CN102299375B - 锂离子动力电池及锂离子动力电池的制备方法 - Google Patents

锂离子动力电池及锂离子动力电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子动力电池及锂离子动力电池的制备方法，负极极片是由以下质量百分比的原料组成：83-94%的钛酸锂、2-10%的粘合剂、3-10%的导电剂，正极材料由以下质量百分比的原料组成：83-95%的镍钴锰酸锂、1-10%的粘合剂、4-12%的导电剂。本发明的锂离子动力电池负极以钛酸锂（Li4Ti5O12）为活性物质、正极以镍钴锰酸锂为活性物质的锂离子动力电池，该种电池容量大，倍率充放电优良，循环寿命长，体积比能量高；本发明制造方法成本低、工艺简单易行。

Description

锂离子动力电池及锂离子动力电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子动力电池及锂离子动力电池的制备方法。
背景技术
世界能源与环保形势日趋紧张，电池作为新能源越来越受到人们的青睐。锂离子电池由于其能量密度高，体积轻，重量小，环保无污染，成为新能源发展的主要方向。随着电动汽车、空间技术、国防工业以及电力储能系统等的迅猛发展，对二次电池的比容量、循环寿命、安全性等方面提出了更高的要求，改进和提高电池的电化学性能可从电极材料等方面入手。
传统的锂离子电池无不以石墨作为负极材料主要活性物质。以石墨作为负极活性物质的配方已经比较成熟。石墨为负极的锂离子电池体系，也有自身固有的缺陷。如电压过高容易“析锂”，造成安全性隐患，目前商品化的锂离子电池负极材料大多都是嵌锂碳材料。负极材料表面形成的保护膜，在循环使用过程中由于持续不断的化学反应及晶型变化，也在不断的影响电池的循环性及电性能。并最终造成性能下降及电池衰减。同时，石墨电极还存在电解液的共嵌入问题，这也将影响电极的循环稳定性。
钛酸锂负极材料为尖晶石结构钛酸锂超细粉末，是一种高性能、高倍率型的锂二次电池负极材料。LTO相对于锂电极的电位为1.55V，理论比容量为175mAh/g,实际比容量150-160 mAh/g,并集中在平台区域，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”，这具有重要意义，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，减少了随循环次数增加而带来比容量大幅度的衰减，是（Li4Ti5O12）具有比碳负极更优良的循环性能。钛酸锂不存在电解液共嵌入问题，不会由于SEI的不稳定而影响循环寿命。钛酸锂负极材料具有稳定的物理和化学性质，不与电解液反应，具有突出的使用稳定性和安全性。在25℃下，Li4Ti5O12的化学扩散系数为2×10-8cm2/s,比碳负极材料中的扩散系数打一个数量级，高的扩散系数使得该负极材料可以快速、多循环充放电。钛酸锂材料电势比纯金属锂的高，不易产生锂晶枝，为保障锂电池的安全提供了基础。被认为可彻底解决锂电池的安全性。
正极材料也是锂离子动力电池的一个重要组成部分，最先由索尼公司产业化的正极材料主要采用了钴酸锂（LiCoO2），而现在由于钴资源越来越匮乏，其价格也越来越高，同时其热稳定性较差，安全性能也不佳，对环境也有较大的破坏作用，因此，越来越多的研究人员和工程人员将目光投向了其他的正极材料，锂离子动力电池备受关注的正极材料还有LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4等，LiNiO2容量较大，但是制备起来比较困难，得到比较纯的物质很难，而且其安全性能不好；LiMn2O4价格相对便宜，安全性能也较好，然而，其循环性能较差，容量不高，同时高温性能不佳，LiFePO4不含贵重元素，原料廉价，资源极大丰富；工作电压适中，电压较平稳，理论容量大，结构稳定，安全性能也不错，但其电压较低，体积比能量较小，串联使用需要更多的电池，直接增大了电池组的制造成本。
镍钴锰酸锂则以相对廉价的镍和锰取代了钴酸锂中三分之二以上的钴，成本较为低廉，同时其电化学性能和加工性能与钴酸锂差不多，受到越来越多的关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子动力电池及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种锂离子动力电池，负极材料是由以下质量百分比的原料组成：83-94%的钛酸锂、2-10%的粘合剂、3-10%的导电剂，正极材料由以下质量百分比的原料组成：83-95%的镍钴锰酸锂、1-10%的粘合剂、4-12%的导电剂。
所述的粘合剂为PVDF、PTFE中的至少一种。
一种锂离子动力电池负极材料，所述的导电剂为SP、超导碳黑、导电石墨、碳纳米管中的至少一种。
一种锂离子动力电池的制备方法，包括以下的步骤：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加溶剂溶解，搅拌均匀，得正极浆料，将正极浆料涂布在铝箔上，在真空环境下，80-120℃烘烤5-12小时后，辊压、分切成正极片； 
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加溶剂溶解，搅拌均匀，得负极浆料，将负极浆料涂布在铝箔上，在真空环境下，80-120℃烘烤5-12小时后，辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在真空环境下，60~120℃烘烤12~24小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入电池壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在真空环境下，60~90℃烘烤48~96小时后，注液、化成、分容，得到一种锂离子动力电池。
所述真空环境的真空压力为-0.08~-0.10 MPa。
步骤1）和步骤2）中所用的溶剂为NMP、THF、DMF、DEF中的一种。
本发明的有益效果是：①本发明的锂离子动力电池负极以钛酸锂（Li4Ti5O12）为活性物质、正极以镍钴锰酸锂为活性物质的锂离子动力电池，该种电池容量大，倍率充放电优良，循环寿命长，体积比能量高；②本发明制造方法成本低、工艺简单易行。 
附图说明
图1为本发明的锂离子动力电池的充电曲线。
图2为本发明的锂离子动力电池的放电曲线。
图3为本发明的锂离子动力电池的循环曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步说明本发明：
实施例1：
一种锂离子动力电池负极极片材料的配方组成如下表1：
Figure 2011102310437100002DEST_PATH_IMAGE001
一种锂离子动力电池正极极片材料的配方组成如下表2：
Figure 2011102310437100002DEST_PATH_IMAGE002
隔膜为：PP材质的单层隔膜
电解液为：1.2mol/L LiPF6溶液，溶剂成分为EC：DMC：EMC=1：1：1
外壳为塑料壳体
具体制备方法如下：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加溶剂NMP溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得正极浆料，将正极浆料经过自动上料系统、涂布机均匀涂布在铝箔上，在真空环境下，80℃烘烤12小时后、辊压、分切成正极片；
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加溶剂NMP溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得负极浆料，将负极浆料经过自动上料系统、涂布机均匀涂布在铝箔上，在真空环境下，80℃烘烤12小时后、辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在－0.08MPa下60℃烘烤24小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入塑料壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在－0.08MPa下60℃烘烤96小时后，注液、化成、分容成为120Ah电池。经测试，所得电池的0.5C充电曲线如图1、0.5C放电曲线如图2所示。
实施例2：
一种锂离子动力电池负极极片材料的配方组成如下表3：
Figure 2011102310437100002DEST_PATH_IMAGE003
一种锂离子动力电池正极极片材料的配方组成如下表4：
Figure 2011102310437100002DEST_PATH_IMAGE004
隔膜为：PP材质的单层隔膜
电解液为：1.2mol/L LiPF6溶液，溶剂成分为EC：DMC：EMC=1：1：1
外壳为塑料壳体
具体制备方法如下：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加溶剂NMP溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得正极浆料，将正极浆料经过自动上料系统、涂布机均匀涂布在铝箔上，在真空环境下，100℃烘烤10小时后、辊压、分切成正极片；
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加溶剂NMP溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得负极浆料，将负极浆料经过自动上料系统、涂布机均匀涂布在铝箔上，在真空环境下，100℃烘烤10小时后、辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在－0.10MPa下120℃烘烤12小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入塑料壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在－0.10MPa下90℃烘烤48小时后，注液、化成、分容成为120Ah电池。经测试，所得电池的1C循环曲线如图3所示。
实施例3：
一种锂离子动力电池负极极片材料的配方组成如下表5：
Figure 2011102310437100002DEST_PATH_IMAGE005
一种锂离子动力电池正极极片材料的配方组成如下表6：
Figure 2011102310437100002DEST_PATH_IMAGE006
隔膜为：PP材质的单层隔膜
电解液为：1.2mol/L LiPF6溶液，溶剂成分为EC：DMC：EMC=1：1：1
外壳为塑料壳体
具体制备方法如下：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加溶剂NMP溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得正极浆料，将正极浆料经过自动上料系统、涂布机均匀涂布在铝箔上，在真空环境下，120℃烘烤5小时后、辊压、分切成正极片；
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加溶剂NMP溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得负极浆料，将负极浆料经过自动上料系统、涂布机均匀涂布在铝箔上，在真空环境下，120℃烘烤5小时后、辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在－0.10MPa下120℃烘烤12小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入塑料壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在－0.10MPa下90℃烘烤48小时后，注液、化成、分容成为120Ah电池。
实施例4：
一种锂离子动力电池负极极片材料的配方组成如下表7：
Figure 2011102310437100002DEST_PATH_IMAGE007
一种锂离子动力电池正极极片材料的配方组成如下表8：
Figure 2011102310437100002DEST_PATH_IMAGE008
隔膜为：PP材质的单层隔膜
电解液为：1.2mol/L LiPF6溶液，溶剂成分为EC：DMC：EMC=1：1：1
外壳为塑料壳体
具体制备方法如下：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加溶剂NMP溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得正极浆料，将正极浆料经过自动上料系统、涂布机均匀涂布在铝箔上，在真空环境下，120℃烘烤5小时后、辊压、分切成正极片；
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加溶剂NMP溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得负极浆料，将负极浆料经过自动上料系统、涂布机均匀涂布在铝箔上，在真空环境下，120℃烘烤5小时后、辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在－0.09MPa下100℃烘烤16小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入塑料壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在－0.09MPa下80℃烘烤72小时后，注液、化成、分容成为120Ah电池。

Claims (1)

1. 一种锂离子动力电池，其特征在于：负极材料是由以下质量百分比的原料组成：83%的钛酸锂、10%的粘合剂PVDF、7%的导电石墨，正极材料由以下质量百分比的原料组成：83%的镍钴锰酸锂、5%的粘合剂PVDF、12%的导电剂SP；隔膜为：PP 材质的单层隔膜；电解液为1.2mol/L LiPF6溶液，溶剂成分为EC:DMC:EMC=1:1:1；所述的电池的制备方法，包括以下的步骤：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加溶剂NMP 溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得正极浆料，将正极浆料经过自动上料系统、涂布机均匀涂布在铝箔上，在真空环境下，80℃烘烤12 小时后、辊压、分切成正极片； 
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加溶剂NMP 溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得负极浆料，将负极浆料经过自动上料系统、涂布机均匀涂布在铝箔上，在真空环境下，80℃烘烤12 小时后、辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在－0.08MPa 下60℃烘烤24 小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入塑料壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在－0.08MPa 下60℃烘烤96 小时后，注液、化成、分容成为120Ah 电池。
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