CN102347513A

CN102347513A - 一种高性能水性磷酸铁锂动力电池及其制作方法

Info

Publication number: CN102347513A
Application number: CN2011102993566A
Authority: CN
Inventors: 王太宏; 王耀玲; 陈立宝; 罗雨; 黄睿
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-02-08

Abstract

本发明涉及一种高性能水性磷酸铁锂动力电池的制备工艺，它包括正极、负极、隔膜和专用动力型磷酸铁锂电解液。将磷酸铁锂作为动力电池正极活性材料，正极片由改性的磷酸铁锂、导电剂、相应的粘结剂以及铝箔组成，负极片由专用动力型石墨、导电剂、粘结剂以及铜箔组成。本发明特征在于：所述正极片由正极集流体和正极浆料组成，正极涂布浆料的质量配比为：91％的活性物质磷酸铁锂、3％的导电剂(1.17％的Super-P、0.91％的KS-6、0.92％的石墨)以及6％的粘结剂(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)。本发明采用的导电剂和粘结剂配比合理，使得锂离子动力电池电压平台稳定，电池容量大，高倍率充放电性能优，性能循环好，同时这种电池在大电流放电的同时，安全性能好。

Description

一种高性能水性磷酸铁锂动力电池及其制作方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域的制备工艺，特别是磷酸铁锂动力锂离子电池及其制备方法。

背景技术

新能源汽车替代传统汽车已成为必然，各大汽车厂商都有相关新能源汽车计划。受益新能源汽车的快速发展，未来动力锂离子电池市场规模将高速增长。新能源汽车动力电池的整个产业链也将因此受益。由于磷酸铁锂电池的性能优势特点，这对磷酸铁锂电池生产企业来说更是新机遇。这对电池原材料供应商和厂商来说都是巨大的商业蛋糕，其“钱景”不可估量。磷酸铁锂正极材料的优点：

1、超长寿命，长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高达500次，而以磷酸铁锂为正极材料的动力电池，循环寿命可达到2000次以上，标准充电使用，可达到2000次。同质量的铅酸电池最多也就1～1.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到7～8年。综合考虑，性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。

2、使用安全，磷酸铁锂可完全解决钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。

3、快速充放电。可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟内即可使电池充满，起动电流可达2C。

4、耐高温，磷酸铁锂电热峰值可达350℃～500℃而锰酸锂和钴酸锂只能在200℃左右。

5、大容量，磷酸铁锂动力电池的续行里程是同等质量铅酸电池的3～4倍，其优点可使电动自行车在重量上不超标(40kg/辆)的前提下，充一次电可跑120公里左右，对于上班族，充一次电能够使用一周左右的时间。而铅酸电池配备的电动自行车在整车重量不超标的条件下，其电池容量最大为12Ah(铅酸电池重量此时已达13公斤，而同容量的磷酸铁锂电池的重量只有5公斤)，充一次电最多能够行驶50km左右。

6、无记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。

7、体积小、重量轻。同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。

8.绿色环保。绝对的绿色环保电池电动自行车虽然为绿色环保型的交通工具，而其配备的铅酸电池中却存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，仍将对环境造成二次污染，而磷酸铁锂材料无任何有毒有害物质不会对环境构成任何污染，被公认为绿色环保电池，该电池无论在生产及使用中，均无污染。随着中国加入WTO，中国电动自行车的出口量将迅速增大，而现在进入欧美的电动自行车已要求配备无污染电池，配备铅酸电池的电动车很难出口，无疑磷酸铁锂动力电池将是最好的候补。

中国目前在国内生产(中试)磷酸铁锂的厂家多采用固相法，生产中批次间质量控制仍是一个难题。据悉，武汉大学已经解决了这个难题，在不考虑掺杂导电剂因素的情况下，比容量已经达到理论容量(170mAh/g)，独特的生产工艺(已申请专利保护)使得高质量的磷酸铁锂从原料到产品一步到位，生产中只有少量的蒸汽和二氧化碳产生，对环境影响小，质量易控制，降低了生产成本。

目前锂电生产中的大多数浆料都是有机溶剂型的浆料，虽然基本能够满足涂布工艺要求，但同时也存在许多问题。首先，溶剂型浆料使用大量的有机溶剂NMP，价格比较去离子水而言要昂贵得多，目前市场价约2万/吨，使用的粘结剂主要为氟碳树脂pvdf，价格更为昂贵，市场价约200元/公斤；其次，溶剂型浆料烘烤较水性浆料难烘干，需要在120摄氏度以上透干，能耗较高；再者，使用有机溶剂对环境造成一定的污染，也不利于作业人员的健康。更严重的问题是，一则，高比容量电池需要使用的天然石墨只能用水性配料；二则，磷酸铁锂正极用油性涂布存在严重的难以解决的问题，难以分散、干燥，极片容易开裂、掉料，面密度难以提高，业内较高的也只能涂到320g/m^2左右，而且极片不良率非常高。所以使用水性浆料非常有必要。虽然目前一些动力电池的浆料已经采用水性浆料，主要为SBR(配合cmc)，但由于粘结剂选择和配伍不合理，在工艺上存在诸多问题。这些问题主要包括：第一，由于粘结剂选择和配伍不合理粘结性能很差，容易掉粉；第二，由于水的表面张力较高，粉料质量份额大，浆料难以搅匀，烘烤时难以流平。第三，极片较硬。

发明内容

本发明所要解决的问题就是提供一种导电性和离子扩散性良好、能大倍率放电的、正极片制备易于实现与控制的高性能的动力型水性磷酸铁锂电池及其制造工艺。

为了解决上述问题，本发明通过下面技术方案实现：

一种高性能水性磷酸铁锂动力电池包括正极、负极、隔膜和专用动力型磷酸铁锂电解液。将磷酸铁锂作为动力电池正极活性材料，正极片由改性的磷酸铁锂、导电剂、相应的粘结剂以及铝箔组成，负极片由专用动力型石墨、导电剂、粘结剂以及铜箔组成，其中：正极涂布浆料的质量配比为：91％的活性物质磷酸铁锂、3％的导电剂(1.17％的Super-P、0.91％的KS-6、0.92％的石墨)以及6％的粘结剂(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)；所述负极涂布混合物中活性物质、导电剂、粘结剂的质量百分比分别为：94％、2％、4％。

所述的正极材料为改性的磷酸铁锂，粒径均匀，负极材料为动力型石墨材料。

所述的正极粘结剂F-105、F-105-A为高效的有机粘结剂，此类粘结剂与磷酸铁锂具有极好的相容性。

所述的正极导电剂为三种导电混合物，它包括Super-P、KS-6以及石墨三者之间按适当的比例混合。

所述的正极集流体采用铝箔，厚度为20um。负极采用铜箔，厚度为10um。

在所述制备正极片工序中：

1)选取重量比为91％的活性物质磷酸铁锂、3％的导电剂(1.17％的Super-P、0.91％的KS-6、0.92％的石墨)以及6％的粘结剂(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)作为正极浆料。

2)导电剂和活性物质磷酸铁锂均需在真空下100℃干燥，烘烤时间8h。

8、根据权利要求1所述的高性能的磷酸铁锂动力电池，其特征在于：正负极片出料涂布前，正极浆料粘度范围：2500～4000mPa·s，负极浆料粘度范围：1500～2500mPa·s，按实际涂布需要进行调整。

所述的涂布温度：正极片涂布时6段烘箱温度设置为I：55℃，II：65℃，III：75℃，IV：85℃，V：65℃，VI：50℃，涂布速度控制在3～4m/min。

所述的压实密度：对于正极片的压实密度控制在1.9～2.1g/cm^3，负极片的压实密度控制在2.3～2.4g/cm^3。

本发明采用上述技术方案后得到了如下收益：采用的是F105系列的高效粘结剂，对活性物质颗粒间起粘接作用，将活性物质粘接在集流体上，保持活性物质间以及和集流体间的粘接作用，以保证活性物质制浆时的均匀性和安全性，有利于增强导电剂与活性物质的接触面积，增强了电子导电性，从而可以提高电池大倍率放电的性能。同时在制备过程中，采取先分散导电剂、粘结剂，后分散活性物质的工序，进一步保证了导电剂与活性物质均匀而又充分的接触，增强了电池的导电性，有利于提高电池的放电性能。这种电池制作工艺简单易行，过程易于控制，产品放电性能好，安全性高，循环寿命长。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

一种高性能水性磷酸铁锂动力电池及其制作方法的具体过程如下：

一种高性能水性磷酸铁锂动力电池包括正极、负极、隔膜和专用动力型磷酸铁锂电解液。将磷酸铁锂作为动力电池正极活性材料，正极片由改性的磷酸铁锂、导电剂、相应的粘结剂以及铝箔组成，负极片由专用动力型石墨、导电剂、粘结剂以及铜箔组成，其中：正极涂布浆料的质量配比为：91％的活性物质磷酸铁锂、3％的导电剂(1.17％的Super-P、0.91％的KS-6、0.92％的石墨)以及6％的粘结剂(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)；所述负极涂布混合物中活性物质、导电剂、粘结剂的质量百分比分别为：94％、2％、4％。一种高性能水性磷酸铁锂动力电池制作过程如下：

步骤一：正、负极片的制作。先将正、负极片原材料放到烘箱中真空100℃干燥8h，将干燥好的的原材料按照既定的比例，先加粘结剂与导电剂，后加活性物质逐一搅拌开来，直至原材料完全分散开来。正极浆料的粘度为2500～4000mPa·s，负极浆料粘度范围：1500～2500mPa·s，按实际涂布需要进行调整。

步骤二：正负极片涂布，均采用双面涂布，涂布尺寸参照5Ah电池工艺文件。涂布6段烘箱温度为：I：55℃，II：65℃，III：75℃，IV：85℃，V：65℃，VI：50℃，走速控制在3～4m/min，正极片的压实密度控制在1.9～2.1g/cm^3，负极片的压实密度控制在2.3～2.4g/cm^3。将极片按照工艺文件标准进行横切分条，干燥后进行极耳焊接、卷绕等工作，制成电芯，经过注液、化成分容等工序得到高性能水性磷酸铁锂动力电池。

实施案例一

磷酸铁锂作为动力电池正极活性材料，正极片由改性的磷酸铁锂、导电剂、相应的粘结剂以及铝箔组成，负极片由专用动力型石墨、导电剂、粘结剂以及铜箔组成，其中：正极涂布浆料的质量配比为：91％的活性物质磷酸铁锂、3％的导电剂(1.17％的Super-P、0.91％的KS-6、0.92％的石墨)以及6％的粘结剂(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)；所述负极涂布混合物中活性物质、导电剂、粘结剂的质量百分比分别为：94％、2％、4％，具体工序：

实施案例二

磷酸铁锂作为动力电池正极活性材料，正极片由改性的磷酸铁锂、导电剂、相应的粘结剂以及铝箔组成，负极片采用一般石墨活性材料、导电剂、粘结剂以及铜箔组成，其中：正极涂布浆料的质量配比为：91％的活性物质磷酸铁锂、3％的导电剂(1.17％的Super-P、0.91％的KS-6、0.92％的石墨)以及6％的粘结剂(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)；所述负极涂布混合物中活性物质、导电剂、粘结剂的质量百分比分别为：94％、2％、4％，具体工序同实施案例一。

实施案例三

磷酸铁锂作为动力电池正极活性材料，正极片由改性的磷酸铁锂、导电剂、相应的粘结剂以及铝箔组成，负极片由专用动力型石墨、导电剂、粘结剂以及铜箔组成，其中：正极涂布浆料的质量配比为：91％的活性物质磷酸铁锂、3％的导电剂Super-P以及6％的粘结剂(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)；所述负极涂布混合物中活性物质、导电剂、粘结剂的质量百分比分别为：94％、2％、4％，具体工序同实施案例一。

实施案例四

磷酸铁锂作为动力电池正极活性材料，正极片由改性的磷酸铁锂、导电剂、相应的粘结剂以及铝箔组成，负极片由专用动力型石墨、导电剂、粘结剂以及铜箔组成，其中：正极涂布浆料的质量配比为：91％的活性物质磷酸铁锂、3％的导电剂(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)以及6％的粘结剂LA-133；所述负极涂布混合物中活性物质、导电剂、粘结剂的质量百分比分别为：94％、2％、4％，具体工序同实施案例一。

实施案例五

磷酸铁锂作为动力电池正极活性材料，正极片由改性的磷酸铁锂、导电剂、相应的粘结剂以及铝箔组成，负极片由专用动力型石墨、导电剂、粘结剂以及铜箔组成，其中：正极涂布浆料的质量配比为：91％的活性物质磷酸铁锂、3％的导电剂(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)以及6％的粘结剂LA-135；所述负极涂布混合物中活性物质、导电剂、粘结剂的质量百分比分别为：94％、2％、4％，具体工序同实施案例一。

Claims

1.一种高性能水性磷酸铁锂动力电池包括正极、负极、隔膜和专用动力型磷酸铁锂电解液。将磷酸铁锂作为动力电池正极活性材料，正极片由改性的磷酸铁锂、导电剂、相应的粘结剂以及铝箔组成，负极片由专用动力型石墨、导电剂、粘结剂以及铜箔组成。

2.根据权利要求1所述的一种高性能水性磷酸铁锂动力电池，其特征在于：所述正极片由正极集流体和正极浆料组成，正极涂布浆料的质量配比为：91％的活性物质磷酸铁锂、3％的导电剂(1.17％的Super-P、0.91％的KS-6、0.92％的石墨)以及6％的粘结剂(5.19％的F-105、0.81％的F-105-A)。

3.根据权利要求1和2所述的高性能水性磷酸铁锂动力电池，其特征在于：正极材料为改性的磷酸铁锂，负极材料为动力型改性石墨。

4.根据权利要求1和2所述的高性能水性磷酸铁锂动力电池，其特征在于：所述的正极粘结剂F-105、F-105-A为高效的有机粘结剂，此类粘结剂与磷酸铁锂具有极好的相容性。

5.根据权利要求1和2所述的高性能水性磷酸铁锂动力电池，其特征在于：所述的正极导电剂为三种导电混合物，它包括Super-P、KS-6以及石墨三者之间按适当的比例混合。

6.根据权利要求1所述的高性能水性磷酸铁锂动力电池，其特征在于：所述的正极集流体采用铝箔，厚度为20um。负极采用铜箔，厚度为10um。

7.根据权利要求1所述的高性能水性磷酸铁锂动力电池，其特征在于：在所述制备正极片工序中：

8.根据权利要求1所述的高性能的磷酸铁锂动力电池，其特征在于：正负极片出料涂布前，正极浆料粘度范围：2500～4000mPa·s，负极浆料粘度范围：1500～2500mPa·s，按实际涂布需要进行调整。

9.根据权利要求1所述的高性能的磷酸铁锂动力电池，其特征在于：正极片涂布时6段烘箱温度设置：I：55℃，II：65℃，III：75℃，IV：85℃，V：65℃，VI：50℃，涂布速度控制在3～4m/min。

10.根据权利要求1所述的高性能的磷酸铁锂动力电池，其特征在于：对于正极片的压实密度控制在1.9～2.1g/cm^3，负极片的压实密度控制在2.3～2.4g/cm^3。