CN102195079B - 一种大容量高功率磷酸亚铁锂动力电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大容量高功率磷酸亚铁锂动力电池及其制造方法，涉及锂离子二次电池制造技术领域。该电池包含正极片、负极片、隔膜、电解液及电池外壳，正极片由铝箔涂覆正极浆料构成，负极片由铜箔涂覆负极浆料构成，正极浆料包含正极活性材料、粘结剂等，负极浆料包含中间相碳微球、导电剂、粘结剂等，电池外壳由壳体和盖帽构成。本发明通过对磷酸铁锂正极材料进行预处理，提高了材料的导电性和浆料的加工性能。优化的结构设计使得电池具备大容量、低内阻特征，电池可进行大电流充放电，电池温升小，主要用作电动车辆动力电源。

Description

一种大容量高功率磷酸亚铁锂动力电池及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及的是一种大容量高功率磷酸亚铁锂动力电池制造方法。属于锂离子二次电池制造技术领域，该电池包含正极片、负极片、隔膜、电解液及电池外壳，正极片由铝箔涂覆正极浆料构成，负极片由铜箔涂覆负极浆料构成，隔膜为具有微孔的聚丙烯或聚乙烯或三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合薄膜，电池外壳由不锈钢壳体和盖帽组成，盖帽中间设有防爆膜，侧边设有注液孔。
【背景技术】
目前市场上的电动车大部分使用铅酸电池和镍氢电池，相比较而言，锂离子电池具有更高的性能优势，是未来动力电池发展的主要方向。锂离子电池内部主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，正负极及电解液、工艺上的差异使电池有不同的性能，尤其是正极材料对电池的性能影响最大。目前市场上的锂离子电池正极材料主要有钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、三元材料(Li(NiCoMn)O2)及磷酸亚铁锂(LiFePO4)。磷酸亚铁锂电池因其安全性高、制备原料储量丰富、对环境友好、循环寿命长、放电平台稳定、高温性能好等优点，成为最有希望的动力电池。
但是，磷酸亚铁锂材料存在两个不足之处，一是电子电导率和离子扩散系数偏低，导致高倍率充放电性能不佳，二是振实密度低，导致体积比容量较低。而且，用传统工艺制造磷酸亚铁锂动力电池，电池本身的内阻较大，在大电流充放电条件下，充放电效率不高，且电池温升大，所以动力电池要尽量降低内阻。
【发明内容】
本发明提供了一种大容量高功率磷酸亚铁锂动力电池及其制造方法，该电池容量大，安全性能好，可实现大电流充放电，放电效率高，循环性能优越。
本发明提供的磷酸亚铁锂电池包括正极片、负极片、隔膜、电解液及电池外壳，正极片由铝箔涂覆正极浆料构成，负极片由铜箔涂覆负极浆料构成，所述正极浆料包括正极活性材料、粘结剂，按重量百分含量计，正极活性材料94-99％，粘结剂1-6％；所述负极材料包括中间相碳微球、导电剂、粘结剂、草酸，按重量百分含量计，中间相碳微球88-94％，导电剂1-3％，粘结剂3-6％，草酸0.1-1％。
所述的正极浆料中的活性材料为微米级的磷酸亚铁锂粉体与导电剂进行机械混合搅拌，按重量百分含量计，磷酸亚铁锂95-99％，导电剂1-5％，同时喷入适量的N-甲基吡咯烷酮预先润湿，N-甲基吡咯烷酮的总量不超过粉体重量的10％。磷酸亚铁锂粉体的特征为：振实密度在1-1.5g/cm3，比表面积大于15m2/g，D50在3-8μm。
所述的导电剂为碳黑、乙炔黑、导电石墨、碳纳米管中的一种或几种，粘结剂为聚偏氟乙烯，隔膜为具有微孔的聚丙烯或聚乙烯或三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合薄膜。
所述的正极片为长方形，极片宽度方向一侧设置有一个极耳，极耳是与正极片连体的铝箔；所述的负极片为长方形，极片宽度方向一侧设置有一个极耳，极耳是与负极片连体的铜箔。正极片和负极片通过交替叠加形成极组，正极片与负极片之间放置隔膜，极组最外层极片都为负极片，同类极片的所有极耳通过超声焊接连接，最后将两个或两个以上极组的极耳与相应电极超声焊接。
所述电池外壳由不锈钢壳体和盖帽组成，盖帽中间设有防爆膜，侧边设有注液孔。电池组装时，电池壳体与盖帽采用激光焊接，电解液通过注液孔进行真空注液，化成结束后用小钢珠将注液孔激光焊接密封。
本发明提供的大容量高功率磷酸亚铁锂动力电池的制造方法，包括以下步骤：
(1)正极活性材料的预处理。将磷酸亚铁锂粉体与导电剂进行机械混合搅拌，同时喷入适量的N-甲基吡咯烷酮预先润湿，混合均匀后制成正极活性材料；
(2)正极的制备。将正极活性材料置于含粘结剂的N-甲基吡咯烷酮溶液中，通过搅拌混匀形成正极浆料，涂覆于铝箔上；
(3)负极的制备。将中间相碳微球和导电剂置于含粘结剂和草酸的N-甲基吡咯烷酮溶液中，通过搅拌混匀形成负极浆料，涂覆于铜箔上；
(4)正负极片的制备。将正负极烘干、辊压、分条、冲切，制成特定尺寸的带极耳的正负极片；
(5)电池的组装。按常规工艺将正负极片交替叠加制成极组，正负极片之间放置隔膜，极组最外层极片都为负极片，然后装入电池外壳，通过真空注液机注入电解液，开口化成后用小钢珠将注液孔激光焊接密封，即制得磷酸亚铁锂电池。
本发明与传统工艺相比的有益效果是：本发明制造的磷酸亚铁锂电池容量大，安全性能好，可实现大电流充放电，放电效率高，循环性能优越。通过对磷酸亚铁锂粉体进行预处理，提高了材料的导电性，改善了粉体材料合浆时的加工性能。多极耳的结构设计使得电池内阻显著减低，电池在高功率使用时放电效率高，电池温升小。通过使用带有防爆膜和注液孔的盖帽，对电池进行真空注液和开口化成，有效解决了电池的气胀现象，提高了电池的安全性能和循环寿命。
附图说明
图1为本发明制作电池的工艺流程示意图。
图2为本发明制成电池的结构示意图。
图3为本发明制成电池的20C放电曲线。
图4为本发明制成电池1C充放1500次的循环图。
【具体实施方式】
以下列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，以下实施例以10Ah方形磷酸铁锂电池对本发明作进一步说明，不代表本发明的保护范围，针对5Ah以上的大容量高功率磷酸铁锂动力电池，其他人根据本发明的提示做出的非本质修改仍属于本发明的保护范围。
实施例1：
以制造1882130型10Ah方形磷酸铁锂电池为例，选用振实密度在1-1.5g/cm3，比表面积大于15m2/g，D50在3-8μm的磷酸铁锂作为正极材料，加入占其重量百分比2％的导电石墨后，置于密闭的带有惰性保护气体的容器中高速搅拌，同时喷入N-甲基吡咯烷酮溶剂，喷入溶剂的总量是粉体重量的2％，持续时间20分钟。
将重量百分比为97％的正极活性材料、3％的聚偏氟乙烯，加入约占固体量90％的N-甲基吡咯烷酮溶剂后混合均匀，制成正极浆料，将正极浆料涂覆在18μm厚的金属铝箔上，在80-100℃的温度下干燥后，辊压成厚度为0.18mm厚的正极片。
将重量百分比为92％的中间相碳微球、3％的碳黑、5％的聚偏氟乙烯，加入约占固体量0.2％的草酸和105％的N-甲基吡咯烷酮溶剂后混合均匀，制成负极浆料，将负极浆料涂覆在10μm厚的金属铜箔上，在80-100℃的温度下干燥后，辊压成厚度为0.12mm厚的负极片。
把正负极片裁减成长方形，在宽度方向的一侧留出一截金属箔片作为极耳，将正负极片交替叠加制成极组，正负极片之间放置隔膜，极组最外层极片都为负极片，所用隔膜为具有微孔的三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合薄膜。将所有正极片的极耳超声焊接在一起，然后焊接在盖帽的正极片上，将所有负极片的极耳焊接在一起，然后焊接在盖帽的负极片上。最后将极组装入电池钢壳，电池钢壳与盖帽通过激光焊接组合在一起，电解液通过注液孔进行真空注液，化成结束后用小钢珠将注液孔激光焊接封口，即组装成1882130型电池。
采用以上参数及制造工艺，制成的1882130方形钢壳电池的外壳长138mm，宽82mm，厚20mm，容量达到11900mAh，电池内阻1.53mΩ，1C循环寿命达1000次以上，容量维持率96.1％。20C放电时，测得电池外壳的温度最高为56℃。
实施例2：
以制造1882130型10Ah方形磷酸铁锂电池为例，选用振实密度在1-1.5g/cm3，比表面积大于15m2/g，D50在3-8μm的磷酸铁锂作为正极材料，加入占其重量百分比1％的碳纳米管材料和1％的导电石墨后，置于密闭的带有惰性保护气体的容器中高速搅拌，同时喷入N-甲基吡咯烷酮溶剂，喷入溶剂的总量是粉体重量的3％，持续时间20分钟。
将重量百分比为98％的正极活性材料、2％的聚偏氟乙烯，加入约占固体量96％的N-甲基吡咯烷酮溶剂后混合均匀，制成正极浆料，将正极浆料涂覆在18μm厚的金属铝箔上，在80-100℃的温度下干燥后，辊压成厚度为0.18mm厚的正极片。
将重量百分比为91％的中间相碳微球、3％的碳黑、6％的聚偏氟乙烯，加入约占固体量0.2％的草酸和105％的N-甲基吡咯烷酮溶剂后混合均匀，制成负极浆料，将负极浆料涂覆在10μm厚的金属铜箔上，在80-100℃的温度下干燥后，辊压成厚度为0.12mm厚的负极片。
把正负极片裁减成长方形，在宽度方向的一侧留出一截金属箔片作为极耳，将正负极片交替叠加制成极组，正负极片之间放置隔膜，极组最外层极片都为负极片，所用隔膜为具有微孔的三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合薄膜。将所有正极片的极耳焊接在一起，然后焊接在盖帽的正极片上，将所有负极片的极耳焊接在一起，然后焊接在盖帽的负极片上。最后将极组装入电池钢壳，电池钢壳与盖帽通过激光焊接在一起，电解液通过注液孔进行真空注液，化成结束后用小钢珠将注液孔激光焊接封口，即组装成1882130型电池。
采用以上参数及制造工艺，制成的1882130方形钢壳电池的外壳长138mm，宽82mm，厚20mm，容量达到12200mAh，电池内阻1.45mΩ，1C循环寿命达1000次以上，容量维持率96.9％。20C放电时，测得电池外壳的温度最高为54℃。

Claims (6)

1.一种大容量高功率磷酸亚铁锂动力电池，其特征在于，该电池包含正极片、负极片、隔膜、电解液及电池外壳，正极片由铝箔涂覆正极浆料构成，负极片由铜箔涂覆负极浆料构成，隔膜为具有微孔的聚丙烯或聚乙烯或三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合薄膜，电池外壳由不锈钢壳体和盖帽组成，盖帽中间设有防爆膜，侧边设有注液孔；
正极浆料包括正极活性材料和粘结剂，正极活性材料的制备方法包括将微米级的磷酸亚铁锂粉体与导电剂进行机械混合搅拌，按重量百分含量计，磷酸亚铁锂粉体为95％-99％，导电剂为1％-5％，同时喷入不超过粉体重量10％的N-甲基吡咯烷酮预先润湿。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，正极浆料中，按重量百分含量计，正极活性材料为94-99％，粘结剂为1-6％；负极浆料包括中间相碳微球、导电剂、粘结剂和草酸，按重量百分含量计，中间相碳微球为91％-94％、导电剂为1％-3％、粘结剂为3％-6％、草酸为0.1％-1％。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，磷酸亚铁锂粉体振实密度在1-1.5g/cm3，比表面积大于15m2/g，D50在3-8μm。
4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，导电剂为碳黑、乙炔黑、导电石墨、碳纳米管中的一种或几种，粘结剂为聚偏氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，正极片为长方形，极片宽度方向一侧设置有一个极耳；负极片为长方形，极片宽度方向一侧设置有一个极耳；正极片和负极片通过交替叠加形成极组，正极片与负极片之间放置隔膜，最外层极片都为负极片，同类极片的所有极耳通过超声焊接连接，最后将两个或两个以上极组的极耳与相应电极超声焊接。
6.一种大容量高功率磷酸亚铁锂动力电池的制造方法，其特征在于，制造方法包括五个步骤：首先进行正极活性材料的预处理：将磷酸亚铁锂粉体与导电剂进行机械混合搅拌，同时喷入适量的N-甲基吡咯烷酮预先润湿，混合均匀后制成正极活性材料；第二步制备正极：将正极活性材料置于含粘结剂的N-甲基吡咯烷酮溶液中，通过搅拌混匀形成正极浆料，涂覆于铝箔上；第三步制备负极：将中间相碳微球和导电剂置于含粘结剂和草酸的N-甲基吡咯烷酮溶液中，通过搅拌混匀形成负极浆料，涂覆于铜箔上；然后进行正负极片的制备：将正负极烘干、辊压、分条、冲切，制成特定尺寸的带极耳的正负极片；最后组装成电池：按常规工艺将正负极片交替叠加制成极组，正负极片之间放置隔膜，极组最外层极片都为负极片，然后装入电池外壳，通过真空注液机注入电解液，开口化成后用小钢珠将注液孔激光焊接密封，即制得磷酸亚铁锂电池。
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