CN103700863B - 一种高倍率软包装锂离子二次电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高倍率软包装锂离子二次电池,包括外包装膜,在外包装膜内设有正极片,隔离膜,负极片以及电解液,所述正极片包括铝箔片,在铝箔片表面设有由正极活性物质、导电剂、粘合剂组成的正极物质层,所述正极活性物质由两种工作电压不同的钴酸锂、磷酸亚铁锂混合组成,在铝箔片上设有多个正极导通孔,在正极物质层上设有与导通孔对应的正极孔隙,所述电解液能够通过所述正极导通孔和正极孔隙通过;所述负极片包括铜箔片,在铜箔片表面设有由负极活性物质、导电剂、粘合剂组成的负极物质层,所述负极活性物质为碳材料,在铜箔片上设有多个负极导通孔,在负极物质层上设有与导通孔对应的负极孔隙,所述电解液能够通过所述负极导通孔和负极孔隙通过。

Description

一种高倍率软包装锂离子二次电池及其制备方法
[技术领域]
本发明涉及一种高倍率软包装锂离子二次电池,尤其涉及一种用于航模、车模、船模玩具以及电动玩具上的锂离子二次电池。
[背景技术]
当今世界许多国家和地区对环保的要求越来越高,传统的一些电池产品如铅酸、镍镉、镍氢电池的应用范围将受到越来越严格的限制,锂离子电池是一种绿色高能可充电电池。由于它具有电压高,比能量大,充放寿命长,放电性能稳定,比较安全,无污染等特点,深受社会和用户的欢迎。与镍镉、镍氢等电池相比,锂离子电池有着明显的优势。它充分体现了高比能量电池的优越性。
但现有的采用非水电解质体系的锂离子二次电池,由于非水电解液的电导率低与水性电解液体系相比约低2-3个数量级,高倍率放电能力较差,一般只能3C左右放电。而市场上的航模玩具、车模及船模玩具等要求持续放电倍率达到10-30C,其中专业玩家市场更是要求达到30C以上,瞬间达到60C以上放电,要求放电平台电压高,爆发力强。这就需要突破现有工艺,采用特殊的技术方法来实现。
现有技术的另一个难以解决的难题是航模车模等用电器的工作电流非常大,经常需要2到6节串联的电池组几十安甚至几百安电流放电,在体积和重量要求极严的情况下,保护板是做不到通过这么大电流的,因此这类电池一般是没有保护板的,充电是通过平衡插头来控制,保证不过充,但大电流放电工作时是没有过放电保护的,对于多节串联的锂电池组来说,个别电芯过放电是难以避免的,必然会对电池组的使用寿命造成损害。航模等在飞行时,用户是无法判断电池的电量的,可能突然有个别电芯没电了,过放了,航模突然从高空摔下来,不但电芯过放受到损坏,航模也会摔坏。即航模在飞行时没有一个电量低的预警期,现有技术的电池也做不到这样一个预警,这是现有高倍率航模电池的一个难题。
现有技术基本上都是使用铝箔做正极集流体,铜箔做负极集流体,在铝箔和铜箔两面涂布上活性物质,由于铝箔和铜箔是致密的,没有孔隙,电解液和电力线是不能通过铝箔和铜箔的,这样就减慢了电极电化学反应的面积和反应速度,增加了电池的内阻,增加了电池充放电过程中的发热量。
[发明内容]
本发明的一个目的是提供了一种在低电量时候能够预警、减少充放电过程中发热量、极片双面共享的锂离子二次电池。
本发明的另一个目的是提供了一种制作上述电池的方法。
为解决达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种高倍率软包装锂离子二次电池,包括外包装膜,在外包装膜内设有正极片1,隔离膜3,负极片2以及电解液4,所述正极片1包括铝箔片,在铝箔片表面设有由正极活性物质、导电剂、粘合剂组成的正极物质层,所述正极活性物质由两种工作电压不磷酸亚铁锂混合组成,在铝箔片上设有多个正极导通孔,在正极物质层上设有与导通孔对应的正极孔隙,所述电解液能够通过所述正极导通孔和正极孔隙通过;所述负极片2包括铜箔片,在铜箔片表面设有由负极活性物质、导电剂、粘合剂组成的负极物质层,所述负极活性物质为碳材料,在铜箔片上设有多个负极导通孔,在负极物质层上设有与导通孔对应的负极孔隙,所述电解液能够通过所述负极导通孔和负极孔隙通过。
所述导电剂选自碳纳米管、纳米碳纤维、石墨、碳黑一种或几种;所述粘合剂选自PTFE、PVDF中的一种或几种。
所述正极导通孔和负极导通孔的直径都为0.1到0.5mm。
一种高倍率软包装锂离子二次电池的制备方法,包括如下步骤:
a.制备正极坯片:将由两种工作电压不同的钴酸锂和磷酸铁锂混合组成的正极活性物质、导电剂、粘合剂和溶剂混合,搅拌均匀后涂布到铝箔片上,经干燥后在铝箔片表面形成正极物质层;
b.对正极坯片冲孔:在正极坯片上冲有多个孔,在铝箔片上形成多个正极导通孔,在正极物质层上形成与导通孔对应的正极孔隙;
c.制备正极片:对冲孔后的正极坯片进行辊压,冲切制成正极片;
d.制备负极坯片:将碳材料、导电剂、粘合剂和溶剂混合,搅拌均匀后涂布到铜箔片上,经干燥后在铜箔片表面形成负极物质层;
e.对负极坯片冲孔:在负极坯片上冲有多个孔,在铜箔片上形成多个负极导通孔,在负极物质层上形成与导通孔对应的负极孔隙;
f.制备负极片:对冲孔后的负极坯片进行辊压,冲切制成负极片;
g.将正极片、隔膜、负极片叠放并压紧,焊极耳并装入外包装壳中;
h.对外包装壳进行顶封和侧封;
i.干燥后,向外包装壳内注入电解液;
j.电池化成;
k.抽气封口;
l.电池分容。
所述正极物质层中各组成的质量比例优选为:
由钴酸锂、磷酸亚铁锂混合组成的正极活性物质 80-96%
导电剂 1-10%
粘合剂 1-10%。
所述负极物质层中各组成的质量比例优选为:
碳材料 90-98%
导电剂 1-5%
粘合剂 1-5%。
所述正极活性物质中各组成的质量比例优选为:
钴酸锂 80-95%
磷酸亚铁锂 5-20%。
所述导电剂选自碳纳米管、纳米碳纤维、石墨、碳黑一种或几种;所述粘合剂选自PTFE、PVDF中的一种或几种
所述正极导通孔和负极导通孔的直径都为0.1到0.5mm。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、电解液可以从活性物资间的孔隙通过铝箔片和铜箔片,实现活性物质的双面共享;
2、本发明加快了电极电化学反应的面积和反应速度,降低了电池的内阻,约为普通同容量锂离子电池的1/5左右,从而大幅度提高了大电流放电能力,减少了电池充放电过程中的发热量。
3、采用本发明持续放电能力达到50C(截止3.0V)可放出标称容量的90%以上,放电的平台电压达3.5V左右,瞬间放电能力可达100C以上。
4、本发明在2.7V到3.0V之间还有一个短暂的放电平台,当钴酸锂放完电后,电池不会马上没电,而是磷酸铁锂在3.0V进行工作,但输出功率能力已明显下降,航模的飞行动力已有明显减弱,提醒用户尽快进行软着陆操作,起到预警作用。
[附图说明]
附图1是本发明的高功率锂离子二次电池剖面图。
附图2是制造本发明的高功率锂离子二次电池的流程图。
[具体实施方式]
参见图1,本发明介绍一种高功率锂离子二次电池,包括外包装膜,在外包装膜内设有正极片1,隔离膜3,负极片2以及电解液4。
所述正极片1包括铝箔片,在铝箔片表面设有由正极活性物质、导电剂、粘合剂组成的正极物质层,所述正极活性物质由两种工作电压不同的钴酸锂、磷酸亚铁锂混合组成,在正极物质层上设有与导通孔对应的正极孔隙,所述电解液能够通过所述正极导通孔和正极孔隙通过;
所述述正极物质层中各组成的质量比例优选为:
由钴酸锂、磷酸亚铁锂混合组成的正极活性物质 80-96%
导电剂 1-10%
粘合剂 1-10%。
所述正极活性物质中各组成的质量比例优选为:
钴酸锂 80-95%
磷酸亚铁锂 5-20%。
本发明以钴酸锂的作为正极主要活性物质,其工作电压平台是3.7V,磷酸铁锂作为正极辅助活性物质,其工作电压平台是3.0V,这样电池主要在3.7V左右工作,当钴酸锂放完电后,电池不会马上没电,而是磷酸铁锂在3.0V进行工作,但输出功率能力已明显下降,航模的飞行动力已有明显减弱,提醒用户尽快进行软着陆操作,起到预警作用。
所述负极片2包括铜箔片,在铜箔片表面设有由负极活性物质、导电剂、粘合剂组成的负极物质层,所述负极活性物质为碳材料,在铝箔片上设有多个正极导通孔,在铜箔片上设有多个负极导通孔,在负极物质层上设有与导通孔对应的负极孔隙,所述电解液能够通过所述负极导通孔和负极孔隙通过。
所述负极物质层中各组成的质量比例优选为:
碳材料 90-98%
导电剂 1-5%
粘合剂 1-5%。
电解液可以从活性物资间的孔隙通过铝箔片和铜箔片,实现活性物资的双面共享,这样就加快了电极电化学反应的面积和反应速度,降低了电池的内阻,减少了电池充放电过程中的发热量。
所述导电剂选自碳纳米管、纳米碳纤维、石墨、碳黑一种或几种;所述粘合剂选自PTFE、PVDF中的一种或几种。
所述正极导通孔和负极导通孔的直径都为0.1到0.5mm。
参见图2,本发明同时提供一种上述高功率锂离子二次电池的制备方法,其包括如下步骤:
m.制备正极坯片:将由两种工作电压不同的钴酸锂和磷酸铁锂混合组成的正极活性物质、导电剂、粘合剂和溶剂混合,搅拌均匀后涂布到铝箔片上,经干燥后在铝箔片表面形成正极物质层;
n.对正极坯片冲孔:在正极坯片上冲有多个孔,在铝箔片上形成多个正极导通孔,在正极物质层上形成与导通孔对应的正极孔隙;
o.制备正极片:对冲孔后的正极坯片进行辊压,冲切制成正极片;
p.制备负极坯片:将碳材料、导电剂、粘合剂和溶剂混合,搅拌均匀后涂布到铜箔片上,经干燥后在铜箔片表面形成负极物质层;
q.对负极坯片冲孔:在负极坯片上冲有多个孔,在铜箔片上形成多个负极导通孔,在负极物质层上形成与导通孔对应的负极孔隙;
r.制备负极片:对冲孔后的负极坯片进行辊压,冲切制成负极片;
s.将正极片、隔膜、负极片叠放并压紧,焊极耳并装入外包装壳中;
t.对外包装壳进行顶封和侧封;
u.干燥后,向外包装壳内注入电解液;
v.电池化成;
w.抽气封口;
x.电池分容。
实施例一104215-5Ah50C电池
正极粘合剂制备:计量称取3份PVDF、80份氮甲基砒咯烷酮NMP溶剂,充分搅拌至PVDF完全溶解。
正极浆料制备:计量称取85份钴酸锂,9份磷酸亚铁锂、2份纳米碳粉、1份导电石墨,加入已配制好的正极粘合剂溶液,搅拌均匀。
负极粘合剂制备:计量称取1.6份CMC、100份纯水,充分搅拌至CMC完全溶解,然后放入2.4份SBR,搅拌至分散均匀。
负极浆料制备:计量称取94.5份碳材料、1.5份纳米碳粉、加入已配制好的负极粘合剂,搅拌均匀。
正极涂布面密度200g/m2,负极涂布面密度为90g/m2,经烘烤干燥后收卷。
正负极片制备:将涂布干燥后的正负极卷料进行冲孔仅冲有涂布粉料的区域,孔径0.1到0.5mm,然后进行对辊压实,正极压实密度为3.6g/cm3;负极压实密度为1.4g/cm3
经叠片正极44层负极45层,装配,干燥,注液,化成,分容。即完成了高倍率软包装锂离子二次电池制作。
实施例二:853496-2200mAh50C电池
正极粘合剂制备:计量称取3份PVDF、80份氮甲基砒咯烷酮NMP溶剂,充分搅拌至PVDF完全溶解。
正极浆料制备:计量称取80份钴酸锂,13份磷酸亚铁锂、2份纳米碳粉、2份导电石墨,加入已配制好的正极粘合剂溶液,搅拌均匀。
负极粘合剂制备:计量称取1.6份CMC、100份纯水,充分搅拌至CMC完全溶解,然后放入2.4份SBR,搅拌至分散均匀。
负极浆料制备:计量称取94.5份碳材料、1.5份纳米碳粉、加入已配制好的负极粘合剂,搅拌均匀。
正极涂布面密度200g/m2,负极涂布面密度为90g/m2,经烘烤干燥后收卷。
正负极片制备:将涂布干燥后的正负极卷料进行冲孔仅冲有涂布粉料的区域,孔径0.1到0.5mm,然后进行对辊压实,正极压实密度为3.6g/cm3;负极压实密度为1.4g/cm3
经叠片正极32层负极33层,装配,干燥,注液,化成,分容。即完成了高倍率软包装锂离子二次电池制作。

Claims (2)

1.一种高倍率软包装锂离子二次电池,包括外包装膜,在外包装膜内设有正极片(1),隔离膜(3),负极片(2)以及电解液(4),其特征在于所述正极片(1)包括铝箔片,在铝箔片表面设有由正极活性物质、导电剂、粘合剂组成的正极物质层,所述正极活性物质由两种工作电压不同的钴酸锂、磷酸亚铁锂混合组成,在铝箔片上设有多个正极导通孔,在正极物质层上设有与导通孔对应的正极孔隙,所述电解液能够通过所述正极导通孔和正极孔隙通过;所述负极片(2)包括铜箔片,在铜箔片表面设有由负极活性物质、导电剂、粘合剂组成的负极物质层,所述负极活性物质为碳材料,在铜箔片上设有多个负极导通孔,在负极物质层上设有与导通孔对应的负极孔隙,所述电解液能够通过所述负极导通孔和负极孔隙通过;
所述电池通过如下方法制备而成:
正极粘合剂制备:计量称取3份PVDF、80份氮甲基砒咯烷酮NMP溶剂,充分搅拌至PVDF完全溶解;
正极浆料制备:计量称取80份钴酸锂,13份磷酸亚铁锂、2份纳米碳粉、2份导电石墨,加入已配制好的正极粘合剂溶液,搅拌均匀;
负极粘合剂制备:计量称取1.6份CMC、100份纯水,充分搅拌至CMC完全溶解,然后放入2.4份SBR,搅拌至分散均匀;
负极浆料制备:计量称取94.5份碳材料、1.5份纳米碳粉、加入已配制好的负极粘合剂溶液,搅拌均匀;
正负极片制备:将正极浆料和负极浆料分别涂布在铝箔和铜箔上,其中,正极涂布面密度200g/m2,负极涂布面密度为90g/m2,经烘烤干燥后收卷;将涂布干燥后的正负极卷料进行冲孔,仅冲有涂布粉料的区域,孔径0.1~0.5mm,然后进行对辊压实,正极压实密度为3.6g/cm3;负极压实密度为1.4g/cm3
以正极32层负极33层进行叠片,装配,干燥,注液,化成,分容,即完成了高倍率软包装锂离子二次电池制作。
2.一种高倍率软包装锂离子二次电池的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
a.制备正极坯片:将由两种工作电压不同的钴酸锂和磷酸铁锂混合组成的正极活性物质、导电剂、粘合剂和溶剂混合,搅拌均匀后涂布到铝箔片上,经干燥后在铝箔片表面形成正极物质层;
b.对正极坯片冲孔:在正极坯片上冲有多个孔,在铝箔片上形成多个正极导通孔,在正极物质层上形成与导通孔对应的正极孔隙;
c.制备正极片:对冲孔后的正极坯片进行辊压,冲切制成正极片;
d.制备负极坯片:将碳材料、导电剂、粘合剂和溶剂混合,搅拌均匀后涂布到铜箔片上,经干燥后在铜箔片表面形成负极物质层;
e.对负极坯片冲孔:在负极坯片上冲有多个孔,在铜箔片上形成多个负极导通孔,在负极物质层上形成与导通孔对应的负极孔隙;
f.制备负极片:对冲孔后的负极坯片进行辊压,冲切制成负极片;
g.将正极片、隔膜、负极片叠放并压紧,焊极耳并装入外包装壳中;
h.对外包装壳进行顶封和侧封;
i.干燥后,向外包装壳内注入电解液;
j.电池化成;
k.抽气封口;
l.电池分容;
其中,步骤a包括:计量称取3份PVDF、80份氮甲基砒咯烷酮NMP溶剂,充分搅拌至PVDF完全溶解得到正极粘合剂溶液;计量称取80份钴酸锂,13份磷酸亚铁锂、2份纳米碳粉、2份导电石墨,加入已配制好的正极粘合剂溶液,搅拌均匀得到正极浆料;将正极浆料涂布在铝箔上,正极涂布面密度200g/m2,经烘烤干燥后收卷;
步骤b包括:将涂布干燥后的正极卷料进行冲孔,仅冲有涂布粉料的区域,孔径0.1~0.5mm;
步骤c包括:对冲孔后的正极坯片进行辊压,压实密度为3.6g/cm3
步骤d包括:计量称取1.6份CMC、100份纯水,充分搅拌至CMC完全溶解,然后放入2.4份SBR,搅拌至分散均匀得到负极粘合剂溶液;计量称取94.5份碳材料、1.5份纳米碳粉、加入已配制好的负极粘合剂溶液,搅拌均匀得到负极浆料;将负极浆料涂布在铜箔上,负极涂布面密度为90 g/m2,经烘烤干燥后收卷;
步骤e包括:将涂布干燥后的负极卷料进行冲孔,仅冲有涂布粉料的区域,孔径0.1~0.5mm;
步骤f包括:对冲孔后的负极坯片进行辊压,压实密度为1.4g/cm3
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