CN102403531B

CN102403531B - 一种高倍率磷酸铁锂电池及其制备方法

Info

Publication number: CN102403531B
Application number: CN201110361424.7A
Authority: CN
Inventors: 李涛; 关成善; 宗继月
Original assignee: Shandong Goldencell Electronics Technology Co Ltd
Current assignee: Shandong Goldencell Electronics Technology Co Ltd
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: CN102403531A

Abstract

本发明公开一种高倍率磷酸铁锂电池及其制备方法，其包括正负极浆料的制备、正负极片的设计以及电池安全性的设计，旨在改善磷酸铁锂电池的倍率性能，提高电池的安全性。正负极浆料的制备采是用超声搅拌和机械搅拌相结合的方法，提高了浆料分散效果；正极是将磷酸铁锂活性材料、导电剂和粘结剂按照一定配比制浆后涂覆在铝箔上；负极是将石墨（或中间相碳微球、钛酸锂）、导电剂和丁苯橡胶（SBR）按照一定配比制浆涂覆在铜箔上；制备成圆柱电池，电芯在气氛保护环境下装配，电池通过盖帽泄气装置来提高其安全性。本发明的锂离子电池具有好的安全性，且可以实现高倍率30C持续放电。

Description

一种高倍率磷酸铁锂电池及其制备方法

技术领域

本发明属于锂离子电池的技术领域，特别是涉及一种高倍率磷酸铁锂电池及其制备方法。

背景技术

发展新材料、开发可再生能源技术成为21世纪人类要解决的重大课题之一。而作为能量储存和转化装置的化学电源是有效利用能源的重要手段。目前，锂离子电池、燃料电池是化学电源领域的研究热点，尤其是作为动力电池对环境保护和社会发展具有重要的意义。锂离子电池因其工作电压高、能量密度大、自放电率低、环境友好等优点而受到世界各国的广泛关注。

目前市场上应用较多的有钴酸锂电池、三元材料电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池。其中，磷酸铁锂电池无论从电化学性能，包括可逆容量、稳定性、安全性、循环性和大电流放电能力，还是原材料的价格来看，都优于其他类电池。尤其是循环性能，能量型磷酸铁锂电池1C循环2000次容量保持率可以达到80%以上，远高于钴酸锂电池、三元材料电池、锰酸锂电池。由于新能源汽车，电动自行车，电动工具等，对锂离子电池要求很高，必须具有高比能量、高比功率、快速充电和深度放电的性能，而且要求成本尽量低、使用寿命尽量长，因此选用磷酸铁锂电池是较理想的动力锂离子电池。为解决锂离子电池的高倍率放电及安全性，利用磷酸铁锂安全性优良的特点，开发出了一种高倍率磷酸铁锂电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种高倍率磷酸铁锂电池及其制备方法，解决普通锂离子电池的高倍率放电差及安全性差的问题，进一步扩大锂离子电池的应用领域。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高倍率磷酸铁锂电池，包括正极和负极，正极是将磷酸铁锂活性材料、导电剂和粘结剂按照配比制浆后涂覆在铝箔上；负极是将石墨、导电剂和粘结剂按照配比制浆涂覆在铜箔上；制成圆柱型钢壳电池，其特征是：正极浆料中磷酸铁锂材料的比表面积＜30m²/g，导电剂为导电炭黑（Super P-Li）或KS系列、SFG系列、碳纳米管、纳米碳纤维，粘结剂为聚偏氟乙烯（PVDF）系列，其重量配比为：活性物质磷酸铁锂70~93%；导电剂为1~20%；粘结剂为2~15%；负极浆料配比为：活性物质石墨或中间相碳微球或钛酸锂85~95%，导电剂为导电炭黑（Super P-Li）或KS系列、SFG系列、碳纳米管、纳米碳纤维，导电剂重量百分比为：1~10%；粘结剂为丁苯橡胶（SBR），粘结剂重量百分比为2~8%；所属正极浆料和负极浆料的制备采是用超声搅拌和机械搅拌相结合提高浆料分散程度；电芯在气氛保护环境下装配，电池的盖帽设有泄气装置。

根据所述的一种高倍率磷酸铁锂电池，其特征是：搅拌先采用机械搅拌对浆料进行高速预分散1~6h，再采用超声搅拌和机械搅拌相结合对预分散的浆料进一步分散，提高材料的均匀分散程度，超声搅拌为1~6h，超声压力为5~20MPa，超声频率15~60KHz，搅拌速度为120~2200r/min。

根据所述的一种高倍率磷酸铁锂电池，其特征是：所述的正负极片极耳采用多极耳方式，极耳个数≥2。

根据所述的一种高倍率磷酸铁锂电池，其特征是：所述的铝箔厚度为15~25μm，铜箔厚度为10~20μm；正极极耳为铝带，宽度为3~25mm之间；负极极耳为镍带或铜镍复合带，宽度为3~25μm。

根据所述的一种高倍率磷酸铁锂电池，其特征是：电芯装配时的保护气氛为氮气或氩气，盖帽的泄气压力为1.0~5.0MPa。

根据所述的一种高倍率磷酸铁锂电池，其特征是：电池隔膜为PP/PE/PP三层复合隔膜或PE单层隔膜，隔膜的厚度为15~30μm；电解液为六氟磷酸锂（LiPF₆）与碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯有机溶液中的两种或两种以上的混合物。

一种高倍率磷酸铁锂电池的方法，其特征是：正、负极浆料的制备采是用超声搅拌和机械搅拌相结合的方法，提高了浆料分散效果；正极是将磷酸铁锂活性材料、导电剂和粘结剂按照所述配比制浆后涂覆在铝箔上；负极是将石墨或中间相碳微球、钛酸锂、导电剂和丁苯橡胶（SBR）按照所述配比制浆涂覆在铜箔上；制成圆柱型钢壳电池，电芯在气氛保护环境下装配，电池通过盖帽泄气装置来提高其安全性。

根据所述的高倍率磷酸铁锂电池的制备方法，其特征是：

制备正极：活性物质是比表面积为25m²/g的磷酸铁锂，导电剂为导电炭黑Super-P，KS-6为导电石墨，粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF5130，氮甲基吡咯烷（NMP）为溶剂，正极浆料粘度控制为3000~15000mPas；浆料中各种物质的百分比为：LiFePO₄:Super-P:KS-6:PVDF5130:NMP=89:4:2:5:115；首先将PVDF5130溶于NMP中，再加入预先混合好的磷酸铁锂和导电石墨及导电炭黑，机械高速搅拌3小时进行预分散，搅拌速度1800r/min；然后采用机械高速搅拌和超声搅拌相结合的方法搅拌3小时，机械高速搅拌速度1500r/min，超声搅拌压力10MPa，超声频率为20KHz；浆料经过真空除泡后进行涂布，使用铝箔的厚度为20μm，经过干燥，辊压，分切后进行极耳焊接，极耳的个数为4个，宽度为5mm的铝带；

制备负极：负极活性物质为人造石墨CAG-3，导电剂为导电炭黑Super-P，胶黏剂为丁苯橡胶（SBR），增稠剂为羧甲基纤维素钠（CMC），水为溶剂，负极粘度控制为1500~6000mPas；浆料中各种物质的比例为：CAG-3:Super-P:CMC:SBR:H₂O=91:4: 1.5:3.5:125；首先将CMC溶于水中，再加入预先混好的人造石墨和导电剂，高速搅拌3小时，搅拌速度1800r/min，然后再采用机械高速搅拌和超声搅拌相结合的方法搅拌2小时，高速搅拌速度1500r/min，超声搅拌压力10MPa，超声频率为20KHz；再加入SBR高速搅拌2小时，搅拌速度1500r/min；浆料经过真空除泡后进行涂布，使用铜箔的厚度为15μm，经过干燥，辊压，分切后进行极耳焊接，极耳的个数为3个，宽度为5mm的镍铜复合带；

将正负极片做好后，中间为隔膜采用卷绕的方式卷绕成所需型号电芯，然后再入壳烘烤30h，进行注液、装配，化成、分容；其中装配采用气体保护，气体为氮气或氩气；电解液采用1mol/L的LiPF₆有机体系的溶液，加入量为6g；隔膜采用PP/PE/PP三层复合隔膜，厚度为20μm；采用具有泄气装置的盖帽，泄气压力为1.8~2.3MPa。

根据所述的高倍率磷酸铁锂电池的制备方法，其特征是：

制备正极：活性物质是比表面积为24m²/g的磷酸铁锂，导电剂为导电炭黑Super-P，KS-6L为导电石墨，粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF761A，氮甲基吡咯烷（NMP）为溶剂，正极浆料粘度控制为3000~15000mPas；浆料中各种物质的百分比为：LiFePO₄:Super-P:KS-6:PVDF5130:NMP=88:4:2:6:115；首先将PVDF761A溶于NMP中，再加入预先混合好的磷酸铁锂和导电石墨及导电炭黑，机械高速搅拌3小时进行预分散，搅拌速度1800r/min，然后再采用机械高速搅拌和超声搅拌相结合的方法搅拌2.5小时，机械高速搅拌速度1600r/min，超声搅拌压力11MPa，超声频率为20KHz，浆料经过真空除泡后进行涂布，使用铝箔的厚度为20μm，经过干燥，辊压，分切后进行极耳焊接，极耳的个数为4个，宽度为5mm的铝带；

将正负极片做好后，中间为隔膜采用卷绕的方式卷绕成所需型号电芯，然后再入壳烘烤48h，进行注液、装配，化成、分容；其中装配采用气体保护，气体为氮气或氩气；电解液采用1mol/L的LiPF₆有机体系的溶液，加入量为13g；隔膜采用PP/PE/PP三层复合隔膜，厚度为20μm。

本发明电池制作方法具有以下优点：

1、利用超声搅拌和机械搅拌相结合的方法提高了电池浆料的均匀性，进一步提高了极片的一致性；

2、装配时采用保护气氛有助于提高电池的安全性，制作工艺简单电池均通过3C/10V过充、150℃/30min热冲击、短路、针刺等安全性试验；

3、制备的电池，其持续放电电流可以达到30C，在1~30C之内放电容量的保持率达到1C的90%；

4、采用该方法制作的电池具有较好的循环性能，10C放电循环大于500次。

附图说明

图1本发明的正极片设计形状图。

图2为本发明的负极片设计形状图。

图3为18650-1100mAh-3.3V型号电池在10C、15C、20C、30C的放电曲线。

图4为18650-2300mAh-3.3V型号电池在10C、20C的放电曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高倍率磷酸铁锂电池及其制备方法，包括正负极浆料的制备、正负极片的设计以及电池安全性的设计，正负极浆料的制备采是用超声搅拌和机械搅拌相结合的方法，提高了浆料分散效果；正极是将磷酸铁锂活性材料、导电剂和粘结剂按照一定配比制浆后涂覆在铝箔上；负极是将石墨（或中间相碳微球、钛酸锂）、导电剂和丁苯橡胶（SBR）按照一定配比制浆涂覆在铜箔上；制成圆柱型钢壳电池，电芯在气氛保护环境下装配，电池通过盖帽泄气装置来提高其安全性。

所述的搅拌方法为先采用机械搅拌对浆料进行高速预分散1~6h，再采用超声搅拌和机械搅拌相结合对预分散的浆料进一步分散，提高材料的均匀分散程度，超声搅拌为1~6h，超声压力为5~20MPa，超声频率为15~60KHz，超声转速为120~2200r/min。

所述的正极中磷酸铁锂材料的比表面积＜30m²/g，导电剂为Super P-Li炭黑（或KS系列，SFG系列，碳纳米管，纳米碳纤维），粘结剂为PVDF系列。正极配比为：磷酸铁锂70~93%，导电剂为1~20%，粘结剂PVDF为2~15%。负极配比为：石墨85~95%，导电剂为1~10%，SBR为2~8%。

所述的铝箔厚度为15~25μm，铜箔厚度为10~20μm；正极极耳为铝带，宽度为3~25mm之间；负极极耳为镍带或铜镍复合带，宽度为3~25μm。

所述的电芯装配时的保护气氛为氮气或氩气，盖帽的泄气压力为1.0~5.0mPa。

所述的正负极片极耳采用多极耳方式，极耳个数≥2。

所述的电池隔膜为PP/PE/PP三层复合隔膜或PE单层隔膜，隔膜的厚度为15~30μm。

所述的电解液为六氟磷酸锂（LiPF₆）与碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯有机溶液中的两种或两种以上的混合物。

所述的电池为圆柱形钢壳电池，主要型号有18650、22650、26650等。

下面以18650-1100mAh-3.3V和26650-2300mAh-3.3V高倍率电池的制作过程为例来说明，电池外形如图1所示，电池的制作方法实例如下：

实施例1

制备正极：活性物质是比表面积为25m²/g的磷酸铁锂，导电剂为导电炭黑Super-P，KS-6为导电石墨，粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF5130，氮甲基吡咯烷（NMP）为溶剂，正极浆料粘度控制为3000~15000mPas。浆料中各种物质的百分比为：LiFePO₄:Super-P:KS-6:PVDF5130:NMP=89:4:2:5:115。首先将PVDF5130溶于NMP中，再加入预先混合好的磷酸铁锂和导电石墨及导电炭黑，机械高速搅拌3小时进行预分散（1800r/min），然后再采用机械高速搅拌(1500r/min)和超声搅拌（压力10MPa，超声频率为20KHz）相结合的方法搅拌3小时，浆料经过真空除泡后进行涂布，使用铝箔的厚度为20μm，经过干燥，辊压，分切后进行极耳焊接，极耳的个数为4个，宽度为5mm的铝带，制作极片的形状如图2所示。

制备负极：负极活性物质为人造石墨CAG-3，导电剂为导电炭黑Super-P，胶黏剂为丁苯橡胶（SBR），增稠剂为羧甲基纤维素钠（CMC），水为溶剂，负极粘度控制为1500~6000mPas。浆料中各种物质的比例为：CAG-3:Super-P:CMC:SBR:H₂O=91:4: 1.5:3.5:125。首先将CMC溶于水中，再加入预先混好的人造石墨和导电剂，高速搅拌3小时（1800r/min），然后再采用机械高速搅拌(1500r/min)和超声搅拌（压力10MPa，超声频率为20KHz）相结合的方法搅拌2小时，再加入SBR高速搅拌2小时(1500r/min)，浆料经过真空除泡后进行涂布，使用铜箔的厚度为15μm，经过干燥，辊压，分切后进行极耳焊接，极耳的个数为3个，宽度为5mm的镍铜复合带，制作极片的形状如图2所示。

将正负极片做好后，中间为隔膜采用卷绕的方式卷绕成所需型号电芯，然后再入壳烘烤30h，进行注液、装配，化成、分容。其中装配采用气体保护，气体为氮气或氩气；电解液采用1mol/L的LiPF₆有机体系的溶液，加入量为6g；隔膜采用PP/PE/PP三层复合隔膜，厚度为20μm。采用具有泄气装置的盖帽，泄气压力为1.8~2.3MPa。

制作的电池型号为18650-1100mAh-3.3V，其性能如图3所示，30C放电容量达到额定容量的95%，具有良好的高倍率性能。

实施例2

制备正极：活性物质是比表面积为24m²/g的磷酸铁锂，导电剂为导电炭黑Super-P，KS-6L为导电石墨，粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF761A，氮甲基吡咯烷（NMP）为溶剂，正极浆料粘度控制为3000~15000mPas。浆料中各种物质的百分比为：LiFePO₄:Super-P:KS-6:PVDF5130:NMP=88:4:2:6:115。首先将PVDF761A溶于NMP中，再加入预先混合好的磷酸铁锂和导电石墨及导电炭黑，机械高速搅拌3小时进行预分散（1800r/min），然后再采用机械高速搅拌(1600r/min)和超声搅拌（压力11MPa，超声频率为20KHz）相结合的方法搅拌2.5小时，浆料经过真空除泡后进行涂布，使用铝箔的厚度为20μm，经过干燥，辊压，分切后进行极耳焊接，极耳的个数为4个，宽度为5mm的铝带，制作极片的形状如图2所示。

制备负极：同实例1中一致。

将正负极片做好后，中间为隔膜采用卷绕的方式卷绕成所需型号电芯，然后再入壳烘烤48h，进行注液、装配，化成、分容。其中装配采用气体保护，气体为氮气或氩气；电解液采用1mol/L的LiPF₆有机体系的溶液，加入量为13g；隔膜采用PP/PE/PP三层复合隔膜，厚度为20μm。

制作的电池型号为26650-2300mAh-3.3V，其性能如图4所示，其20C放电容量达到额定容量的95% 。

Claims

1.一种高倍率磷酸铁锂电池的制备方法，其特征是：

制备正极：活性物质是比表面积为25m²/g的磷酸铁锂，导电剂为导电炭黑Super-P和导电石墨KS-6，粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF5130， NMP为溶剂，正极浆料粘度控制为3000~15000mPa·s；浆料中各种物质的重量百分比：LiFePO₄:Super-P:KS-6:PVDF5130:NMP=89:4:2:5:115；首先将PVDF5130溶于NMP中，再加入预先混合好的磷酸铁锂和导电石墨及导电炭黑，机械高速搅拌3小时进行预分散，搅拌速度1800r/min；然后采用机械高速搅拌和超声搅拌相结合的方法搅拌3小时，机械高速搅拌速度1500r/min，超声搅拌压力10MPa，超声频率为20KHz；浆料经过真空除泡后进行涂布，使用铝箔的厚度为20μm，经过干燥，辊压，分切后进行极耳焊接，极耳的个数为4个，宽度为5mm的铝带；

制备负极：负极活性物质为人造石墨CAG-3，导电剂为导电炭黑Super-P，胶黏剂为丁苯橡胶SBR，增稠剂为羧甲基纤维素钠CMC，水为溶剂，负极粘度控制为1500~6000mPa·s；浆料中各种物质的比例为：CAG-3:Super-P:CMC:SBR:H₂O=91:4: 1.5:3.5:125；首先将CMC溶于水中，再加入预先混好的人造石墨和导电剂，高速搅拌3小时，搅拌速度1800r/min，然后再采用机械高速搅拌和超声搅拌相结合的方法搅拌2小时，高速搅拌速度1500r/min，超声搅拌压力10MPa，超声频率为20KHz；再加入SBR高速搅拌2小时，搅拌速度1500r/min；浆料经过真空除泡后进行涂布，使用铜箔的厚度为15μm，经过干燥，辊压，分切后进行极耳焊接，极耳的个数为3个，宽度为5mm的镍铜复合带；

将正负极片做好后，中间为隔膜，采用卷绕的方式卷绕成所需型号电芯，然后再入壳烘烤30h，进行注液、装配，化成、分容；其中装配采用气体保护，气体为氮气或氩气；电解液采用1mol/L的LiPF₆有机体系的溶液，加入量为6g；隔膜采用PP/PE/PP三层复合隔膜，厚度为20μm；采用具有泄气装置的盖帽，泄气压力为1.8~2.3MPa。

2.一种高倍率磷酸铁锂电池的制备方法，其特征是：

制备正极：活性物质是比表面积为24m²/g的磷酸铁锂，导电剂为导电炭黑Super-P和导电石墨KS-6，粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF761A，NMP为溶剂，正极浆料粘度控制为3000~15000mPa·s；浆料中各种物质的重量百分比：LiFePO₄:Super-P:KS-6: PVDF761A:NMP=88:4:2:6:115；首先将PVDF761A溶于NMP中，再加入预先混合好的磷酸铁锂和导电石墨及导电炭黑，机械高速搅拌3小时进行预分散，搅拌速度1800r/min，然后再采用机械高速搅拌和超声搅拌相结合的方法搅拌2.5小时，机械高速搅拌速度1600r/min，超声搅拌压力11MPa，超声频率为20KHz，浆料经过真空除泡后进行涂布，使用铝箔的厚度为20μm，经过干燥，辊压，分切后进行极耳焊接，极耳的个数为4个，宽度为5mm的铝带；

将正负极片做好后，中间为隔膜，采用卷绕的方式卷绕成所需型号电芯，然后再入壳烘烤48h，进行注液、装配，化成、分容；其中装配采用气体保护，气体为氮气或氩气；电解液采用1mol/L的LiPF₆有机体系的溶液，加入量为13g；隔膜采用PP/PE/PP三层复合隔膜，厚度为20μm。