是带有预定纹路的上下滚筒，也可以是上下平面模具。压纹深度和宽度约为10-100微米(控制不能压穿)，可以是各种花纹图案。所述模具上可以设有超声波装置。

该粗化处理可以采用激光对正负集流体表面进行刻蚀粗化。

本发明的有益效果：

本发明的高功率锂离子二次电池通过将正负集流体加工成粗糙形，增加正负集流体的比表面积，从而增大了正负极活性物质与正负集流体的接触面积，使电池的内阻可大幅度降低，约为普通同容量锂离子电池的1/5左右，从而大幅度提高了大电流放电能力，持续放电能力达到50C(截止3.0V，可放出标称容量的90％以上)，60C持续放电的平台电压达3.4V左右，瞬间放电能力可达100C以上。这种锂离子电池可优选用作高功率电池，尤其用于航模、车模、船模玩具以及电动玩具。

附图说明

图1是本发明的高功率锂离子二次电池剖面图。

图2是制造本发明的高功率锂离子二次电池的流程图。

图3为1042125-5000单体电池200A(40C)放电曲线

图4为1042125-5000单体电池300A(60C)放电曲线

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的锂离子二次电池，包括正极集流体和附着在该正极集流体上的正极材料组成的正极片1、负极集流体和附着在该负极集流体上的负极材料组成的负极片2、隔离膜3、电解液和外包装壳4。其中正负极集流体铝箔、铜箔经过特殊粗化处理，具体处理方法有如下几种：

1、用带有预定纹路的模具在铝箔、铜箔上压出密集且细致的纹路，模具可以是带有预定纹路的上下滚筒，也可以是上下平面模具。压纹深度和宽度约为10-100微米(控制不能压穿)，可以是各种花纹图案。

2、为了加强粗化效果，把超声波装置引入到上述模具上，利用超声波的高频振荡获得理想的粗化效果。

3、用激光对集流体表面进行刻蚀粗化。

正极片的组成及其含量为本领域技术人员所公知，一般来说含有正极活性物质、导电组分和粘合剂等。本发明中的正极材料的组分和含量(相对正极材料总质量的质量百分比)为：

正极活性物质选自钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂的一种或几种的混合物，含量为80-98％；导电剂选自碳纳米管、纳米碳纤维、石墨、碳黑的一种或多种，含量为1-10％；粘合剂选自包括PTFE、PVDF等至少一种，含量为1-10％。

正极片的组成及其含量为本领域技术人员所公知，一般来说含有负极活性物质、导电组分和粘合剂等。本发明中的正极材料的组分和含量(相对正极材料总质量的质量百分比)为：

负极活性物质为碳材料，碳材料90-98％；导电剂选自碳纳米管、纳米碳纤维、石墨、碳黑的一种或多种，含量为1-5％；粘合剂选自包括聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)、羟甲基纤维素(CMC)、羟丙基甲基纤维素(MC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)的一种或多种，含量为1-5％。

隔离膜、电解液和外包装壳均为本技术领域的公知技术，没有特别限制，均可从市场上购得。隔离膜可采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)复合隔膜；外包装壳5可采用铝塑膜材料。

下面结合实施例更详细地描述本发明。下列实施例为锂离子二次电池的制备(见图2)。

实施例一

正极粘合剂制备：计量称取3份PVDF、40份氮甲基砒咯烷酮(NMP)(溶剂)，充分搅拌至PVDF完全溶解。

正极浆料制备：计量称取93份钴酸锂(D50：5μ)、1份纳米碳纤维、1份纳米碳粉、2份导电石墨，加入已配制好的正极粘合剂溶液，搅拌均匀。

负极粘合剂制备：计量称取1.6份CMC、100份纯水，充分搅拌至CMC完全溶解，然后放入2.4份SBR，搅拌至分散均匀。

负极浆料制备：计量称取94.5份碳材料、1份纳米碳纤维、0.5份纳米碳粉、加入已配制好的负极粘合剂，搅拌均匀。

正负极集流体铝箔铜箔的压纹粗化处理：用带有预定凸起纹路的上下滚筒在集流体铝箔、铜箔上压制出所需的纹路，该模具的凸起纹路的高度和宽度为10微米。

极片制备：将正极浆料均匀涂布到经粗化处理的集流体铝箔上，负极浆料均匀涂布到经粗化处理的集流体铜箔上，烘干，辊压至所需极片厚度，并裁切成设计所需极片尺寸。

装配、化成：把上面制作好的若干正极片，负极片和PP、PE复合隔膜一起叠片成型，装入铝塑膜壳体中，电池经过严格干燥后，在干燥环境下注入电解液，然后进行充放电化成，抽气封口并分容，即完成了高功率锂离子二次电池制作。

实施例二：

正极粘合剂制备：计量称取6份PVDF、40份NMP，充分搅拌至PVDF完全溶解。

正极浆料制备：计量称取89份磷酸亚铁锂、2份碳纳米管、1份纳米碳粉、2份导电石墨、加入已配制好的正极粘合剂溶液，搅拌均匀。

负极粘合剂制备：计量称取1.8份CMC、100份纯水，充分搅拌至CMC完全溶解，然后放入2.2份SBR，搅拌至分散均匀。

负极浆料制备：计量称取94.0份碳材料、1.5份纳米碳纤维、0.5份纳米碳粉、加入已配制好的负极粘合剂，搅拌均匀。

正负极集流体铝箔铜箔的压纹粗化处理：用带有预定凸起纹路的平面模具在集流体铝箔、铜箔上压制出所需的纹路，该模具的凸起纹路的高度和宽度为100微米。

极片制备：将正极浆料均匀涂布到经粗化处理的集流体铝箔上，负极浆料均匀涂布到经粗化处理的集流体铜箔上，烘干，辊压至所需极片厚度，并裁切成设计所需极片尺寸。

装配、化成：把上面制作好的若干正极片，负极片和PP、PE复合隔膜一起叠片成型，装入壳体中，电池经过严格干燥后，在干燥环境下注入电解液。然后进行充放电化成，抽气封口并分容，即完成了高功率锂离子二次电池制作。

实施例三：

其它步骤同实施例二，仅正负极集流体铝箔铜箔的压纹粗化处理过程中，在平面模具上装有超声波装置。上模连接超声波发生器，频率控制在10-100kHz。

实施例四：其它步骤同实施例一，仅正负极集流体铝箔铜箔的压纹粗化处理过程是采用本领技术人员所公知的激光仪对正集流体铝箔和负集流体铜箔表面进行刻蚀粗化，控制不要刻穿，本实施例采用市面上通用的激光打标机对集流体表面进行刻蚀。

本发明不限于上述实施例，粗化处理还可以是其他方式，只要达到正负集流体表面粗糙，比表面积增大的效果就落在本发明的保护范围内。正负集流体表面粗糙也可以是多种形式的，如可以是各种花纹、凸起、凹坑、砂状等。

通过上述实施例得出的锂离子二次电池，由于对集流体进行了粗化处理，增大了正负极物质与集流体的接触面积，提高导电、导热性能，减少了电池内阻，从而大幅度提高了大电流放电能力，持续放电能力达到50C。图3、图4为本发明的锂离子二次电池的放电曲线。

下表为本发明的效果测试参数。

实施例	实施例一	实施例二	实施例三	实施例四
					内阻(mΩ)	0.92	0.95	0.90	0.87
持续放电能力	60C	60C	60C	60C
					瞬间放电能力	100C	100C	100C	100C

上述数据是在常温25度的条件下测得。而现有技术的锂离子二次电池的内阻通常为3-5mΩ。

Claims (10)

1.一种高功率锂离子二次电池，包括正极集流体和附着在该正极集流体上的正极材料组成的正极片、负极集流体和附着在该负极集流体上的负极材料组成的负极片、隔离膜、电解液和外包装壳，其特征是：正极集流体和负极集流体为金属箔，该金属箔经粗化处理后表面粗糙。

2.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征是：所述正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔。

3.根据权利要求1或2所述的锂离子二次电池，其特征是：所述粗化处理是用带有预定纹路的模具在铝箔、铜箔上压出密集且细致的纹路。

4.根据权利要求3所述的锂离子二次电池，其特征是：所述模具上设有超声波装置。

5.根据权利要求1或2所述的锂离子二次电池，其特征是：用激光对正负集流体表面进行刻蚀粗化。

6.根据权利要求3所述的锂离子二次电池，其特征是：所述正负极集流体上的压纹深度和宽度为10-100微米。

7.制备权利要求1-6中其中一种锂离子二次电池的方法，包括以下步骤：

a.正极片制备：将称量计量的正极活性物质、导电剂、粘合剂和溶剂混合，搅拌均匀后，涂布到经过粗化处理的正极集流体上，干燥，辊压至所需电极厚度，切成设计的尺寸，待用；

b.负极片制备：将称量计量的碳材料、导电剂、粘合剂、和溶剂混合，搅拌均匀后，涂布到经过粗化处理的负极集流体上，干燥，辊压、切片待用；

c.将正极片、隔膜、负极片叠放并压紧，焊极耳并装入外包装壳中；

d.顶封侧封；

e.电池经干燥后，注入电解液；

f.电池化成；

g.抽气封口；

h.电池分容。

8.根据权利要求7所述的制备锂离子二次电池的方法，其特征是：所述粗化处理是用带有预定纹路的模具在铝箔、铜箔上压出密集且细致的纹路，模具是预定纹路的上下滚筒或平面模具。

9.根据权利要求8所述的制备锂离子二次电池的方法，其特征是：所述模具上设有超声波装置。

10.根据权利要求7所述的制备锂离子二次电池的方法，其特征是用激光对正负集流体表面进行刻蚀粗化。

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