CN103682415A - 一种高能量密度锂离子电池及其制备工艺 - Google Patents

一种高能量密度锂离子电池及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种高能量密度锂离子电池及其制备工艺，旨在解决现有技术的电池采用的正极材料或结构不稳定、或比容量低、或热稳定性差，电池的能力密度较低的不足，该高能量密度锂离子电池，包括电池壳体、设置在壳体内的芯体和填充在壳体内的电解液，所述芯体由正极片、负极片和贴设于正极片与负极片之间的隔膜构成，所述正极片和负极片分别由正、负极集流体和粘结于其上的正、负极材料层组成，正极材料采用的正极活性物质为LiNixCoyAlzO2，0.7≤x≤0.9；0.05≤y≤0.1；x+y+z=1。该高能量密度电池具有结构稳定，比容量高，热稳定性好的优点。

Description

一种高能量密度锂离子电池及其制备工艺
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种高能量密度锂离子电池及其制备工艺。
背景技术
 锂离子电池因其电压高、能量密度高、循环寿命长、环境污染小等优点倍受青睐，但随着电子信息技术的快速发展，对锂离子电池的性能也提出了更高的要求，正极材料作为锂离子电池中最关键的材料，它的发展也最值得关注。目前常见的锂离子电池正极材料主要有层状结构的钴酸锂、镍酸锂，尖晶石结构的锰酸锂和橄榄石结构的磷酸铁锂，锰酸锂除了尖晶石结构的LiMn2O4外，还有层状结构的LiMnO2，其中层状LiMnO2比容量较大，但其属于热力学亚稳态，结构不稳定，存在Jahn-Teller效应而循环性能较差；尖晶石结构LiMn2O4工艺简单，价格低廉，充放电电压高，对环境友好，安全性能优异，但比容量较低，高温下容量衰减较严重；磷酸铁锂其安全性高、成本较低，但存在放电电压低（3.4V）、振实密度低等不足；层状钴酸锂（LiCoO2）制备工艺简单，充放电电压较高，但是，因钴资源稀少、成本较高、环境污染较大和抗过充能力较差，其发展空间受到限制；镍酸锂（LiNiO2）比容量较大，但是制备时易生成非化学计量比的产物，结构稳定性和热稳定性差。上述几种正极材料的缺点都制约了其自身的进一步应用，寻找新的正极材料成了研究的重点。
中国专利公布号CN102157753A，公布日2011年8月17日，公开了一种快充高功率卷绕柱式锂离子电池，包括正极片、负极片、多孔隔离膜、依次卷绕成为柱式芯体，并在芯体外套装金属外壳、电解液注入金属壳体中，其正极材料为钴酸锂、锰酸锂、三元素材料、镍钴铝酸锂、磷酸亚铁锂中的一种或几种，负极材料为石墨、钛酸锂中的一种或几种，正极集流体为厚度8~30μm的预处理铝箔或铝网，负极流体为厚度8~30μm的铜箔、铜网或铁镀镍箔或铁镀镍网，该发明实现了电池高功率输出和快速充电，不足之处是：所采用的正极材料结构不稳定、比容量低、热稳定性差，电池的能力密度较低。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的电池采用的正极材料结构不稳定、比容量低、热稳定性差，电池的能量密度较低的不足，提供了一种结构稳定，比容量高，热稳定性好的高能量密度锂离子电池。
本发明另一目的在于提供一种高能量密度锂离子电池的制备工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 
一种高能量密度锂离子电池，包括电池壳体、设置在壳体内的芯体和填充在壳体内的电解液，所述芯体由正极片、负极片和贴设于正极片与负极片之间的隔膜构成，所述正极片和负极片分别由正、负极集流体和粘结于其上的正、负极材料层组成，正极材料采用的正极活性物质为LiNixCoyAlzO2，0.7≤x≤0.9；0.05≤y≤0.1； x+y+z=1。LiCoO2，LiNiO2同为α-NaFeO2结构，且Ni、Co为同周期相邻元素，因此它们能以任意比例混合形成固溶体并且保持层状结构不变，具有很好的结构互补性，同时，它们在电化学性能上互补性也很好，层状Li-Ni-Co-Al-O系列材料（NCA材料）较好地兼备了以上的优点，弥补了由于只有Ni，Co的层状结构而导致的结构不稳定的缺点，Ni含量的提高可以大大提高电池的容量。
作为优选，正极片的正极材料由下列重量百分比的组分组成：正极活性物质 75~98%，导电剂1~15%，粘结剂1~10%；负极片的负极材料由下列重量百分比的组分组成：负极材料89~96%，导电剂1~8%，羧甲基纤维素钠1~3%，丁苯橡胶2~4%。正极材料和负极材料的配方和组成合理，各组分配制成的正、负极浆料均匀性好，正、负极浆料的稳定性高，涂覆后获得的正、负极片敷料均匀，正、负电极的吸液性能和保液性能好，正、负极片上的正极涂层不易剥落，可以提高倍率性能和循环稳定性能。
作为优选，所述导电剂为导电炭黑、超导碳、导电石墨、鳞片石墨、碳纳米管中的一种或者几种，粘结剂为聚偏氟乙烯，负极材料为天然石墨、人造石墨、中间相炭微球、聚合物炭中的一种或几种。
作为优选，所述正极片采用铝箔作为集流体，铝箔的厚度为15~20μm；所述负极片采用铜箔作为集流体，铜箔的厚度为10~15μm。
作为优选，所述隔膜为陶瓷涂层隔膜。
作为优选，所述电解液中电解质为LiPF6，溶剂为EC、DEC、PC、DMC和EMC中至少2种的等比例混合物。
一种高能量密度锂离子电池的制备工艺，包括正极和负极浆料的制备、正极和负极涂布、正极和负极制片、正极和负极极片烘烤、正极和负极极片叠片、封装、电芯烘烤、注液、抽空、化成、抽空、分容，正极和负极极片的烘烤温度为90~130℃，真空度为-0.085~-0.095MPa，烘烤时间为12~24小时，烘烤过程中连续抽真空。二次抽空操作可以充分去除电解液内的气泡，同时可以防止正、负极极片褶皱，在高真空度条件下烘烤正、负极片，烘烤效率高，烘烤后的正、负极材料涂层均匀致密，涂层内部不会出现孔隙，正、负极片质量好。
作为优选，电芯烘烤温度为50~80℃，真空度为-0.085~-0.095MPa，连续抽真空，烘烤时间为12~24小时。在高真空度条件下烘烤，烘烤效率高，不会损坏电芯，电芯报废率低。
作为优选，注液过程中，注液量为5g~8.5g/Ah。注液量是否适当既关系到新电池放电之后能否用配套充电器充足电，又关系到电池无需补水而具有漫长使用寿命的关键性问题；最适的电池注液量涉及电池组装所用的电池壳、极板、隔板等材料，电池的内阻和已确定的初充电工艺，以及环境温度，电池散热条件等与电池内容积和初充电失水相关的多方因素，本发明将注液量设定为5~8.5g/Ah，充分考虑了上述因素，在此注液量下，本发明的高能量密度电池充放电性能优良，电池使用寿命长。
作为优选，化成过程中充电电压控制在4.2~4.7V。充电电压控制在4.2~4.7V，防止Li拖欠量大，导致材料结构破坏，影响材料性能；也防止电压过高，电解液分解，影响电池化学性能。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的高能量密度锂离子电池工作电压范围宽（2.2~4.8V），电池的放电电压平台＞3.6V，明显优于现有的磷酸铁锂锂离子电池的3.2V；（2）本发明的高能量密度锂离子电池容量大，能量密度高，可以达到200wh/kg； 
（3）本发明的高能量密度锂离子电池采用的正极材料热稳定性好，电池具有良好的高温循环性能，使用寿命长。
附图说明
图1实施例1的高能量密度电池充放电曲线见图；
图2实施例2的高能量密度电池充放电曲线见图；
图3实施例3的高能量密度电池充放电曲线见图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
实施例1：
一种高能量密度锂离子电池，包括电池壳体、壳体内的芯体和填充在壳体内的电解液，所述芯体由正极片、负极片和贴设于正极片与负极片之间的隔膜构成，所述隔膜采用陶瓷涂层隔膜，所述正极片和负极片分别由正、负极集流体和粘结于其上的正、负极材料层组成，正极材料采用的正极活性物质为LiNi0.7Co0.1Al0.2（购自台湾铁研科技股份有限公司）；
正极材料各组分的配比为：正极活性物质75%，导电炭黑5%，超导碳5%，导电石墨5%，聚偏氟乙烯10%（HSV900和HSV5130按1:1混合，购自法国阿科玛公司）；负极材料各组分的配比为：天然石墨69%，人造石墨20%，碳纳米管4%，超导碳4%，羧甲基纤维素钠1%，丁苯橡胶2%，上述各组分的配比均为重量百分比；
将正极材料按常规工艺在N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合均匀，制成正极浆料，将正极浆料均匀涂覆在铝箔集流体上，铝箔的厚度为15μm，然后在90℃，真空度-0.095Mpa的条件下对正极片进行烘烤，烘烤时间为24小时，烘烤过程中不间断的抽真空，烘烤好的正极片进行辊压，制得厚度为115μm、压实密度为3.0g/cm3的正极片，然后对正极片进行剪裁，获得尺寸为208mm×132mm×0.162mm的成品正极片；
将负极材料按常规工艺在去离子水中混合均匀，制成负极浆料，将负极浆料均匀涂覆在铜箔激流体上，铜箔的厚度为10μm，然后在90℃，真空度-0.095Mpa的条件下对负极片进行烘烤，烘烤时间为24小时，烘烤过程中不间断的抽真空；烘烤好的负极片进行辊压，制得厚度为140μm、压实密度为1.3g/cm3的负极片，然后对负极片进行剪裁，获得尺寸为208mm×132mm×0.162mm的成品负极片；
按照叠片模式将成品正极片、陶瓷涂层隔膜、成品负极片叠制成电芯，电芯分别与铝极耳和铜极耳焊接，并用铝塑膜热封，然后将电芯在50℃、真空度为-0.095Mpa的条件下烘烤24小时，烘烤过程中不间断抽真空；
电芯烘烤完成后，按5g/Ah向电池内注入电解液，电解液中电解质为LiPF6，溶剂采用EC和DEC的等比例混合物，LiPF6的浓度为1.2mmol/L，封装后浸润36h，然后对电芯抽真空，抽空完成后在60℃干燥箱中干燥24h，然后经2.7~4.2V电压化成，化成完成后再次对电芯抽真空，得到高能量密度电池，如图1，在2.7-4.5V条件下1C放电容量为15799mAh，其平均工作电压为3.671V，电池重量为0.285kg，由此得出该实施例1电池的能量密度为203.50Wh/kg。
实施例2
一种高能量密度锂离子电池，包括电池壳体、设置在壳体内的芯体和填充在壳体内的电解液，所述芯体由正极片、负极片和贴设于正极片与负极片之间的隔膜构成，所述隔膜采用陶瓷涂层隔膜，所述正极片和负极片分别由正、负极集流体和粘结于其上的正、负极材料层组成，正极材料采用的正极活性物质为LiNi0.9Co0.05Al0.05（购自台湾铁研科技股份有限公司）；
正极材料各组分的配比为：正极活性物质98%，鳞片石墨1%，聚偏氟乙烯1%（Solvay 6022，购自美国苏威公司）；负极材料各组分的配比为：中间相炭微球75%，聚合物炭21%，鳞片石墨1%，羧甲基纤维素钠1%，丁苯橡胶2%，上述各组分的配比均为重量百分比；
将正极材料按常规工艺在N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合均匀，制成正极浆料，将正极浆料均匀涂覆在铝箔集流体上，铝箔的厚度为20μm，然后在130℃，真空度-0.085Mpa的条件下对正极片进行烘烤，烘烤时间为12小时，烘烤过程中不间断的抽真空，烘烤好的正极片进行辊压，制得厚度为115μm、压实密度为3.0g/cm3的正极片，然后对正极片进行剪裁，获得尺寸为208mm×132mm×0.162mm的成品正极片；
将负极材料按常规工艺在去离子水中混合均匀，制成负极浆料，将负极浆料均匀涂覆在铜箔激流体上，铜箔的厚度为15μm，然后在130℃，真空度-0.085Mpa的条件下对负极片进行烘烤，烘烤时间为12小时，烘烤过程中不间断的抽真空；烘烤好的负极片进行辊压，制得厚度为140μm、压实密度为1.3g/cm3的负极片，然后对负极片进行剪裁，获得尺寸为208mm×132mm×0.162mm的成品负极片；
按照叠片模式将成品正极片、陶瓷涂层隔膜、成品负极片叠制成电芯，电芯分别与铝极耳和铜极耳焊接，并用钢壳热封，然后将电芯在80℃、真空度为-0.085Mpa的条件下烘烤12小时，烘烤过程中不间断抽真空；
电芯烘烤完成后，按8.5g/Ah向电池内注入电解液，电解液中电解质为LiPF6，溶剂采用PC和DMC的等比例混合物，LiPF6的浓度为1.5mmol/L，封装后浸润36h，然后对电芯抽空，抽空完成后在60℃干燥箱中干燥24h，然后经2.7~4.2V电压化成，化成完成后再次对电芯抽真空，得到高能量密度电池，如图2，在2.7-4.4V条件下1C放电容量为15084mAh，其平均工作电压为3.663V，电池重量为0.284kg，由此得出该实验电池的能量密度为194.55Wh/kg。
,实施例3
一种高能量密度锂离子电池，包括电池壳体、设置在壳体内的芯体和填充在壳体内的电解液，所述芯体由正极片、负极片和贴设于正极片与负极片之间的隔膜构成，所述隔膜采用陶瓷涂层隔膜，所述正极片和负极片分别由正、负极集流体和粘结于其上的正、负极材料层组成，正极材料采用的正极活性物质为LiNi0.8Co0.15Al0.05（购自台湾铁研科技股份有限公司）；
正极材料各组分的配比为：正极活性物质85%，碳纳米管10%，聚偏氟乙烯5%（Kureha 1700和 Kureha 9200按1:1混合，购自日本吴羽公司）；负极材料各组分的配比为：天然石墨90%，碳纳米管4%，羧甲基纤维素钠2%，丁苯橡胶4%，上述各组分的配比均为重量百分比；
将正极材料按常规工艺在N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合均匀，制成正极浆料，将正极浆料均匀涂覆在铝箔集流体上，铝箔的厚度为15μm，然后在110℃，真空度-0.09Mpa的条件下对正极片进行烘烤，烘烤时间为18小时，烘烤过程中不间断的抽真空，烘烤好的正极片进行辊压，制得厚度为115μm、压实密度为3.0g/cm3的正极片，然后对正极片进行剪裁，获得尺寸为208mm×132mm×0.162mm的成品正极片；
将负极材料按常规工艺在去离子水中混合均匀，制成负极浆料，将负极浆料均匀涂覆在铜箔激流体上，铜箔的厚度为10μm，然后在110℃，真空度-0.09Mpa的条件下对负极片进行烘烤，烘烤时间为18小时，烘烤过程中不间断的抽真空；烘烤好的负极片进行辊压，制得厚度为140μm、压实密度为1.3g/cm3的负极片，然后对负极片进行剪裁，获得尺寸为208mm×132mm×0.162mm的成品负极片；
按照叠片模式将成品正极片、陶瓷涂层隔膜、成品负极片叠制成电芯，电芯分别与铝极耳和铜极耳焊接，并用铝塑膜热封，然后将电芯在65℃、真空度为-0.09Mpa的条件下烘烤18小时，烘烤过程中不间断抽真空；
电芯烘烤完成后，按5g/Ah向电池内注入电解液，电解液中电解质为LiPF6，溶剂采用EMC和DMC的等比例混合物，LiPF6的浓度为1.3mmol/L，封装后浸润36h，然后对电芯抽空，抽空完成后在60℃干燥箱中干燥24h，然后经2.7~4.2V电压化成，化成完成后再次对电芯抽真空，得到高能量密度电池，如图3，在2.7-4.4V条件下1C放电容量为15573mAh，其平均工作电压为3.680V，电池重量为0.284kg，由此得出该实验电池的能量密度为201.8Wh/kg。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种高能量密度锂离子电池，包括电池壳体、设置在壳体内的芯体和填充在壳体内的电解液，所述芯体由正极片、负极片和贴设于正极片与负极片之间的隔膜构成，所述正极片和负极片分别由正、负极集流体和粘结于其上的正、负极材料层组成，其特征在于，正极材料采用的正极活性物质为LiNixCoyAlzO2，0.7≤x≤0.9；0.05≤y≤0.1； x+y+z=1。
2.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于，正极片的正极材料由下列重量百分比的组分组成：正极活性物质 75~98%，导电剂1~15%，粘结剂1~10%；负极片的负极材料由下列重量百分比的组分组成：负极材料89~96%，导电剂1~8%，羧甲基纤维素钠1～3%，丁苯橡胶2～4%。
3.根据权利要求2所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述导电剂为导电炭黑、超导碳、导电石墨、鳞片石墨、碳纳米管中的一种或者几种，粘结剂为聚偏氟乙烯，负极材料为天然石墨、人造石墨、中间相炭微球、聚合物炭中的一种或几种。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述正极片采用铝箔作为集流体，铝箔的厚度为15~20μm；所述负极片采用铜箔作为集流体，铜箔的厚度为10~15μm。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述隔膜为陶瓷涂层隔膜。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述电解液中电解质为LiPF6，溶剂为EC、DEC、PC、DMC和EMC中至少2种的等比例混合物。
7.一种权利要求1至6中任意一项所述的高能量密度锂离子电池的制备工艺，包括正极和负极浆料的制备、正极和负极涂布、正极和负极制片、正极和负极极片烘烤、正极和负极极片叠片、封装、电芯烘烤、注液、抽真空、化成、抽真空、分容，其特征在于，正极片和负极片的烘烤温度为90～130℃，真空度为-0.085~-0.095MPa，烘烤时间为12～24小时，烘烤过程中连续抽真空。
8.根据权利要求7所述的一种高能量密度锂离子电池的制备工艺，其特征在于：电芯烘烤温度为50～80℃，真空度为-0.085~-0.095MPa，烘烤时间为12～24小时，烘烤过程中连续抽真空。
9.根据权利要求7所述的一种高能量密度锂离子电池的制备工艺，其特征在于：注液过程中，注液量为5g~8.5g/Ah。
10.根据权利要求7所述的一种高能量密度锂离子电池的制备工艺，其特征在于：化成过程中充电电压控制在4.2~4.7V。
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