CN102290603B - 磷酸铁锂圆形电池及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磷酸铁锂圆形电池及其制作工艺，该工艺包括以下步骤：（1）配料、（2）涂布、（3）辊压、（4）电池极片制作、（5）烘烤、（6）卷绕、（7）激光焊、（8）注液、（9）化成、（10）分容。其中在（1）配料中正、负极浆料采用水系胶配方，不会产生任何污染，是完全环保的配方。制备成的正、负极浆料无溶剂释放，符合环境要求，成本低，使用安全。与油性体系相比，水性体系的极片较为柔软，经得住多次卷绕。
Description
技术领域
本发明涉及一种磷酸铁锂电池及其制作工艺。
背景技术
能源危机、资源短缺、环境污染是人类生存面临的三大严峻挑战，寻找干净、可再生、资源节约型的二次资源是实现人类社会可持续发展要解决的重要任务。
随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对高能量密度的电池需求愈来愈强烈，锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率小、绿色环保等优点，成为二次电池发展的趋势。现已广泛应用于无线通讯、数码相机等便携电器，并逐步在航空、国防、潜艇等特殊领域广泛应用。
LiCoO2是制作锂电池最早使用的正极材料，因其易于合成、电压平台高、比能量适中等优点，已在小型电池中得到应用。然而LiCoO2资源紧缺、价格昂贵以及过充电不安全性决定了它不可能在大容量电池中得到广泛应用。LiMn2O4 是另一种制作锂电池的正极材料，因其容量低，高温循环性能差，也限制了它的广泛应用。LiFePO4是再一种制作锂电池的正极材料，不仅比容量高，特别是其热稳定好、安全性能优越、循环性能好的突出特点，被认为是锂电池正极理想的制作材料。
虽然磷酸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、纯的LiFePO4的电导性和离子扩散性能差。2、LiFePO4的松装密度和振实密度比较低，不易加工。
因此，磷酸铁锂动力电池的产品性能及制作工艺需要进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磷酸铁锂圆形电池的制作工艺，该工艺步骤简单，制成的锂电池电导性和离子扩散性能好。
为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：
磷酸铁锂圆形电池的制作工艺，包括以下步骤：（1）配料、（2）涂布、（3）辊压、（4）电池极片制作、（5）烘烤、（6）卷绕、（7）激光焊、（8）注液、（9）化成、（10）分容；
其中对以下步骤进行改进：
（1）配料：
配制以水为介质的正极浆料，所需材料有：水系胶3%～5%，磷酸铁锂89%～95%，超导炭黑0.5%～4%，导电石墨0.5%～4%，锂盐0.5%～1%，将水系胶加入到水中进行搅拌稀释，加入超导炭黑和导电石墨搅拌，最后加入磷酸铁锂和锂盐搅拌成浆料；
配制以水为介质的负极浆料，所需材料有：石墨92%～97%，羧甲基纤维素钠1%～3%，超导炭黑0.5%～2%，水系胶1%～3%；将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌，静置沉淀后，加入水系胶、超导炭黑、石墨搅拌搅拌成浆料；
（2）涂布：
将过筛后的正极和负极浆料分别均匀地涂覆在对应的正极集流体和负极集流体上，并留出未涂覆区域，作为极耳区，然后放入涂布机烘箱烘烤，此过程使用四段温度烘烤，正极片第一段烘烤温度在55℃～65℃之间，第二段烘烤温度在75℃～100℃之间、第三段烘烤温度在75℃～100℃之间，第四段烘烤温度在60℃～80℃之间；负极片第一段烘烤温度在50℃～65℃之间，第二段烘烤温度在60℃～90℃之间、第三段烘烤温度在65℃～90℃，第四段烘烤温度在60℃～80℃之间；涂布的线速度正极集流体为每分钟4.5米，负极集流体为每分钟5米，涂布完成后，对各极片进行切片；
（3）辊压：
辊压工序，将正极片辊压至厚度在115μm～140μm，压实密度在1.9g/cm3～2.3g/cm3；将负极片辊压至厚度在75μm～90μm，压实密度在1.3g/cm3～1.6g/cm3；
（4）电池极片制作：
正极片裁切为带有一个极耳的矩形片，负极裁切为带有一个极耳的矩形片；
正极片尺寸为1685mm*54mm；
负极片尺寸为1725mm*57mm；
（5）烘烤：
将切片进行烘烤，在真空烤箱中烘烤24小时，真空度不低于-0.08MPa，烘烤温度为100℃，每隔2～4小时换气一次，换气后保持30分钟，然后再次抽真空，烘烤时间结束，温度降至45℃以下，将切片拿出烤箱，然后转到下一工序。
进一步，所述（1）配料：
配制以水为介质的正极浆料，所需材料有：水系胶3%，磷酸铁锂91.5%，超导炭黑3%，导电石墨1.5%，锂盐1%，将水系胶加入到水中进行搅拌稀释，加入超导炭黑和导电石墨搅拌，最后加入磷酸铁锂和锂盐搅拌成浆料；
配制以水为介质的负极浆料，所需材料有：石墨95.5%，羧甲基纤维素钠1.75%，超导炭黑1%，水系胶1.75%；将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌，静置沉淀后，加入水系胶、超导炭黑、石墨搅拌搅拌成浆料；
（4）辊压：
辊压工序，将正极片辊压至厚度在131μm，压实密度在2g/cm3；将负极片辊压至厚度在82μm，压实密度在1.45g/cm3。
进一步，所述（1）配料操作，使用去离子水。
本发明的另一个目的是提供一种由上述制作工艺制成的磷酸铁锂圆形电池。
为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：
磷酸铁锂圆形电池，包括正极片和负极片，所述正极片有正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极活性物，正极活性物由水、水系胶、磷酸铁锂、超导炭黑、导电石墨、锂盐均匀混合后制成，所述负极片有负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极活性物，负极活性物由水、石墨、羧甲基纤维素钠、超导炭黑、水系胶均匀混合后制成。
进一步，所述正极集流体采用铝箔制成，负极集流体采用铜箔制成。
本发明的有益效果：
（1）正、负极浆料采用水系胶配方，不会产生任何污染，是完全环保的配方。制备成的正、负极浆料无溶剂释放，符合环境要求，成本低，使用安全。与油性体系相比，水性体系的极片较为柔软，经得住多次卷绕。而且，采用水性体系的极片具有良好的电化学性能，能够减少界面阻抗和电池内阻，提高电池的循环性能。经测试，该种方式制备的电池在经历2000次充放电后，电池的蓄电能力不低于新电池蓄电能力的80%。
（2）正极浆料制作过程中，添加了适量的锂盐，能够很好的控制电池产气引发的鼓胀，并能够提高正极活性材料的容量。
（3）此种磷酸铁锂电池的制作工艺简单，容易操控和操作，安全性和稳定性好；原材料来源广泛，价格便宜，成本低。
具体实施方式
实施例1
磷酸铁锂圆形电池的制作工艺，包括以下步骤：（1）配料、（2）涂布、（3）辊压、（4）电池极片制作、（5）烘烤、（6）卷绕、（7）激光焊、（8）注液、（9）化成、（10）分容；
其中对以下步骤进行改进：
（1）配料：
配制以水为介质的正极浆料，所需材料有：水系胶3%，磷酸铁锂92%，超导炭黑0.5%，导电石墨4%，锂盐0.5%，将水系胶加入到水中进行搅拌稀释，加入超导炭黑和导电石墨搅拌，最后加入磷酸铁锂和锂盐搅拌成浆料。
配制以水为介质的负极浆料，所需材料有：石墨95%，羧甲基纤维素钠1%，超导炭黑2%，水系胶2%；将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌，静置沉淀后，加入水系胶、超导炭黑、石墨搅拌搅拌成浆料。
（2）涂布：
将过筛后的正极和负极浆料分别均匀地涂覆在对应的正极集流体和负极集流体上，并留出未涂覆区域，作为极耳区，然后放入涂布机烘箱烘烤，此过程使用四段温度烘烤，正极片第一段烘烤温度为55℃，第二段烘烤温度为75℃、第三段烘烤温度为75℃，第四段烘烤温度为60℃；负极片第一段烘烤温度为50℃，第二段烘烤温度为60℃之间、第三段烘烤温度为65℃，第四段烘烤温度为60℃；涂布的线速度正极集流体为每分钟4.5米，负极集流体为每分钟5米，涂布完成后，对各极片进行切片。
（3）辊压：
辊压工序，将正极片辊压至厚度为115μm，压实密度为1.9g/cm3；将负极片辊压至厚度为75μm，压实密度为1.3g/cm3。
（4）电池极片制作：
正极片裁切为带有一个极耳的矩形片，负极裁切为带有一个极耳的矩形片；
正极片尺寸为1685mm*54mm；
负极片尺寸为1725mm*57mm；
隔膜尺寸为3530mm*60mm。
（5）烘烤：
将切片进行烘烤，在真空烤箱中烘烤24小时，真空度不低于-0.08MPa，烘烤温度为100℃，每隔2小时换气一次，换气后保持30分钟，然后再次抽真空，烘烤时间结束，温度降至45℃以下，将切片拿出烤箱，然后转到下一工序。
（6）卷绕：
将正、负极片放在卷绕机的槽内，进行卷绕，卷绕好后用胶带将卷芯缠绕一圈，卷芯上下用胶带包好，将卷芯放入铝壳中，然后使用超声波焊机将正极耳焊在底部盖板上，使用电阻焊将负极耳焊接在上盖板的铆钉上。
（7）激光焊：
将测短路的电池转入激光焊车间。调节机器达到合适的功率和脉宽，开始焊接。要求上下盖板与壳体焊接光滑，无砂眼，虚焊。
（8）注液：
电池注液采用半自动真空注液机注液，注液的同时通入高纯氩气；锂离子动力电池的注液量需根据其容量计算，其注液量约为7g/Ah；所用电解液为1M的LiPF6/EC、DMC、EMC，注液的环境控制非常重要，故须在手套箱中完成注液，注液通常从电池壳盖的注液孔上注入。
（9）化成：
化成工序必须一次性不间断地完成，化成曲线应光滑连结，电流应控制在0.1A/30min、0.25A/120min、0.35A/300min。
（10）分容：
将电性能各项指标均符合工艺要求的电池与各项电性能指标未达工艺要求的电池分开，分别置放入库。
更为优选的是：
所述（1）配料：
配制以水为介质的正极浆料，所需材料有：水系胶3%，磷酸铁锂91.5%，超导炭黑3%，导电石墨1.5%，锂盐1%，将水系胶加入到水中进行搅拌稀释，加入超导炭黑和导电石墨搅拌，最后加入磷酸铁锂和锂盐搅拌成浆料；
配制以水为介质的负极浆料，所需材料有：石墨95.5%，羧甲基纤维素钠1.75%，超导炭黑1%，水系胶1.75%；将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌，静置沉淀后，加入水系胶、超导炭黑、石墨搅拌搅拌成浆料；
（3）辊压：
辊压工序，将正极片辊压至厚度在131μm，压实密度在2g/cm3；将负极片辊压至厚度在82μm，压实密度在1.45g/cm3。
实施例2
磷酸铁锂圆形电池的制作工艺，包括与实施例1相区别的以下步骤：
（1）配料：
配制以水为介质的正极浆料，所需材料有：水系胶4%，磷酸铁锂92%，超导炭黑1.5%，导电石墨2%，锂盐0.5%，将水系胶加入到水中进行搅拌稀释，加入超导炭黑和导电石墨搅拌，最后加入磷酸铁锂和锂盐搅拌成浆料。
配制以水为介质的负极浆料，所需材料有：石墨96%，羧甲基纤维素钠1%，超导炭黑1%，水系胶2%；将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌，静置沉淀后，加入水系胶、超导炭黑、石墨搅拌搅拌成浆料。
（2）涂布：
将过筛后的正极和负极浆料分别均匀地涂覆在对应的正极集流体和负极集流体上，并留出未涂覆区域，作为极耳区，然后放入涂布机烘箱烘烤，此过程使用四段温度烘烤，正极片第一段烘烤温度为65℃，第二段烘烤温度为100℃、第三段烘烤温度为100℃，第四段烘烤温度为80℃；负极片第一段烘烤温度为65℃，第二段烘烤温度为90℃、第三段烘烤温度为90℃，第四段烘烤温度为80℃；涂布的线速度正极集流体为每分钟4.5米，负极集流体为每分钟5米，涂布完成后，对各极片进行切片。
（3）辊压：
辊压工序，将正极片辊压至厚度为140μm，压实密度为2.3g/cm3；将负极片辊压至厚度为90μm，压实密度为1.6g/cm3。
（5）烘烤：
将切片进行烘烤，在真空烤箱中烘烤24小时，真空度不低于-0.08MPa，烘烤温度为100℃，每隔4小时换气一次，换气后保持30分钟，然后再次抽真空，烘烤时间结束，温度降至45℃以下，将切片拿出烤箱，然后转到下一工序。
实施例3
磷酸铁锂圆形电池的制作工艺，包括与实施例1、实施例2相区别的以下步骤：
（1）配料：
配制以水为介质的正极浆料，所需材料有：水系胶4.5%，磷酸铁锂91%，超导炭黑2.5%，导电石墨1.5%，锂盐0.5%，将水系胶加入到水中进行搅拌稀释，加入超导炭黑和导电石墨搅拌，最后加入磷酸铁锂和锂盐搅拌成浆料。
配制以水为介质的负极浆料，所需材料有：石墨94%，羧甲基纤维素钠2%，超导炭黑1%，水系胶3%；将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌，静置沉淀后，加入水系胶、超导炭黑、石墨搅拌搅拌成浆料。
（2）涂布：
将过筛后的正极和负极浆料分别均匀地涂覆在对应的正极集流体和负极集流体上，并留出未涂覆区域，作为极耳区，然后放入涂布机烘箱烘烤，此过程使用四段温度烘烤，正极片第一段烘烤温度为60℃，第二段烘烤温度为85℃、第三段烘烤温度为90℃，第四段烘烤温度为70℃；负极片第一段烘烤温度为60℃，第二段烘烤温度为75℃、第三段烘烤温度为80℃，第四段烘烤温度为70℃；涂布的线速度正极集流体为每分钟4.5米，负极集流体为每分钟5米，涂布完成后，对各极片进行切片。
（3）辊压：
辊压工序，将正极片辊压至厚度为120μm，压实密度为2g/cm3；将负极片辊压至厚度为85μm，压实密度为1.5g/cm3。
（5）烘烤：
将切片进行烘烤，在真空烤箱中烘烤24小时，真空度不低于-0.08MPa，烘烤温度为100℃，每隔3小时换气一次，换气后保持30分钟，然后再次抽真空，烘烤时间结束，温度降至45℃以下，将切片拿出烤箱，然后转到下一工序。
以此方法制造的锂离子动力电池，不仅容量大，而且可以大倍率放电。
实施例4
采用上述实施例制作工艺制成的磷酸铁锂圆形电池，包括正极片和负极片，所述正极片有正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极活性物，正极活性物由水、水系胶、磷酸铁锂、超导炭黑、导电石墨、锂盐均匀混合后制成，所述负极片有负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极活性物，负极活性物由水、石墨、羧甲基纤维素钠、超导炭黑、水系胶均匀混合后制成。
进一步，所述正极集流体采用铝箔制成，负极集流体采用铜箔制成。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.磷酸铁锂圆形电池，其特征在于，制作工艺包括以下步骤：（1）配料、（2）涂布、（3）辊压、（4）电池极片制作、（5）烘烤、（6）卷绕、（7）激光焊、（8）注液、（9）化成、（10）分容；
（1）配料：
配制以水为介质的正极浆料，所需材料有：水系胶3%，磷酸铁锂91.5%，超导炭黑3%，导电石墨1.5%，锂盐1%，将水系胶加入到水中进行搅拌稀释，加入超导炭黑和导电石墨搅拌，最后加入磷酸铁锂和锂盐搅拌成浆料；
配制以水为介质的负极浆料，所需材料有：石墨95.5%，羧甲基纤维素钠1.75%，超导炭黑1%，水系胶1.75%；将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌，静置沉淀后，加入水系胶、超导炭黑、石墨搅拌搅拌成浆料；
（2）涂布：
将过筛后的正极和负极浆料分别均匀地涂覆在对应的正极集流体和负极集流体上，并留出未涂覆区域，作为极耳区，然后放入涂布机烘箱烘烤，此过程使用四段温度烘烤，正极片第一段烘烤温度在55℃～65℃之间，第二段烘烤温度在75℃～100℃之间、第三段烘烤温度在75℃～100℃之间，第四段烘烤温度在60℃～80℃之间；负极片第一段烘烤温度在50℃～65℃之间，第二段烘烤温度在60℃～90℃之间、第三段烘烤温度在65℃～90℃，第四段烘烤温度在60℃～80℃之间；涂布的线速度正极集流体为每分钟4.5米，负极集流体为每分钟5米，涂布完成后，对各极片进行切片；
（3）辊压：
辊压工序，将正极片辊压至厚度在131μm，压实密度在2g/cm3；将负极片辊压至厚度在82μm，压实密度在1.45g/cm3；
（4）电池极片制作：
正极片裁切为带有一个极耳的矩形片，负极裁切为带有一个极耳的矩形片；
正极片尺寸为1685mm*54mm；
负极片尺寸为1725mm*57mm；
（5）烘烤：
将切片进行烘烤，在真空烤箱中烘烤24小时，真空度不低于-0.08MPa，烘烤温度为100℃，每隔2～4小时换气一次，换气后保持30分钟，然后再次抽真空，烘烤时间结束，温度降至45℃以下，将切片拿出烤箱，然后转到下一工序；
制得的电池包括正极片和负极片，所述正极片有正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极活性物，正极活性物由水、水系胶、磷酸铁锂、超导炭黑、导电石墨、锂盐均匀混合后制成，所述负极片有负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极活性物，负极活性物由水、石墨、羧甲基纤维素钠、超导炭黑、水系胶均匀混合后制成。
2.根据权利要求1所述的磷酸铁锂圆形电池，其特征在于：所述正极集流体采用铝箔制成，负极集流体采用铜箔制成。
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