CN102623689A

CN102623689A - 一种采用钛酸锂材料的锂离子电池负极浆料的制作工艺

Info

Publication number: CN102623689A
Application number: CN2012100868937A
Authority: CN
Inventors: 赵群会; 冯勇; 杨金林; 任海中; 谢小军
Original assignee: CHONGQING YONGTONG INFORMATION ENGINEERING INDUSTRIAL Co Ltd
Current assignee: CHONGQING YONGTONG INFORMATION ENGINEERING INDUSTRIAL Co Ltd
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明涉及一种采用钛酸锂材料的锂离子电池负极浆料的制作工艺，一种安全性高、倍率性能好且长寿命的钛酸锂材料的锂离子电池负极浆料的制作工艺；步骤包括：按重量份配料：钛酸锂：100、炭黑SUPER-P：2-4.5、聚偏氟乙烯：7-11、N-甲基吡咯烷酮：100-120；干燥避免氧化条件下先后将聚偏氟乙烯、炭黑SUPER-P、钛酸锂和剩余N-甲基吡咯烷酮加入至N-甲基吡咯烷酮溶剂中搅拌均匀，获得浆料粘度在6000-8000cps范围内后改用真空慢速搅拌1-1.5h；慢速搅拌完成后静置消除浆料中的气泡，然后过100-150目筛即得到钛酸锂负极浆料；本发明主要是通过使用分散效果理想的制作工艺，达到了简化浆料制作工艺，提高浆料分散效果的目的。

Description

一种采用钛酸锂材料的锂离子电池负极浆料的制作工艺

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体的说，涉及一种钛酸锂材料的锂离子电池负极浆料的制作工艺。

背景技术

地球的能源是有限的，人类的消费是无限的，能源短缺将威胁人类的生存和发展。因此，发展替代传统石油的新能源已迫在眉睫。世界各国为解决能源短缺问题，纷纷投入大量人力、物力，研制开发新能源。新能源技术研究涉及太阳能、风能、核能等多个技术领域，锂离子动力电池就是其中很重要的一个项目，也是其中的研究热点之一。锂离子动力电池及材料可广泛应用于交通运输、动力等领域中。是本世纪人类理想的替代燃油的产品。随着石油资源的短缺，和受世界政治经济环境不稳定导致的石油供应不稳定影响，锂离子动力电池能源在车辆中的应用正日渐兴起。

在目前较为成熟的锂离子动力电池中，负极绝大多数都是采用以碳负极材料为活性物质进行制备；但是由于碳负极材料存在较大的能量损失和高倍率充放电性能差等问题。碳负极材料在有机电解质中易形成钝化膜(SEI)，引起比容量的初始不可逆损失；且碳电极的电位与金属锂的电位很接近，当电池过充电时，碳电极表面易析出金属锂，形成枝晶而引起短路，从而带来安全隐患；还有碳负极材料在锂离子嵌入、脱出过程中体积变化大，产生循环稳定性差等缺点。所以本领域技术人员已经着手努力寻找一新的技术方案克服这一技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全性高、倍率性能好且长寿命的钛酸锂材料的锂离子电池负极浆料的制作工艺。

本发明的技术方案是：一种采用钛酸锂材料的锂离子电池负极浆料的制作工艺，步骤包括：

(1)按重量份配料：钛酸锂：100、炭黑SUPER-P：2-4.5、聚偏氟乙烯：7-11、N-甲基吡咯烷酮：100-120；

(2)将聚偏氟乙烯加入至重量份数70-90的N-甲基吡咯烷酮中搅拌均匀得烯胶溶液；

(3)将炭黑SUPER-P加入稀胶溶液中搅拌均匀；

(4)将钛酸锂在搅拌条件下分次均匀加入步骤(3)制得的溶液中，期间加入剩余的N-甲基吡咯烷酮，搅拌至材料分散均匀；浆料粘度在6000-8000cps范围内后改用真空慢速搅拌1-1.5h；慢速搅拌完成后静置消除浆料中的气泡，然后过100-150目筛即得到钛酸锂负极浆料；

上述的操作尽量在干燥避免氧化的条件下进行。例如提高环境的干燥程度和降低环境湿度。更好的可以是真空环境，或者惰性气体保护的环境中进行。

本发明主要是通过使用分散效果理想的制作工艺，具体也就是独特的各组分间的配比和加入顺序，从而达到了简化浆料制作工艺，缩短浆料制作周期，提高浆料分散效果的目的。例如其中作为溶剂的N-甲基吡咯烷酮分两次加入使得便于与之同时加入的其它物料分散均匀。

按照本发明所提供的工艺技术来制作负极浆料进一步加工获得的锂离子动力电池将会达到如下技术效果：

(1)、零应变，循环性能非常优异

钛酸锂材料最大的特点就是其“零应变性”。所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，小于1％。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而减少循环带来的比容量衰减，提高电极的循环性能和使用寿命。

(2)、放电电压平稳，安全性极高

钛酸锂材料可与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成2.4V或1.9V的锂离子二次电池，电解液不致发生分解，大大提高了锂离子动力电池的安全性能。另外由于钛酸锂的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。

(3)、可高倍率充放电

与碳负极材料相比，钛酸锂具有高的锂离子扩散系数(为2*10^-8cm²/s)，因此，采用钛酸锂为负极制作的锂离子动力电池可高倍率充放电。

本发明的进一步优选技术方案是：

所述的步骤(2)、(3)、(4)在真空条件下进行。这样避免水分、氧化物等杂质的存在，利于构成电池的各组分保持原有性能，避免电池短路等情况。

所述的步骤(1)之前先将聚偏氟乙烯在真空环境下85-105℃进行烘烤6-8h，将烘烤好的粉料在真空状态下停止加热，待其温度降至40-50℃待用。这样可以降低聚偏氟乙烯的含水率，保障电池的性能提高。

所述的步骤(2)的搅拌时间在2-4h。所述的步骤(3)中搅拌时间1-1.5h。所述的钛酸锂分2-3次均匀加入步骤(3)制得的溶液中搅拌4-6h，期间应加入剩余的N-甲基吡咯烷酮作溶剂。进一步的，所述的步骤(4)中的静置时间在0.5-1h。这些都是实践掌握的优选的时间控制参数，既能保证混合效果，同事又节约加工时间和搅拌能源。

具体实施方式

通过详细描述以下两个优选实施例，更好地展示本发明的技术方案和技术效果。本发明所使用的负极活性物质钛酸锂粉料规格型号：TLB。负极活性物质是一种由金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，属于AB2X4系列，它可以被描述成尖晶石固溶体。该材料粒径为D₅₀＝1.3-2.6um，振实密度达1.68g/cm³；在电池充放电过程中为零应变。

实施例一

制作叠片式锂离子动力电池

负电极片的制作方法：

将8克聚偏氟乙烯溶解于80克的N-甲基吡咯烷酮中，利用脱泡搅拌机进行真空搅拌(自转15Hz，公转25Hz)2.5h；然后加入3克炭黑SUPER-P，真空搅拌(自转15Hz，公转30Hz)1.5h；最后加入100克钛酸锂粉料和30gN-甲基吡咯烷酮，经高速真空搅拌(自转35Hz，公转40Hz)4h，最后慢速搅拌(自转15Hz，公转25Hz)1.5h，静置1h真空除气泡后就得到负极浆料。

将负极浆料涂布在15um厚铝箔的两个面上，在120-130℃的条件下除去溶剂N-甲基吡咯烷酮，负极片的厚度控制在170±10um，负极片经滚压后厚度控制在100±10um。将负极片裁切成菜刀型：刀片面积为72*131mm，刀把面积为15*20mm，刀把部分是未涂膜的铝箔，其表面在后续工步中与极耳相连接。

正电极片的制作方法：

将4克聚偏氟乙烯溶解于70克的N-甲基吡咯烷酮中，然后加入5克炭黑SUPER-P，1.5克鳞片石墨，最后加入100克磷酸亚铁锂粉料。经高速真空搅拌均匀，静置除气后制成正极浆料。将正极浆料涂布在15um厚铝箔的两个面上，在120-130℃的条件下除去溶剂N-甲基吡咯烷酮，正极片的厚度控制在160±10um，极片经滚压后厚度控制在100±10um。将正极片裁切成菜刀型：刀片面积为70*129mm，刀把面积为15*20mm，刀把部分是未涂膜的铝箔，其表面在后续工步中与极耳相连接。

电池芯的制作方法：

将正负电极片和隔膜(宽度134mm)按负极片/隔膜/正极片/隔膜/……负极片的顺序叠好，共有35个正极片，36个负极片构成8.7*73*134mm的电池芯。35个正极片的刀把汇集在一起焊上铝极耳，36个负极片刀把汇集在一起焊上镍极耳，极耳间间隔20mm左右。

电池芯的装配注液方法：

将电池芯放入铝塑膜外包装袋中，将包括极耳一边在内的三边进行热封口，只留一边开口用于烘烤除水后注液。将封口好的电池在85℃真空状态下烘烤10-16h，待电池降温至40℃以下后注入50克电解液；然后将注液口一次热封。

电池的化成排气和二次封口方法：

使用专用的电池充放电设备对电池进行3.6V/0.2C(CC+CV)充电化成，然后排放在化成过程中产生的少量气体，最后进行二次封口完成整个电池制作。电池设计容量5Ah。

实施例二

卷绕式锂离子动力电池

负电极片的制作方法：

将10克聚偏氟乙烯溶解于90克的N-甲基吡咯烷酮中，真空搅拌(自转15Hz，公转25Hz)3.5h；然后加入4.5克炭黑SUPER-P，真空搅拌(自转15Hz，公转30Hz)1.2h；最后加入30g钛酸锂粉料粉料，真空搅拌0.5h，然后加入70g钛酸锂粉料和30gN-甲基吡咯烷酮作为溶剂，真空搅拌(自转35Hz，公转40Hz)5h，加入钛酸锂粉料的过程共搅拌5.5h。最后慢速搅拌(自转15Hz，公转25Hz)1.2h，静置0.5h真空除气泡后制成负极浆料。

将负极浆料涂布在15um厚铝箔的两个面上，在120-130℃的条件下除去溶剂N-甲基吡咯烷酮，负极片的厚度控制在170±10um，极片经滚压后厚度控制在100±10um.将负极片裁切成131*3000mm的尺寸，然后在未涂膜的铝箔面上点焊一只铝极耳。

正电极片的制作方法：

将4克聚偏氟乙烯溶解于70克的N-甲基吡咯烷酮中，然后加入5克炭黑SUPER-P，1.5克鳞片石墨，最后加入100克磷酸亚铁锂粉料。经高速真空搅拌均匀，静置除气后制成正极浆料。将正极浆料涂布在15um厚铝箔的两个面上，在120-130℃的条件下除去溶剂N-甲基吡咯烷酮，正极片的厚度控制在160±10um，极片经滚压后厚度控制在100±10um.将正极片裁切成129*2840mm的尺寸，然后在未涂膜的铝箔面上点焊一只铝极耳。

电池芯的制作方法：

将正负电极片和隔膜(宽度134mm)按隔膜/正极片/隔膜/负极片的顺序放置在卷绕机上，卷绕成8.7*73*134mm的电池芯。正负极耳位于电芯同侧，极耳间间隔20mm左右。

电池芯的装配注液方法：

将电池芯放入铝塑膜外包装袋中，将包括极耳一边在内的三边进行热封口，只留一边开口用于烘烤除水后注液。将封口好的电池在85℃真空状态下烘烤10-16h，待电池降温至40℃以下后注入40克电解液；然后将注液口一次热封。

电池的化成排气和二次封口方法：

对比例

负极采用市场上普通碳负极材料，按照目前现有技术中普遍使用的负极浆料制备工艺，也就是以负极浆料的干粉为总重量计，配取94份的碳干粉作为负极活性物质、3份的负极导电剂炭黑SUPER-P、3份的负极粘结剂SBR水性胶，将原料添加到去离子水中经真空搅拌得到负极浆料，将配置好的负极浆涂覆在10um的铜箔上，所述负极片上所涂料厚度控制在140±10um；后经滚压制片即得到负极片，按照上述实例一、二相同的方法制作正极片及电池。电池设计容量5Ah。

将上述实施例一、实施例二、对比例制作的动力锂离子电池分别进行以下对比测试：

测试1：分别对实施例一、对比例工艺条件下制得的电池以1C、3C、5C、10C进行进行倍率放电对比测试，具体数据见表1；

测试2：分别对实施例一、实施例二、对比例工艺条件下制得的电池以5C充电，10C放电进行循环测试，具体数据见表2。

表1

表2

从以上实施例一、实施例一二和对比例的测试数据对比中可以看出，采用本发明工艺方法制作锂离子动力电池，具有高功率、循环性能优异、高安全性等优点，该方法制作的电池可以广泛应用在新能源电动汽车等领域。

Claims

1.一种采用钛酸锂材料的锂离子电池负极浆料的制作工艺，步骤包括：

(3)将炭黑SUPER-P加入稀胶溶液中搅拌均匀；

(4)将钛酸锂在搅拌条件下分次均匀加入步骤(3)制得的溶液中，期间加入剩余的N-甲基吡咯烷酮，搅拌至材料分散均匀；浆料粘度在6000-8000cps范围内后改用真空慢速搅拌1-1.5h；慢速搅拌完成后静置消除浆料中的气泡，然后过100-150目筛即得到钛酸锂负极浆料。

2.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于：所述的步骤(2)、(3)、(4)在真空条件下进行。

3.根据权利要求2所述的制作工艺，其特征在于：所述的步骤(1)之前先将聚偏氟乙烯在真空环境下85-105℃进行烘烤6-8h，将烘烤好的粉料在真空状态下停止加热，待其温度降至40-50℃待用。

4.根据权利要求2所述的制作工艺，其特征在于：所述的步骤(2)的搅拌时间在2-4h。

5.根据权利要求2所述的制作工艺，其特征在于：所述的步骤(3)中搅拌时间1-1.5h。

6.根据权利要求2所述的制作工艺，其特征在于：所述的步骤(4)中加入钛酸锂和N-甲基吡咯烷酮后搅拌4-6h。

7.根据权利要求2所述的制作工艺，其特征在于：所述的步骤(4)中的静置时间在0.5-1h。

8.根据权利要求6所述的制作工艺，其特征在于：所述的钛酸锂分2-3次均匀加入步骤(3)制得的溶液中。