CN102306787A - 一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池及其制备方法 Download PDF

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李宝玉
王保
刘兴福
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Abstract

本发明公开了一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，其正极材料由85~95%重量的磷酸亚铁锂、1~10%重量的水性粘合剂、3~10%重量的导电剂组成；其负极材料由85~95%重量的钛酸锂（Li4Ti5O12）、1~10%重量的水性粘合剂、2~10%重量的导电剂组成。本发明锂离子动力电池容量大，倍率充放电优良，循环寿命长，稳定安全性能高，可应用于混合电动汽车、大型储能系统、家庭储能电站、高性能要求的军品等领域。本发明还公开了锂离子动力电池的制备方法，该方法以水作为溶剂，成本低、工艺简单易行、无环境污染，并通过特殊的烘烤工艺，严格除水，保证了电池的品质，可大范围推广应用。

Description

一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池及其制备方法，具体涉及一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子动力电池是最近开发并迅速发展起来的新型电池，由于其高比能量、环保等特殊优势被广泛应用于电动汽车、储能系统、军用产品等多个领域。
众多锂离子电池材料中，磷酸亚铁锂材料由于其高安全性能、高循环寿命而尤其被重视。钛酸锂是一种高性能、高倍率型的锂离子二次电池负极材料，具有良好的循环性能和优良的充放电平台。 在锂离子嵌入或脱出过程中，晶型不发生变化，被认为是“零应变材料”。比传统的碳负极材料具有更为优异的循环寿命和安全性能，因此被认为是最有潜力替代碳负极的一种材料。
在电极的浆料制作中，使用最多的粘合剂是 PVDF，一种含氟聚合物，其溶剂为NMP（氮甲基吡咯烷酮）。将原材料、PVDF、导电剂等按一定比例混合，经过高速搅拌制备成浆料后，在涂布工序被均匀地涂于铝箔上，然后经过烘干，碾压、分切成极片，完成电极制造。NMP为有机溶剂，具有强烈的刺激性气味，沸点203℃，闪点95℃，爆炸界限1.3%-9.5%。NMP散发于空气中有浓烈的气味，污染环境，必须予以回收，直接给电池制造增加了成本。而且NMP在涂布烘箱、风道中必须及时地散发出去，否则会发生爆炸、着火等安全事故。NMP为有机溶剂，具有一定的腐蚀性。而且NMP-PVDF溶剂吸水会影响PVDF的粘合性，在电极制造中需要严格地控制水分，从而增加的制造难度和成本。
因而，在锂离子动力电池的研制过程中，选择一种合适的水性粘合剂，使用水作溶剂，并通过特殊工艺在制备过程中严格除水，对于解决上述技术问题，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负极以钛酸锂为主要原料、正极以磷酸亚铁锂为主要原材料的锂离子动力电池水性配方体系及其制备方法。以该配方及制备方法制备得到的锂离子动力电池容量大，倍率充放电优良，循环寿命长，稳定安全性能高，节能环保。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，其正极材料由85~95%重量的磷酸亚铁锂、1~10%重量的粘合剂、3~10%重量的导电剂组成；其负极材料由85~95%重量的钛酸锂（Li4Ti5O12）、1~10%重量的粘合剂、2~10%重量的导电剂组成；所述粘合剂为水性粘合剂。
优选的，所述水性粘合剂为聚醚类化合物。
优选的，所述水性粘合剂为103胶、103A胶、105胶、LA132中的至少一种。
优选的，所述导电剂为SP、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管中的至少一种。
上述一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加水溶解，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，加水溶解，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24~36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，得到一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池。
优选的，所述真空环境的真空压力为－0.08~－0.10 MPa。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的锂离子动力电池负极以钛酸锂为主要原料、正极以磷酸亚铁锂为主要原材料，大大改善了电池的充放电性能，容量大、循环寿命长，稳定安全，可应用于混合电动汽车、快速充电增程式纯电动公交系统、大型储能系统、家庭储能电站、高性能要求的军品等领域；
（2）本发明的锂离子动力电池所用的粘合剂为水性粘合剂，从而可使用水作为溶剂，水的处理成本低，对环境零污染，大大降低了电池的制造难度和成本，环保节能；
（3）本发明的制造方法成本低、工艺简单易行、无环境污染，并通过特殊的烘烤工艺，严格除水，保证了电池的品质，可大范围推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例1的锂离子动力电池的充电曲线图；
图2是本发明实施例1的锂离子动力电池的放电曲线图；
图3是本发明实施例2的锂离子动力电池的充电曲线图；
图4是本发明实施例2的锂离子动力电池的放电曲线图；
图5是本发明实施例3的锂离子动力电池的充电曲线图；
图6是本发明实施例3的锂离子动力电池的放电曲线图。
具体实施方式
一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，其正极材料由85~95%重量的磷酸亚铁锂、1~10%重量的粘合剂、3~10%重量的导电剂组成；其负极材料由85~95%重量的钛酸锂（Li4Ti5O12）、1~10%重量的粘合剂、2~10%重量的导电剂组成；所述粘合剂为水性粘合剂。
优选的，所述水性粘合剂为聚醚类化合物。
优选的，所述水性粘合剂为103胶、103A胶、105胶中的至少一种。还可以选用其它的聚醚类化合物水性粘合剂。
优选的，所述导电剂为SP、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管中的至少一种。当然，在本领域技术人员的理解范围内，还可以选用其它的导电剂。
上述一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加水溶解，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，加水溶解，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24~36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，得到一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池。
优选的，所述真空环境的真空压力为－0.08~－0.10 MPa。
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。
实施例1
一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳。
正极材料组成：85%的磷酸亚铁锂、5%的103胶、10%的SP；
负极材料组成：85%的钛酸锂、5%的LA132、10%的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；
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，加水溶解，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－0.09MPa下，100℃烘烤8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，加水溶解，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－0.09MPa下，100℃烘烤8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80℃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－0.09MPa下80℃烘烤48小时后，注液、化成、分容成为120Ah电池。电池充放电曲线如图1、图2所示。
实施例2
一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳。
正极材料组成：90%的磷酸亚铁锂、7%的103A胶、3%的超导炭黑；
负极材料组成：85%的钛酸锂、10%的LA132、5%的超导炭黑；
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，加水溶解，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－0.08MPa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，加水溶解，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－0.08MPa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36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72小时后，注液、化成、分容成为120Ah电池。经测试，所得电池的充电电压为2.25v，放电电压为1.0v，电池充放电曲线如图3、图4所示。
实施例3
一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳。
正极材料组成：95%的磷酸亚铁锂，1%的103胶、103A胶混合物，4%的碳纳米管；
负极材料组成：95%的钛酸锂，1%的105胶，4%的碳纳米管；
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，加水溶解，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－0.10MPa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，加水溶解，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－0.10MPa下，120℃烘烤5小时后，辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在真空－0.10MPa下100℃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）将半成品电池在真空－0.10MPa下100℃烘烤60小时后，注液、化成、分容成为120Ah电池。经测试，所得电池的充电电压为2.25v，放电电压为1.0v，电池充放电曲线如图5、图6所示。

Claims (6)

1.一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，其正极材料由85~95%重量的磷酸亚铁锂、1~10%重量的粘合剂、3~10%重量的导电剂组成；其负极材料由85~95%重量的钛酸锂（Li4Ti5O12）、1~10%重量的粘合剂、2~10%重量的导电剂组成；所述粘合剂为水性粘合剂。
2.根据权利要求1所述的一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，其特征在于：所述水性粘合剂为聚醚类化合物。
3.根据权利要求2所述的一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，其特征在于：所述水性粘合剂为103胶、103A胶、105胶、LA132中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，其特征在于：所述导电剂为SP、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管中的至少一种。
5.权利要求1所述一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加水溶解，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，加水溶解，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24~36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，得到一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池。
6.根据权利要求5所述一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述真空环境的真空压力为－0.08~－0.10 MPa。
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