CN102299339A - 一种钛酸锂与磷酸钒锂体系锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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李宝玉
邵志勇
原骏
王保
刘兴福
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Abstract

本发明公开了一种钛酸锂与磷酸钒锂体系锂离子电池及其制备方法,其负极材料由钛酸锂85~90%、水性粘合剂3~10%、导电剂3~10%组成,其正极材料由磷酸钒锂85~95%、水性粘合剂3~10%、导电剂3~10%组成;其中,百分数均为质量百分数。正、负极材料经制浆、涂布、层叠、注液、化成分容等制备方法得到磷酸钒锂-钛酸锂电池。本发明涉及的锂离子电池容量大,电压高,平台好,安全性能好,倍率充放电优良,循环寿命长,与BMS系统配合方便,特别适合于串联组合使用。

Description

一种钛酸锂与磷酸钒锂体系锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子动力电池领域,涉及一种钛酸锂为负极原材料,磷酸钒锂为正极主要物质的大容量、高功率锂离子动力电池制造技术。 
背景技术
原油、煤炭等传统能源形势日趋紧张,人们在积极寻找可替代这种不可再生资源的新型能源。锂离子电池由于其能量密度高环保无污染,成为人们关注的焦点。 
在新型锂离子材料中,钛酸锂负极材料为尖晶石结构超细粉末,具有良好的循环性能和优良的充放电平台。 在Li嵌入或脱出过程中,晶型不发生变化,体积变化小于1%,因此被称为“零应变材料”,能够避免充放电循环中由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏,从而提高电极的循环性能和使用寿命。Li4Ti5O12的化学扩散系数比碳负极材料中的扩散系数高一个数量级,从而使得该负极材料可以快速充放电。 
但钛酸锂作为负极,由于其对锂电位为1.55V,相对于碳负极高出很多,从而降低了电池的相对电压,从而降低了电池的能量密度。磷酸钒锂(Li3V2(PO4)3),是新兴的锂离子电池材料,属于单斜结构。可在3.0~4.8V范围内每个晶体结构可脱嵌3个锂离子,理论克容量可达200mAh/g。磷酸钒锂作为正极材料,相比较磷酸亚铁锂材料、钴酸锂材料、锰酸锂材料,做成的钛酸锂负极电池电压平台较高,比能量较大。 
磷酸亚铁锂,橄榄石结构,循环性能好,安全性能高,放电平稳,平台较好,是一种优秀的锂离子动力电池材料。动力电池串联组合使用BMS来对电池进行保护,由于电池平台太好,电压在放电平台上变化较小。一旦放至低于放电平台区时,电压降低非常快。非常不利于 BMS来控制电池组电压。而磷酸钒锂制作的电池性能优良,放电平台也比较平稳,而且由于晶体单元内3个锂离子脱嵌的电位不一样,放电平台相对的也有3个。这样BMS控制电池放电最低电压时比较容易控制,从而避免电池在使用时突然断电而对用户造成不方便的情况。 
磷酸钒锂与钛酸锂组成的电池电压高于磷酸亚铁锂等材料与钛酸锂制作的电池,从而串联使用时同样电压情况下降低了串联数量,从而降低了电池成本。 
使用PVDF作为粘合剂,须使用NMP作为合浆的主要溶剂。NMP(氮甲基吡咯烷酮)在制作过程中挥发,有很强烈的刺激性气味,污染环境。而且涂布时需要回收,增加电池制造成本。制程中需要严格控制车间湿度,给生产增加了许多控制成本。使用纯水及水性粘合剂,环保无污染,成本低廉,工艺简单。 
发明内容
本发明的目的是为了提供一种以钛酸锂为负极、磷酸钒锂为正极制作大容量高功率塑料壳锂离子动力电池及其制备方法。 
本发明解决其技术问题的解决方案是: 
一种钛酸锂与磷酸钒锂体系锂离子电池,其负极材料由钛酸锂85~90%、水性粘合剂3~10%、导电剂3~10%组成,其正极材料由磷酸钒锂85~95%、水性粘合剂3~10%、导电剂3~10%组成;其中,百分数均为质量百分数。
优选的,水性粘合剂为W811、W812、LA132中的至少一种。 
优选的,导电剂为SP、超导碳黑、导电石墨、碳纳米管中的至少一种。 
上述的锂离子电池的制备方法,包括如下步骤: 
1)      将上述的正、负极材料分别溶于纯水,分别经过高速搅拌后配制成正、负极浆料;
2)      将正、负浆料分别均匀地涂布于铝箔上,铝箔经过真空烘烤5~12 h,辊压,分切成正、负极片;
3)      极片经过真空烘烤30~48 h,进入叠片工序,正负极板被装配成电芯;
4)      电芯封装于塑料壳体,经真空烘烤48~96 h,注液、化成分容制作成锂离子电池。
优选的,真空的压力为-0.07~-0.1MPa。 
优选的,烘烤温度为65~120℃。 
本发明的有益效果是:本发明的磷酸钒锂-钛酸锂电池电压高,平台好,安全性能好,容量大,倍率充放电优良,体积比能量高,循环寿命长,与BMS系统配合方便,特别适合于串联组合使用。本发明选择合适的价格低绿色环保的新型水性粘合剂, 环保无污染,成本低廉,工艺简单。本发明的磷酸钒锂-钛酸锂电池具有非常广阔的商业价值和市场前景。 
附图说明
图1是实施例1磷酸钒锂-钛酸锂电池的充电曲线; 
图2是实施例1磷酸钒锂-钛酸锂电池的放电曲线。 
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明,但并不局限于此。 
下述一种钛酸锂与磷酸矾锂体系锂离子电池,包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳。 
隔膜为:PP材质的单层PP隔膜;电解液为:1.2mol/L LiPF6溶液,溶剂成分为EC:DMC:EMC=1:1:1;外壳为白色PP材质的塑料壳体。 
W811、W812均购自深圳威杰克科技有限公司;LA132购自成都茵地乐电源科技有限公司;SP购自上海汇普工业化学品有限公司。 
实施例1
正极材料包括:86%的磷酸矾锂、7%的W811、7%的SP;
负极材料包括:91%的钛酸锂、3%的W811、6%的SP;
锂离子电池制备步骤如下:
1)  将磷酸矾锂、W811、SP,溶于纯水,作为正极浆料;将钛酸锂、W811、SP,溶于纯水,作为负极浆料;
2)  正、负极浆料分别经过双行星动力混合机高速搅拌均匀,消除气泡、铁屑后进入涂布工序;
3)  正、负极集流体均选择铝箔,浆料经过自动上料系统、涂布机将正负极浆料分别均匀地涂在集流体上,涂布结束极卷在真空压力-0.08MPa下110℃烘烤6h后,辊压、分切成极片;
4)  极片在真空压力-0.09MPa下100℃烘烤36 h后进入叠片工序,在装配车间将正极极片、隔膜、负极极片一起层叠成电芯,将电芯缓慢地放入塑料壳体中,得到半成品电池。
5)  半成品电池在-0.08 MPa、80℃环境下烘烤72 h后注液、化成分容成为140Ah锂离子电池。 
实施例1磷酸钒锂-钛酸锂电池的充电和放电曲线如图1,图2,由图可知,锂离子电池单只充电最高电压3.1V,放电最低电压为1.5V。 
实施例2
正极材料包括:90%的磷酸矾锂、3%的W812、3%的超导碳黑、4%的SP;
负极材料包括:95%的钛酸锂、2%的W812、3%的导电石墨;
锂离子电池制备步骤如下:
1)  将磷酸矾锂、W812、超导碳黑、SP,溶于纯水,作为正极浆料;将钛酸锂、W812、导电石墨,溶于纯水,作为负极浆料;
2)  正、负极浆料分别经过双行星动力混合机高速搅拌均匀,消除气泡、铁屑后进入涂布工序;
3)  正、负极集流体均选择铝箔,浆料经过自动上料系统、涂布机将正负极浆料分别均匀地涂在集流体上,涂布结束极卷在真空压力-0.08MPa下120℃烘烤5h后,辊压、分切成极片;
4)  极片在真空压力-0.08MPa下100℃烘烤30h后进入叠片工序,在装配车间将正极极片、隔膜、负极极片一起层叠成电芯,将电芯缓慢地放入塑料壳体中,得到半成品电池;
5)  半成品电池在-0.09 MPa、80℃环境下烘烤60h后注液、化成分容成为120Ah锂离子电池。
实施例3
正极材料包括:85%的磷酸矾锂、5%的LA132、5%的碳纳米管、5%的导电石墨;
负极材料包括:85%的钛酸锂、5%的W811、5%的W812、5%的SP;
锂离子电池制备步骤如下:
1)  将磷酸矾锂、LA132、碳纳米管、导电石墨,溶于纯水,作为正极浆料;将钛酸锂、W811、W812、SP,溶于纯水,作为负极浆料;
2)  正、负极浆料分别经过双行星动力混合机高速搅拌均匀,消除气泡、铁屑后进入涂布工序;
3)  正、负极集流体均选择铝箔,浆料经过自动上料系统、涂布机将正负极浆料分别均匀地涂在集流体上,涂布结束极卷在真空压力-0.10MPa下80℃烘烤10h后,辊压、分切成极片;
4)  极片在真空压力-0.09MPa下110℃烘烤12h后进入叠片工序,在装配车间将正极极片、隔膜、负极极片一起层叠成电芯,将电芯缓慢地放入塑料壳体中,得到半成品电池;
5)  半成品电池在-0.07 MPa、65℃环境下烘烤96h后注液、化成分容成为130Ah锂离子电池。
实施例4
正极材料包括:86%的磷酸矾锂、10%的W811、4%的超导碳黑;
负极材料包括:86%的钛酸锂、10%的LA132、4%的碳纳米管;
锂离子电池制备步骤如下:
1)  将磷酸矾锂、W811、超导碳黑,溶于纯水,作为正极浆料;将钛酸锂、LA132、碳纳米管,溶于纯水,作为负极浆料;
2)  正、负极浆料分别经过双行星动力混合机高速搅拌均匀,消除气泡、铁屑后进入涂布工序;
3)  正、负极集流体均选择铝箔,浆料经过自动上料系统、涂布机将正负极浆料分别均匀地涂在集流体上,涂布结束极卷在真空压力-0.09MPa下90℃烘烤12h后,辊压、分切成极片;
4)  极片在真空压力-0.08MPa下80℃烘烤48h后进入叠片工序,在装配车间将正极极片、隔膜、负极极片一起层叠成电芯,将电芯缓慢地放入塑料壳体中,得到半成品电池;
5)  半成品电池在-0.10 MPa、110℃环境下烘烤48h后注液、化成分容成为140Ah锂离子电池。

Claims (6)

1.一种钛酸锂与磷酸钒锂体系锂离子电池,其负极材料由钛酸锂85~90%、水性粘合剂3~10%、导电剂3~10%组成,其正极材料由磷酸钒锂85~95%、水性粘合剂3~10%、导电剂3~10%组成;其中,百分数均为质量百分数。
2.根据权利要求1所述的钛酸锂与磷酸钒锂体系锂离子电池,其特征在于:所述水性粘合剂为W811、W812、LA132中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的钛酸锂与磷酸钒锂体系锂离子电池,其特征在于:所述导电剂为SP、超导碳黑、导电石墨、碳纳米管中的至少一种。
4.权利要求1所述的锂离子电池的制备方法,包括如下步骤:
1)将权利要求1所述的正、负极材料分别溶于纯水,分别经过高速搅拌后配制成正、负极浆料;
2)将正、负浆料分别均匀地涂布于铝箔上,铝箔经过真空烘烤5~12 h,辊压,分切成正、负极片;
3)极片经过真空烘烤30~48 h,进入叠片工序,正负极板被装配成电芯;
4)电芯封装于塑料壳体,经真空烘烤48~96 h,注液、化成分容制作成锂离子电池。
5.根据权利要求7所述的锂离子电池的制备工艺,其特征在于:所述真空的压力为-0.07~-0.1MPa。
6.根据权利要求7所述的锂离子电池的制备工艺,其特征在于:所述烘烤温度为65~120℃。
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