CN103545544A - 一种层叠式快速充电锂单体电池及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种层叠式快速充电锂单体电池，包括：正极片、负极片、电解液、隔膜、铝塑膜包装膜；所述正极片为集流体及表层涂敷正极活性材料层组成，所述负极片为集流体及表层涂敷负极活性材料层组成，所述正/负极片分别引出正极耳、负极耳，正/负极片通过隔膜分隔成层叠式结构封装在注入电解液的铝塑膜袋内，正极耳、负极耳外露在封装的铝塑膜袋外。本发明还提供了该电池的制备方法。本发明的优点如下：1)采用纳米级覆炭铝箔代替普通铝箔，改善正极材料在集流体表面的附着力；2）利用纳米碳纤维VGCF/碳纳米管CNT等导电剂提高材料的导电性能；3）同时降低正/负极工艺面密度，有利于电芯散热，防止温度过高导致内阻高，极大的提高了电池的倍率性能。

Description

一种层叠式快速充电锂单体电池及制备方法

技术领域：

本发明涉及一种用于直接将化学能转变为电能的装置或方法，尤其是涉及一种层叠式快速充电锂单体电池及制备方法。

背景技术：

在当今社会，能快速充放电能的储能装置非常重要，它们能广泛应用于混合电动汽车、插电式混合电动汽车，并能用作风能和太阳能发电设备的备用电源。人们通常相信：在电化学体系中只有超级电容器才能获得非常高的充放电倍率，超级电容器的功率密度很高，但能量密度很低。电动工具、电动汽车用电池需要快速充放电及其它特殊领域对锂电池的要求越来越高，迫切需要能快速充电的高倍率锂电池。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术不足之处而提供一种层叠式快速充电锂单体电池。该电池可用于电动汽车、电动工具、电动玩具、模型飞机及其它特殊领域，以解决现有技术存在的不足。

本发明的另一个目的是提供一种层叠式快速充电锂单体电池的制备方法。

本发明的目的是通过以下措施来实现：一种层叠式快速充电锂单体电池，包括正极片、负极片、电解液，其特征在于，还有隔膜、铝塑膜包装膜；其中：

所述正极片为集流体及表层涂敷正极活性材料层组成，所述集流体为纳米级覆炭铝箔，正极活性材料层以重量百分比计包括以下组分：活性材料  50%-99%、导电剂  0%-20%、聚偏二氟乙烯粘结剂PVDF 0%-10%，所述正极活性材料选自磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂中的一种或几种以上组合，所述导电剂选自纳米碳纤维VGCF、碳纳米管CNT、超导电炭黑、导电石墨中的一种或几种混合物； 

所述负极片为集流体及表层涂敷负极活性材料层组成，所述集流体为铜箔，负极活性材料层以重量百分比计包括以下组分：所述负极活性材料50%-99%、导电剂0%-20%、粘结剂0%-10%，所述负极活性材料选自石墨、硬碳、钛酸锂中的一种或几种以上组合，所述导电剂选自纳米碳纤维VGCF、碳纳米管CNT、超导电炭黑中的一种或几种以上组合，所述粘结剂选自羧甲基纤维素钠CMC、苯乙烯丁二烯系橡胶乳胶SBR、聚偏二氟乙烯PVDF中的一种或一种以上；

所述隔膜为单层聚丙烯膜、或两层聚丙烯膜中夹有聚乙烯膜；

所述正/负极片分别引出正极耳、负极耳，正/负极片通过隔膜分隔成层叠式结构封装在注入电解液的铝塑膜袋内，正极耳、负极耳外露在封装的铝塑膜袋外。

所述纳米级覆炭铝箔厚度为10～40微米。 

所述铜箔厚度为6～20微米。

所述隔膜厚度为12～45微米。

一种层叠式快速充电锂单体电池的制备方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、正极片制备：

1.1  制作正极集流体纳米级覆炭铝箔；

1.2 配备正极活性材料  

所述正极活性材料浆料以重量百分比计包括以下组分：N-甲基吡咯烷酮溶剂 30%-70%、活性材料50%-99%、导电剂0-20%、聚偏二氟乙烯粘结剂 0-10 %，所述正极活性材料选自磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂中的一种或几种以上组合，所述导电剂选自纳米碳纤维VGCF、 碳纳米管CNT、超导电炭黑、导电石墨中的一种或几种混合物，各材料在120℃条件下真空烘烤8小时；

1.3  制备正极活性材料浆料

1.3.1 按配比取N-甲基吡咯烷酮溶剂NMP、导电剂一种或两种，高速3000-5000rpm搅拌1～1.5小时，分散线速度不低于15m/s；

   1.3.2 按配比加粘结剂聚偏二氟乙烯粘结剂PVDF，在真空条件下搅拌4～6小时；

   1.3.3 按配比加一种或多种活性材料，在真空条件下搅拌8～16小时；

   1.3.4测粘度、抽真空除气泡、过筛、出料；

   1.4 将制备好的浆料均匀涂布在纳米级覆炭铝箔上，N2环境下80℃真空烘烤8小时，辊压，真空保存备用；

步骤二、负极片制备：

   2.1 制作负极集流体铜箔；

2.2 配备负极活性材料

所述负极活性材料浆料以重量百分比计包括以下组分：N-甲基吡咯烷酮溶剂30%-70%、所述负极活性材料50%-99%、导电剂0-20%、粘结剂0-10%，所述负极活性材料选自石墨、硬碳、钛酸锂中的一种或几种以上组合，所述导电剂选自纳米碳纤维VGCF、 碳纳米管CNT、超导电炭黑中的一种或几种以上组合，所述粘结剂选自羧甲基纤维素钠CMC、苯乙烯丁二烯系橡胶乳胶SBR、聚偏二氟乙烯PVDF中的一种，各材料在120℃条件下真空烘烤8小时；

 2.3制备负极活性材料浆料

 2.3.1按配比取N-甲基吡咯烷酮溶剂NMP或水任选一种、导电剂一种或两种，高速3000-5000rpm搅拌1～1.5小时；

 2.3.2 按配比加粘结剂聚偏二氟乙烯粘结剂PVDF，在真空条件下搅拌4～6小时；

2.3.3按配比加一种或多种活性材料，在真空条件下搅拌6～8小时；

2.3.4测粘度、抽真空除气泡、过筛、出料；

2.4将制备好的浆料均匀涂布在铜箔上，N2环境下80℃真空烘烤8小时，继之辊压，真空保存备用；

步骤三、制作锂电单体电池：

3.1将制备好的正/负极极片分别按规定尺寸冲片；

3.2正极片/负极片通过单层聚丙烯膜、或两层聚丙烯膜中夹有聚乙烯膜的组合隔膜分隔，焊接正/负极耳，封装在铝塑膜袋内，顶侧封后在N2环境下，80℃真空烘烤48小时；

3.3注入电解液，经一次封口、化成、分容、老化7天后完成制备。

与现有技术相比，本发明提出的层叠式快速充电锂单体电池及制备方法，具有如下优点：1）本发明采用纳米级覆炭铝箔代替普通铝箔，改善正极材料在集流体表面的附着力，减少材料在充放电过程中产生掉料的问题，并降低充放电过程中在集流体表面产生的体积效应；2）利用纳米碳纤维VGCF/碳纳米管CNT等导电剂提高材料的导电性能；3）同时降低正/负极工艺面密度，本发明的工艺面密度仅为传统高倍率锂电池电芯厚度的1/2~1/3，降低了离子和电子的传递距离和电流密度，有利于电芯散热，防止温度过高导致内阻高，降低电芯的倍率性能，因而极大的提高了电池的倍率性能。按本发明方法制备的锂电池具有时体积小、质量轻的优点，提高了本款电池的功率能量密度，取得了好的经济和社会效益。

附图说明：  

图1是本发明提出的一个实施例结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对具体实施结构作详细说明：在图1所示本发明的一个实施例中，一种层叠式快速充电锂单体电池，包括正极耳1、正极片3、负极耳2、负极片5、电解液，隔膜4、铝塑膜6；其中：

所述正极片3为集流体及表层涂敷正极活性材料层组成，所述集流体为纳米级覆炭铝箔，正极活性材料层以重量百分比计包括以下组分：活性材料50-99  %、导电剂0-20 %、聚偏二氟乙烯粘结剂0-10 %，所述正极活性材料选自磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂中的一种或几种以上组合，所述导电剂选自纳米碳纤维、碳纳米管、导电炭黑、导电石墨中的一种或几种混合物。

所述负极片5为集流体及表层涂敷负极活性材料层组成，所述集流体为铜箔，负极活性材料层以 重量 百分比计包括以下组分：所述负极活性材料50-99  %、导电剂0-20 %、粘结剂0-10%，所述负极活性材料选自石墨、硬碳、钛酸锂中的一种或几种以上组合，所述导电剂选自纳米碳纤维、 碳纳米管、超导电炭黑中的一种或几种以上组合，所述粘结剂选自羧甲基纤维素钠、苯乙烯丁二烯系橡胶乳胶、聚偏二氟乙烯中的一种。

所述隔膜4为单层聚丙烯膜、或两层聚丙烯膜中夹有聚乙烯膜。

所述正/负极片分别引出正极耳1、负极耳2，正极片3、负极片5通过隔膜4分隔成层叠式结构封装在注入电解液3的铝塑膜袋5内，正极耳1、负极耳2外露在封装的铝塑膜袋外。

下面进一步结合具体实施例说明制备方法：

实施例1 

步骤一、正极片制备

配备正极活性材料：按照磷酸铁锂90%、纳米碳纤维VGCF3.5%、 SP 2.0%、PVDF 4.5%的比例准确称取各种原料，并在120℃条件下真空烘烤8小时，溶剂采用NMP，固含量48%。

按照如下工步制备浆料：

1）加NMP和导电剂纳米碳纤维VGCF，根据工艺参数1500rpm低速搅拌1～1.5小时；

2) 加导电剂导电炭黑SP，根据工艺参数2500rpm搅拌0.5～1.0小时；

3）加粘结剂PVDF，根据工艺参数4000rpm真空搅拌4～6小时；

4）加正极活性物质磷酸铁锂，根据工艺参数4500rpm真空搅拌8～16小时；

5）测粘度6000cp，抽真空除气泡、用150目筛过筛、出料；

    将制备好的浆料均匀涂布在厚20微米的纳米级覆炭铝箔上，N₂ 气氛烘烤8小时，按照工艺要求辊压，真空保存备用。   

步骤二、负极片制备

配备负极活性材料：：按照石墨92.5%、纳米碳纤维VGCF 2.5%、导电炭黑SP 2%、PVDF 3.0%的比例准确称取各种原料，并在120℃条件下真空烘烤8小时，溶剂采用NMP，固含量42%。

按照如下工步制备浆料：

1）加NMP和导电剂纳米碳纤维VGCF，根据工艺参数低速1500rpm搅拌1～1.5小时；

2）加导电剂导电炭黑SP，根据工艺参数搅拌0.5～1.0小时；

3）加粘结剂PVDF，根据工艺参数真空搅拌4～6小时；

4) 加石墨，快速真空搅拌6～8小时；               

5) 测粘度，除气泡、过筛、出料 

     将制备好的浆料均匀涂布在厚10微米的铜箔上，N₂ 气氛烘烤8小时，按照工艺要求辊压，真空保存备用。   

 步骤三、制作锂电单体电池：

 将制备好的正、负极极片分别用尺寸38*115毫米和40*117毫米的刀模冲片，用厚20微米的聚丙烯膜隔膜叠片，焊接极耳，采用铝塑膜制成软包锂电池，顶侧封后氮气氛80℃烘烤48小时。注入电解液后，经一次封口、化成、分容、老化7天后得到快速充电高倍率锂电池。

实施例2

配备正极活性材料：镍钴锰酸锂NCM92%、纳米碳纤维VGCF3.5%、导电炭黑 SP 2.0%、PVDF 2.5%的比例准确称取各种原料，并在120℃条件下真空烘烤8小时，溶剂采用NMP，固含量48%。

配备负极活性材料：硬碳93%、纳米碳纤维VGCF 2.5%、SP2%、PVDF 2.5%的比例准确称取各种原料，并在120℃条件下真空烘烤8小时，溶剂采用NMP，固含量42%。

其余步骤同实施例1。

按本发明提出的方法制作的锂单体电池具有以下优势：

可快速充电，节约充电时间，方便使用，同时可高倍率放电（充电10C，放电50-100C）。

上面结合附图描述了本发明的实施方式，实施例给出的结构并不构成对本发明的限制，本领域内熟练的技术人员在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改均在保护范围内。

Claims (5)

1.一种层叠式快速充电锂单体电池，包括正极片、负极片、电解液，其特征在于，还有隔膜、铝塑膜包装膜；其中：

所述正极片为集流体及表层涂敷正极活性材料层组成，所述集流体为纳米级覆炭铝箔，正极活性材料层以重量百分比计包括以下组分：活性材料  50%-99%、导电剂  0%-20%、聚偏二氟乙烯粘结剂PVDF 0%-10%，所述正极活性材料选自磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂中的一种或几种以上组合，所述导电剂选自纳米碳纤维VGCF、碳纳米管CNT、超导电炭黑、导电石墨中的一种或几种混合物； 

所述负极片为集流体及表层涂敷负极活性材料层组成，所述集流体为铜箔，负极活性材料层以重量百分比计包括以下组分：所述负极活性材料50%-99%、导电剂0%-20%、粘结剂0%-10%，所述负极活性材料选自石墨、硬碳、钛酸锂中的一种或几种以上组合，所述导电剂选自纳米碳纤维VGCF、碳纳米管CNT、超导电炭黑中的一种或几种以上组合，所述粘结剂选自羧甲基纤维素钠CMC、苯乙烯丁二烯系橡胶乳胶SBR、聚偏二氟乙烯PVDF中的一种或一种以上；

所述隔膜为单层聚丙烯膜、或两层聚丙烯膜中夹有聚乙烯膜；

所述正/负极片分别引出正极耳、负极耳，正/负极片通过隔膜分隔成层叠式结构封装在注入电解液的铝塑膜袋内，正极耳、负极耳外露在封装的铝塑膜袋外。

2.根据权利要求1所示的层叠式快速充电锂单体电池，其特征在于，所述纳米级覆炭铝箔厚度为10～40微米。

3.根据权利要求1所示的层叠式快速充电锂单体电池，其特征在于，所述铜箔厚度为6～20微米。

4.根据权利要求1所示的层叠式快速充电锂单体电池，其特征在于，所述隔膜厚度为12～45微米。

5.根据权利要求1所示的层叠式快速充电锂单体电池的制备方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、正极片制备：

1.1制作正极集流体纳米级覆炭铝箔；

1.2配备正极活性材料

所述正极活性材料浆料以重量百分比计包括以下组分：N-甲基吡咯烷酮溶剂30％-70％、活性材料50％-99％、导电剂0-20％、聚偏二氟乙烯粘结剂0-10％，所述正极活性材料选自磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂中的一种或几种以上组合，所述导电剂选自 纳米碳纤维VGCF、碳纳米管CNT、超导电炭黑、导电石墨中的一种或几种混合物，各材料在120℃条件下真空烘烤8小时；

1.3制备正极活性材料浆料

1.3.1按配比取N-甲基吡咯烷酮溶剂NMP、导电剂一种或两种，高速3000-5000rpm搅拌1～1.5小时，分散线速度不低于15m/s；

1.3.2按配比加粘结剂聚偏二氟乙烯粘结剂PVDF，在真空条件下搅拌4～6小时；

1.3.3按配比加一种或多种活性材料，在真空条件下搅拌8～16小时；

1.3.4测粘度、抽真空除气泡、过筛、出料；

1.4将制备好的浆料均匀涂布在纳米级覆炭铝箔上，N2环境下80℃真空烘烤8小时，辊压，真空保存备用；

步骤二、负极片制备：

2.1制作负极集流体铜箔；

2.2配备负极活性材料

所述负极活性材料浆料以重量百分比计包括以下组分：N-甲基吡咯烷酮溶剂30％-70％、所述负极活性材料50％-99％、导电剂0-20％、粘结剂0-10％，所述负极活性材料选自石墨、硬碳、钛酸锂中的一种或几种以上组合，所述导电剂选自纳米碳纤维VGCF、碳纳米管CNT、超导电炭黑中的一种或几种以上组合，所述粘结剂选自羧甲基纤维素钠CMC、苯乙烯丁二烯系橡胶乳胶SBR、聚偏二氟乙烯PVDF中的一种，各材料在120℃条件下真空烘烤8小时；

2.3制备负极活性材料浆料

2.3.1按配比取N-甲基吡咯烷酮溶剂NMP或水任选一种、导电剂一种或两种，高速3000-5000rpm搅拌1～1.5小时；

2.3.2按配比加粘结剂聚偏二氟乙烯粘结剂PVDF，在真空条件下搅拌4～6小时；

2.3.3按配比加一种或多种活性材料，在真空条件下搅拌6～8小时；

2.3.4测粘度、抽真空除气泡、过筛、出料；

2.4将制备好的浆料均匀涂布在铜箔上，N2环境下80℃真空烘烤8小时，继之辊压，真空保存备用；

步骤三、制作锂电单体电池：

3.1将制备好的正/负极极片分别按规定尺寸冲片；

3.2正极片/负极片通过单层聚丙烯膜、或两层聚丙烯膜中夹有聚乙烯膜的组合隔膜分隔，焊 接正/负极耳，封装在铝塑膜袋内，顶侧封后在N2环境下，80℃真空烘烤48小时；

3.3注入电解液，经一次封口、化成、分容、老化7天后完成制备。