CN103208645A - 一种锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池，包括正极、负极、隔膜、电解液、电池壳体，正极与负极间设置隔膜，电解液设置于所述的电池壳体中，正极以及负极的组分以及重量百分比为：正极包括92%～95%的正极活性物质、2%～4%的正极粘结剂、0%～4%的正极导电剂和余量为正极集流体；负极包括89%～93%的石墨烯、0%～2%负极导电剂、0%～2%增稠剂、2%～3%的负极粘结剂和余量为负极集流体。本发明还公开了一种锰酸锂和石墨烯组成的动力电池的制备方法。本发明提供的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池及其制备方法，具有大功率、大容量、放电效率高、使用寿命长、内部结构稳定、安全性好的优点。

Description

一种锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及动力电池领域，具体为一种锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池及其制备方法。

背景技术

市场上现有多种电池，有一次电池和二次充电电池，有铅酸、镍氢、镍镉、锂电池（钴酸锂、锰酸锂）使用在电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、储能上的电池，由于小容量、功率低、效率低，需采用多块电池并联及串联起来增加功率和容量来提高电子产品的使用时间，由于每个电池都存在一定的差异，多个电池的组合对电池性能产生较大影响，降低电池的使用寿命。

现有技术中，电动车、储能电池的负极粘接粒度差、比能量低、功率小、容量小、放电效率低、内部结构稳定、使用寿命短和安全性差特别是短路现象经常发生。

发明内容

为解决以上的问题，本发明提供一种大功率、大容量、放电效率高、使用寿命长、内部结构稳定、安全性好的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池及其制备方法。

本发明提供一种锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池，包括正极、负极、隔膜、电解液、电池壳体，正极与负极间设置隔膜，电解液设置于所述的电池壳体中，正极以及负极的组分以及重量百分比为：

正极包括92%～95%的正极活性物质、2%～4%的正极粘结剂、0%～4%的正极导电剂和余量为正极集流体；

负极包括89%～93%的石墨烯、0%～2%负极导电剂、0%～2%增稠剂、2%～3%的负极粘结剂和余量为负极集流体。

作为本技术方案更进一步的改进，所述的正极活性物质采用锰酸锂材料，正极粘结剂采用聚偏氟乙烯，正极导电剂采用导电炭黑、导电石墨、鳞片石墨、碳纳米管中的一种或多种，正极集流体采用铝箔。

作为本技术方案更进一步的改进，所述的正极导电剂采用2%～4%的导电炭黑或0%～2%的鳞片石墨。

作为本技术方案更进一步的改进，负极导电剂采用导电碳黑、导电石墨中的一种或多种；负极增稠剂采用羧甲基纤维素钠，负极粘结剂采用丁苯橡胶，负极集流体采用铜箔。

作为本技术方案更进一步的改进，所述的负极导电剂采用0%～2%的导电石墨或0%～2%的碳纳米管。

本发明公开了一种锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池的制备方法，包括以下步骤：

S1.制备浆料；

S2.涂布正负极；

S3.辊压极片；

S4.横切和分切极片；

S5.烘烤极片；

S6.制备电池芯；

S7.焊接正负极极耳；

S8.入壳及封装电芯；

S9.烘烤电芯；

S10.注液、化成和分容电芯，获得成品。

在本发明所述的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池的制备方法中，包括：

(1)浆料的制备：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配置正极浆料，正极采用的材料及其重量百分比配比为：锰酸锂92%～95%、导电炭黑2%～4%或鳞片石墨0%～2%、聚偏氟乙烯2%～4%、余量为正极集流体，导电剂采用导电炭黑、鳞片石墨或碳纳米管中的一种或多种，首先根据浆料配比将聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌5～6小时，然后加入混合均匀的锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌10～12小时，得到的浆料过150目筛1～2次；

以去离子水为介质制备负极浆料，负极采用的材料及其重量百分比配比为：石墨烯89%～93%、导电炭黑0%～2%或碳纳米管0%～2%、丁苯橡胶2%～3%、羧甲基纤维素钠0%～2%、余量为负极集流体；负极材料采用石墨烯，首先根据浆料配比将羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌3～5小时，随后加入导电剂搅拌3～5小时，浆料过胶体磨以使导电剂得到完全分散，再加入负极材料搅拌3～5小时，随后加入丁苯橡胶搅拌1～2小时，得到的浆料过150目筛2～3次；

(2)正负极涂布：涂布采用间隙式涂布，根据极片设计要求预留极耳位，正极涂布使用的基材厚度为13～25um铝箔，负极使用基材厚度为9-15μm。

(3)极片辊压：正极压实密度为2.2～3.9g/cm3，负极压实密度为1.1～1.6g/cm3;

(4)极片横切和分切：根据电池极片的制作规格把辊压好的极片进行横切和分切出需要尺寸；

(5)极片烘烤：极片在真空状态下进行烘烤；

(6)电池芯的制备：电芯包括正极、负极以及正负极之间的隔膜，电芯采用隔膜／负极／隔膜／正极叠片式结构，所述的隔膜采用厚度为25um～40um的隔离膜；

(7)正负极极耳焊接：根据电池设计要求把正负极极耳焊接于正负极极片预留集流体上，极耳上留有纤维密封胶，正负极极耳焊接都采用超声焊并加以铆钉固定；

(8)电芯的入壳及封装：把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住;

(9)电芯烘烤：将电芯放入真空状态下烘烤；

(10)电池注液：在装有电芯的电池中注入电解液，然后热封电池另一侧边；

(11)电池化成和分容：采用夹具化成，化成工艺为0.02C充电2.5小时，0.1C充电2.5小时，0.2C充电4.2V，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.5C恒流充到4.2V，再在4.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.04C，然后以0.5C放电到3.0V。

实施本发明的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池及其制备方法，有益效果在于：

区别于现在技术中的电动车、储能电池的负极粘接粒度差、比能量低、功率小、容量小、放电效率低、内部结构稳定、使用寿命短和安全性差特别是防止短路现象发生问题，本技术方案中的动力电池大功率、大容量、放电效率高、使用寿命长、内部结构稳定、安全性好，对电池碰撞、挤压、穿刺、高空跌落等安全隐患起了极大保护作用和消除安全意外事故。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明锰酸锂和石墨烯组成的动力电池构造示意图。

具体实施方式

通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步了解本发明，但它们不是对本发明的限定。对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。

另外，除非特别说明，本发明中所采用的百分数均为重量百分数。

请参阅图1，本发明提供一种锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池3，包括正极6、负极4、隔膜5、电解液、电池壳体2，正极6与负极间设置隔膜，电解液设置于所述的电池壳体2中，正极6以及负极4的组分以及重量百分比为：

正极6包括92%～95%的正极活性物质、2%～4%的正极粘结剂、0%～4%的正极导电剂和余量为正极集流体；

负极4包括89%～93%的石墨烯、0%～2%负极导电剂、0%～2%增稠剂、2%～3%的负极粘结剂和余量为负极集流体。

正极活性物质采用锰酸锂材料，正极粘结剂采用聚偏氟乙烯，正极导电剂采用导电炭黑、导电石墨、鳞片石墨、碳纳米管中的一种或多种，正极集流体采用铝箔。

正极导电剂采用2%～4%的导电炭黑或0%～2%的鳞片石墨。

负极导电剂采用导电碳黑、导电石墨中的一种或多种；负极增稠剂采用羧甲基纤维素钠，负极粘结剂采用丁苯橡胶，负极集流体采用铜箔。

负极导电剂采用0%～2%的导电石墨或0%～2%的碳纳米管。

实施例1

(1)浆料的制备：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配置正极浆料，正极采用的材料及其重量百分比配比为：锰酸锂93%、导电炭黑3%、聚偏氟乙烯3%、余量为正极集流体，首先根据浆料配比将聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌5.5小时，然后加入混合均匀的锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌11小时，得到的浆料过150目筛1次；

以去离子水为介质制备负极浆料，负极采用的材料及其重量百分比配比为：石墨烯89%、导电炭黑0.5%、丁苯橡胶2%、羧甲基纤维素钠0.5%、余量为负极集流体；负极材料采用石墨烯，首先根据浆料配比将羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌3小时，随后加入导电剂搅拌3.5小时，浆料过胶体磨以使导电剂得到完全分散，再加入负极材料搅拌3小时，随后加入丁苯橡胶搅拌1.2小时，得到的浆料过150目筛2次；

(2)正负极涂布：涂布采用间隙式涂布，根据极片设计要求预留极耳位，正极涂布使用的基材厚度为15铝箔，负极使用基材厚度为9μm。

(3)极片辊压：正极压实密度为2.2g/cm3，负极压实密度为1.2g/cm3;

(4)极片横切和分切：根据电池极片的制作规格把辊压好的极片进行横切和分切出需要尺寸；

(5)极片烘烤：极片在真空状态下进行烘烤；

(6)电池芯的制备：电芯包括正极、负极以及正负极之间的隔膜，电芯采用隔膜／负极／隔膜／正极叠片式结构，所述的隔膜采用厚度为25um的隔离膜；

(7)正负极极耳焊接：根据电池设计要求把正负极极耳焊接于正负极极片预留集流体上，极耳上留有纤维密封胶，正负极极耳焊接都采用超声焊并加以铆钉固定；

(8)电芯的入壳及封装：把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住;

(9)电芯烘烤：将电芯放入真空状态下烘烤；

(10)电池注液：在装有电芯的电池中注入电解液，然后热封电池另一侧边；

(11)电池化成和分容：采用夹具化成，化成工艺为0.02C充电2.5小时，0.1C充电2.5小时，0.2C充电4.2V，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.5C恒流充到4.2V，再在4.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.04C，然后以0.5C放电到3.0V。

实施例2

(1)浆料的制备：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配置正极浆料，正极采用的材料及其重量百分比配比为：锰酸锂94%、导电炭黑3.5%、聚偏氟乙烯3.5%、余量为正极集流体，首先根据浆料配比将聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌5.7小时，然后加入混合均匀的锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌11.5小时，得到的浆料过150目筛1次；

以去离子水为介质制备负极浆料，负极采用的材料及其重量百分比配比为：石墨烯91%、导电炭黑1.5%、丁苯橡胶2.5%、羧甲基纤维素钠1.5%、余量为负极集流体；负极材料采用石墨烯，首先根据浆料配比将羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌4小时，随后加入导电剂搅拌4小时，浆料过胶体磨以使导电剂得到完全分散，再加入负极材料搅拌4小时，随后加入丁苯橡胶搅拌1.5小时，得到的浆料过150目筛2次；

(2)正负极涂布：涂布采用间隙式涂布，根据极片设计要求预留极耳位，正极涂布使用的基材厚度为20铝箔，负极使用基材厚度为12μm。

(3)极片辊压：正极压实密度为2.8g/cm3，负极压实密度为1.4g/cm3;

(4)极片横切和分切：根据电池极片的制作规格把辊压好的极片进行横切和分切出需要尺寸；

(5)极片烘烤：极片在真空状态下进行烘烤；

(6)电池芯的制备：电芯包括正极、负极以及正负极之间的隔膜，电芯采用隔膜／负极／隔膜／正极叠片式结构，所述的隔膜采用厚度为30um的隔离膜；

(7)正负极极耳焊接：根据电池设计要求把正负极极耳焊接于正负极极片预留集流体上，极耳上留有纤维密封胶，正负极极耳焊接都采用超声焊并加以铆钉固定；

(8)电芯的入壳及封装：把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住;

(9)电芯烘烤：将电芯放入真空状态下烘烤；

(10)电池注液：在装有电芯的电池中注入电解液，然后热封电池另一侧边；

(11)电池化成和分容：采用夹具化成，化成工艺为0.02C充电2.5小时，0.1C充电2.5小时，0.2C充电4.2V，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.5C恒流充到4.2V，再在4.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.04C，然后以0.5C放电到3.0V。

实施例3

(1)浆料的制备：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配置正极浆料，正极采用的材料及其重量百分比配比为：锰酸锂95%、磷片石墨1.8%、聚偏氟乙烯3.8%、余量为正极集流体，首先根据浆料配比将聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌6小时，然后加入混合均匀的锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌12小时，得到的浆料过150目筛2次；

以去离子水为介质制备负极浆料，负极采用的材料及其重量百分比配比为：石墨烯92%、导电炭黑2%、丁苯橡胶2.5%、羧甲基纤维素钠2%、余量为负极集流体；负极材料采用石墨烯，首先根据浆料配比将羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌4小时，随后加入导电剂搅拌4.5小时，浆料过胶体磨以使导电剂得到完全分散，再加入负极材料搅拌4.5小时，随后加入丁苯橡胶搅拌1.5小时，得到的浆料过150目筛2次；

(2)正负极涂布：涂布采用间隙式涂布，根据极片设计要求预留极耳位，正极涂布使用的基材厚度为23铝箔，负极使用基材厚度为14μm。

(3)极片辊压：正极压实密度为3.8g/cm3，负极压实密度为1.5g/cm3;

(4)极片横切和分切：根据电池极片的制作规格把辊压好的极片进行横切和分切出需要尺寸；

(5)极片烘烤：极片在真空状态下进行烘烤；

(6)电池芯的制备：电芯包括正极、负极以及正负极之间的隔膜，电芯采用隔膜／负极／隔膜／正极叠片式结构，所述的隔膜采用厚度为35um的隔离膜；

(7)正负极极耳焊接：根据电池设计要求把正负极极耳焊接于正负极极片预留集流体上，极耳上留有纤维密封胶，正负极极耳焊接都采用超声焊并加以铆钉固定；

(8)电芯的入壳及封装：把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住;

(9)电芯烘烤：将电芯放入真空状态下烘烤；

(10)电池注液：在装有电芯的电池中注入电解液，然后热封电池另一侧边；

(11)电池化成和分容：采用夹具化成，化成工艺为0.02C充电2.5小时，0.1C充电2.5小时，0.2C充电4.2V，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.5C恒流充到4.2V，再在4.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.04C，然后以0.5C放电到3.0V。

上述三个实施例制得的一种锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池，可达到如下技术指标：见表1。

表1

根据上述表1，三个实施例制得的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池动力电池容量大、放电效率高、使用寿命长、内部结构稳定、安全性好。

Claims (7)

1.一种锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池，包括正极、负极、隔膜、电解液、电池壳体，正极与负极间设置隔膜，电解液设置于所述的电池壳体中，其特征在于：正极以及负极的组分以及重量百分比为：

正极包括：92%～95%的正极活性物质、2%～4%的正极粘结剂、0%～4%的正极导电剂和余量为正极集流体；

负极包括：89%～93%的石墨烯、0%～2%负极导电剂、0%～2%增稠剂、2%～3%的负极粘结剂和余量为负极集流体。

2.根据权利要求1所述的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池，其特征在于：所述的正极活性物质采用锰酸锂材料，正极粘结剂采用聚偏氟乙烯，正极导电剂采用导电炭黑、导电石墨、鳞片石墨、碳纳米管中的一种或多种，正极集流体采用铝箔。

3.根据权利要求2所述的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池，其特征在于：所述的正极导电剂采用2%～4%的导电炭黑或0%～2%的鳞片石墨。

4.根据权利要求1所述的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池，其特征在于：负极导电剂采用导电碳黑、导电石墨中的一种或两种；负极增稠剂采用羧甲基纤维素钠；负极粘结剂采用丁苯橡胶；负极集流体采用铜箔。

5.根据权利要求4所述的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池，其特征在于：所述的负极导电剂采用0%～2%的导电石墨或0%～2%的碳纳米管。

6.权利要求1至5中任一项权利要求所述的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池的制备方法，其特征在于,包括以下步骤：

S1.制备浆料；

S2.涂布正负极；

S3.辊压极片；

S4.横切和分切极片；

S5.烘烤极片；

S6.制备电池芯；

S7.焊接正负极极耳；

S8.入壳及封装电芯；

S9.烘烤电芯；

S10.注液、化成和分容电芯，获得成品。

7.根据权利要求6所述的锰酸锂和石墨烯组成的纳米动力电池的制备方法，其特征在于，包括：

(1)浆料的制备：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配置正极浆料，正极采用的材料及其重量百分比配比为：锰酸锂92%～95%、导电炭黑2%～4%或鳞片石墨0%～2%、聚偏氟乙烯2%～4%、余量为正极集流体，导电剂采用导电炭黑、鳞片石墨或碳纳米管中的一种或多种，首先根据浆料配比将聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌5～6小时，然后加入混合均匀的锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌10～12小时，得到的浆料过150目筛1～2次；

以去离子水为介质制备负极浆料，负极采用的材料及其重量百分比配比为：石墨烯89%～93%、导电炭黑0%～2%或碳纳米管0%～2%、丁苯橡胶2%～3%、羧甲基纤维素钠0%～2%、余量为负极集流体；负极材料采用石墨烯，首先根据浆料配比将羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌3～5小时，随后加入导电剂搅拌3～5小时，浆料过胶体磨以使导电剂得到完全分散，再加入负极材料搅拌3～5小时，随后加入丁苯橡胶搅拌1～2小时，得到的浆料过150目筛2～3次；

(2)正负极涂布：涂布采用间隙式涂布，根据极片设计要求预留极耳位，正极涂布使用的基材厚度为13～25um铝箔，负极使用基材厚度为9～15μm。

(3)极片辊压：正极压实密度为2.2～3.9g/cm3，负极压实密度为1.1～1.6g/cm3;

(4)极片横切和分切：根据电池极片的制作规格把辊压好的极片进行横切和分切出需要尺寸；

(5)极片烘烤：极片在真空状态下进行烘烤；

(6)电池芯的制备：电芯包括正极、负极以及正负极之间的隔膜，电芯采用隔膜／负极／隔膜／正极叠片式结构，所述的隔膜采用厚度为25um～40um的隔离膜；

(7)正负极极耳焊接：根据电池设计要求把正负极极耳焊接于正负极极片预留集流体上，极耳上留有纤维密封胶，正负极极耳焊接都采用超声焊并加以铆钉固定；

(8)电芯的入壳及封装：把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住；

(9)电芯烘烤：将电芯放入真空状态下烘烤；

(10)电池注液：在装有电芯的电池中注入电解液，然后热封电池另一侧边；

(11)电池化成和分容：采用夹具化成，化成工艺为0.02C充电2.5小时，0.1C充电2.5小时，0.2C充电4.2V，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.5C恒流充到4.2V，再在4.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.04C，然后以0.5C放电到3.0V。

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