CN102117931B - 正极采用改性锰酸锂的高倍率圆柱形锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及正极采用改性锰酸锂的高倍率圆柱形锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜、非水电解液和外壳，所述正极片采用的活性物质材料是改性LiMn2O4，粘结剂采用油性聚偏氟乙烯；负极片的活性材料是小粒径人造石墨，平均粒径为1-5μm，粘结剂采用水性丁苯橡胶。正极片集流体为铝箔，厚度15-30μm，正极耳采用铝，厚度0.07-0.2mm；负极集流体为铜箔，厚度10-30μm，负极耳采用铜或镍，厚度0.07-0.2mm；正极片和负极片分别设有两个极耳。本发明正极采用掺杂镍的改性锰酸锂，并在电池结构上加以优化，使得本发明既能满足现有用电产品对电池高倍率的放电要求，又能达到高安全性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池，特别是一种使用改性锰酸锂的高倍率圆柱形锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，并且循环寿命长、安全性能好，从而使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，近几年成为广为关注的研究热点。
目前，便携式数码电器、高性能电动工具以及智能玩具等的市场竞争日益激烈，它们对于电池的大电流放电性能、持续工作时间的要求也日益提高，使得能够提供高能量密度和高工作电压的锂离子电池具备一定的竞争优势。但是，现有用电产品对于电池的大电流放电要求较高，例如电池在电动工具、电动汽车上使用时，其放电电流一般在10A-20A，甚至更高。传统的圆柱电池一般不能满足如此高倍率的放电要求。因此，对于电池的安全性和整体设计提出了更高要求。
发明内容
为了达到上述高倍率及高安全性的要求，本发明的目的是提供一种以改性LiMn2O4为正极活性材料、以小粒径人造石墨为负极活性材料的高倍率及高安全性的圆柱形锂离子电池。
本发明的目的是通过采用以下技术方案来实现的：
正极采用改性锰酸锂的高倍率圆柱形锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜、非水电解液和外壳，正极片和负极片分别设有正极耳和负极耳，所述正极片采用的活性物质材料是改性LiMn2O4，粘结剂采用油性聚偏氟乙烯(PVDF)；
所述负极片采用的活性材料是小粒径人造石墨，平均粒径为1-5μm，粘结剂采用水性丁苯橡胶(SBR)，增稠剂采用水性羧甲基纤维素钠(CMC)。
作为本发明的优选技术方案，所述正极片集流体为铝箔，厚度为15-30μm，正极耳采用铝极耳，厚度为0.07-0.2mm。
作为本发明的优选技术方案，所述负极集流体为铜箔，厚度为10-30μm，负极耳采用铜或镍极耳，厚度为0.07-0.2mm。
作为本发明的优选技术方案，所述正极片和负极片分别设有两个极耳，正极片的两个正极耳分别位于正极片集流体的中部和内侧；负极片的两个负极耳分别位于负极片的两端。
作为本发明的优选技术方案，所述正极片厚度范围是90-120μm；负极片厚度范围是80-100μm。
作为本发明的优选技术方案，所述隔膜是高孔率单层聚乙烯隔膜，隔膜的孔隙率是45-50％；隔膜厚度范围是16-30μm。
作为本发明的优选技术方案，所述非水电解液的盐浓度是1.1M-1.4M。
作为本发明的优选技术方案，所述外壳是圆柱形金属壳体，金属壳体上设有电池盖。
本发明的有益效果：相对于现有技术，本发明采用掺杂镍的改性锰酸锂作正极材料，负极采用小粒径的人造石墨，并在电池结构上加以优化，使得本发明既能满足现有用电产品对电池高倍率的放电要求，又能达到高安全性的要求。
附图说明
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：
图1是现有电池极片和极耳的结构示意图；
图2a是本发明四极耳的结构示意图之一；
图2b是本发明四极耳的结构示意图之二；
图2c是本发明四极耳的结构示意图之三；
图3是本发明电池与传统电池20C放电性能的曲线比较图。
具体实施方式
本发明的电池制造方法和现有技术相似，所不同的是在于电池设计之初，以提高电池的倍率放电性能和安全性能为目的，对正负极材料的选择、正负极片的设计结构进行优化。一是正极采用掺杂部分镍的比钴酸锂及三元材料安全性能更高的改性锰酸锂，而其比容量及压实密度又高于传统的锰酸锂，负极采用适合水性配料体系的小粒径人造石墨；二是降低电子阻抗，从而提高高倍率放电性能，主要包括集流体和极耳的优化，对集流体的优化体现在选取厚度更厚的铜铝箔；对极耳的优化体现在极耳材质、数目及其在极片中所处的位置等；三是降低离子阻抗，主要包括正负极片涂层厚度、隔膜孔隙率和电解液成分的优化。
传统的锰酸锂其比容量及压实密度都较低，而通过掺杂镍10％-30％后的改性锰酸锂无论在比容量、还是压实密度等方面都有很大的提高，从而在相同的容量水平下，其正极片可以做得更薄，进一步提高高倍率放电性能；传统的人造石墨其平均粒径在12-25μm之间，涂布时的极片厚度不可能做到非常薄，而经过特殊工艺制成的小粒径人造石墨，其平均粒径在1-5μm之间，可以非常容易将极片涂布到很薄的水平，从而得到较高倍率的放电性能。
目前，成熟的锂离子电池的正负集流体分别采用铜箔和铝箔，根据R＝ρ×L/(W×T)，其中R为集流体电阻，ρ为集流体材料的电阻率，L为集流体长度，W为集流体宽度，T为集流体厚度。一般来讲，对于已确定型号大小的锂离子电池，其所用集流体的长度L和宽度W便随之确定了，因此，通过增加集流体厚度可以减小集流体电阻。但另一方面，在有限的空间内，若铜铝箔厚度过大势必会降低电池容量。为此，将铜铝箔厚度的范围定为15-30μm。
极耳在电池中起着连通集流体和外部电路的作用，因此，极耳材质、数目和在极片中的位置均会影响电池内阻，从而影响电池的倍率放电性能。从理论上讲，极耳的数目越多，电池内阻越小，但是随着极耳数目的增加，势必会占去更多空间，导致电池容量降低，且极耳数目越多，批量生产的复杂性越大，从而增加电池的制造成本。本发明采用传统的镍极耳，基于传统电池正负极各设一个极耳的结构(如图1所示)引入四极耳结构，图2a、图2b和图2c所示是几种典型结构。考虑到批量生产的简单性并在保证高倍率放电性能的前提下，优先采用如图2a所示的结构。
为适合电池高倍率放电的要求，本发明涂布面密度进行优化设计；在满足相同容量设计的前提下，涂布面密度越低，正负极片的厚度越薄，其倍率放电性能越佳。本发明中正极片厚度在90-120μm，负极片厚度在80-100μm，二者均低于传统的电极设计厚度140-170μm，该设计的目的是缩短离子迁移距离，增加离子在电极中的扩散能力，从而大幅度提高电池的高倍率放电性能。
电池隔膜的孔率越大，电池的倍率放电性能越好，本发明所用隔膜为高孔率单层聚乙烯隔膜，其厚度在16-25μm之间，孔隙率在45％-50％之间。
本发明所用电解液中锂离子盐浓度在1.15M-1.4M，提高了离子导电率，从而更有利于电池的大电流放电性能。
实施例
以改性锰酸锂(掺杂镍20％)作为正极活性材料，乙炔黑为导电剂，聚偏氟乙烯(PVDF)为粘接剂。按95∶3∶2的比例将三者混合均匀并加入70份的N-甲基咯烷酮(NMP)，充分搅拌均匀后，均匀涂覆在20μm厚的铝箔上并烘干，最后碾压成103μm，裁剪成55×827mm的长条形，得到正极片。以集流体为准，将一正极耳焊接在极片的中间位置，另一正极耳焊接在极片头部，并粘贴好保护胶带。
将负极活性物质水性人造石墨、导电剂(Super-P)、粘接剂丁苯橡胶(SBR)和增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)按94∶2∶2∶2的比例混合均匀，加入125份的NMP调匀成糊状，均匀涂在15μm厚的铜箔上并烘干，最后碾压成94μm，裁剪成57×869mm的长条形，得到负极片，以集流体为准，将两负极耳分别焊接在负极片的两头，并粘贴好保护胶带。
然后采用20μm厚的高孔率隔膜，按隔膜/正极/隔膜/负极的顺序卷绕成18650型卷芯。
将上述卷芯放入圆柱形金属钢壳中，滚槽、底部电阻焊、顶部激光焊、注入非水电解液、封口，最终装配成18650圆柱形锂离子电池。
比较例
与实施例不同之处在于正极采用尖晶石锰酸锂，在保证电芯松紧度相同的前提下，最后正极片碾压成119μm，裁剪成55×752mm的长条形；负极片碾压成91μm，57×794mm的长条形；极耳焊接时，将一正极铝极耳焊接在正极片的一端并粘贴好保护胶带，将一负极镍极耳焊接在负极片一端并粘贴好保护胶带。
电池性能测试
首先对用上述方法制作的两种电池进行化成和后处理，并采用1000HZ的交流电阻测试仪测定电池的内阻，然后进行大倍率放电和安全性能测试。
测试方法如下：
1C恒流充电到4.2V，4.2V恒压充电至截止电流20mA，搁置10min，然后用5C、10C、20C放电到3.0V。
安全测试：3C/10V过充测试和针刺、挤压、短路、重物冲击实验。
表1是本发明实施例和比较例电池性能比较，表中明显表明，采用本发明制作的电池容量比传统设计的电池容量高15％左右，且内阻只有传统设计电池内阻40％左右，电池的倍率放电性能远远优于传统电池，从测试数据可以看出，本发明制作的电池即使在20C放电的情况下，依然可以放出1C容量的93.3％，而传统设计的电池仅放出55.5％。
如图3所示，本发明电池与传统电池20C放电性能的曲线比较，其优势非常明显；本发明实施例所述的电池通过了各项安全测试，电池性能优良。
表1 本发明实施例和比较例电池性能比较表
| 实验类型 | 内阻/mΩ | 1C容量/mAh | 5C/1C | 10C/1C | 20C/1C |
| 实施例 | 11.7 | 1354 | 99.42％ | 98.6％ | 93.3％ |
| 比较例 | 29.2 | 1178 | 96.2％ | 91.0％ | 55.5％ |
Claims (4)
1.一种正极采用改性锰酸锂的高倍率圆柱形锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜、非水电解液和外壳，正极片和负极片分别设有正极耳和负极耳，其特征是：所述正极片采用的活性物质材料是改性LiMn2O4，粘结剂采用油性聚偏氟乙烯；所述负极片采用的活性材料是小粒径人造石墨，平均粒径为1-5μm，粘结剂采用水性丁苯橡胶，增稠剂采用水性羧甲基纤维素钠；
所述正极片集流体为铝箔，厚度为15-30μm，正极耳采用铝极耳，厚度为0.07-0.2mm；
所述负极集流体为铜箔，厚度为10-30μm，负极耳采用铜或镍极耳，厚度为0.07-0.2mm；
所述正极片和负极片分别设有两个极耳，正极片的两个正极耳分别位于正极片集流体的中部和内侧；负极片的两个负极耳分别位于负极片的两端；
所述正极片厚度范围是90-120μm；负极片厚度范围是80-100μm。
2.根据权利要求1所述的正极采用改性锰酸锂的高倍率圆柱形锂离子电池，其特征是：所述隔膜是高孔率单层聚乙烯隔膜，隔膜的孔隙率是45-50%；隔膜厚度范围是16-30μm。
3.根据权利要求1所述的正极采用改性锰酸锂的高倍率圆柱形锂离子电池，其特征是：所述非水电解液的盐浓度是1.1M-1.4M。
4.根据权利要求1所述的正极采用改性锰酸锂的高倍率圆柱形锂离子电池，其特征是：所述外壳是圆柱形金属壳体，金属壳体上设有电池盖。
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