CN103700881A - 一种磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池及其制备方法，磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的正极片中的正极复合集流体包括正极金属箔和附在其上的导电碳纤维毡，导电碳纤维毡上涂布有能渗透到金属箔上的正极合剂，正极合剂包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘合剂。本发明上述电池的制备方法包括正极片制备，正极片制备包括正极配浆、复合涂布、干燥、滚压、制片，正极复合集流体是在正极合剂涂覆到正极金属箔上的同时将碳纤维毡复合进去。本发明制备方法工艺简单、制备的电池降低了内阻和充放电过程中的发热量，提升倍率性能和比能量、也提高电池的安全性和使用寿命。

Description

一种磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及锂电池领域，更具体地说涉及一种磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池及其制备方法。
【背景技术】
锂离子动力电池项目是当前国际上新兴产业，现正处于朝阳时期。目前全世界石油能源危机，环境污染引发的环境危机的出现，使各国都在呼唤清洁的、可循环使用的新能源。全世界都在加大对风能、水能、太阳能、核能的开发利用和研究，将其转化为电能。虽然可以转化为电能的资源很多，但电能要扩大应用场合必须解决储能问题。电池是储存电能最好的设施。锂离子动力电池的一个重要应用领域是电动汽车，动力电池作为电动汽车的能量来源，是电动汽车产业链的核心，其作用相当于传统汽车的“汽油”。电池材料的电化学特性决定了电池的基本性能，如容量、功率和安全性，是电动汽车能否快速发展的关键因素。
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。
目前大容量锂电池的单体电池生产和性能还存在很多问题，主要是倍率性能差和比能量低，也就是说大电流放电能力和快速充电能力差，单位体积的容量相对较低。
【发明内容】
本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种内阻小，功率高，易生产，成品率高的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池。
本发明的另一目的是提供上述磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：包括有外包装壳和置于其内的电解液，所述的外包装壳内设有多个正极片和多个负极片，所述的正极片与所述的负极片之间设有隔膜，所述的正极片包括有正极复合集流体，所述的正极复合集流体包括正极金属箔和附在其上的导电碳纤维毡，所述的导电碳纤维毡上涂布有能渗透到所述的金属箔上的正极合剂，所述的正极合剂包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘合剂，其中，所述的正极活性物质为磷酸亚铁锂，含量为80%～98%（重量）；正极导电剂为纳米碳粉、石墨、碳黑中的一种或多种，含量为0.5%～10%（重量）；粘合剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯中的一种或多种，含量为1%～10%（重量）所述的负极片包括有负极复合集流体和附在所述的负极复合集流体上的负极合剂。
如上所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：所述的正极金属箔为金属铝箔。
如上所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：所述的负极复合集流体为金属铜箔。
如上所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：所述的正极复合集流体是在所述的正极合剂涂覆到所述的正极金属箔上的同时将所述的碳纤维毡复合进去而形成的三维导电网络，所述的正极金属箔和所述的碳纤维毡形成三维主导电网络，所述的正极导电剂形成次级导电网络。
如上所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：所述的负极合剂包括负极活性物质、负极导电剂和负极粘合剂，其中，所述的负极活性物质为碳材料，含量为90%～98%（重量）；所述的负极导电剂为碳纳米管、纳米碳纤维、石墨、碳黑中的一种或多种，含量为1%～5%（重量）；所述的负极粘合剂为聚四氟乙烯、丁苯橡胶、羟甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚偏二氟乙烯中的一种或多种，含量为1%～5%（重量）。
如上所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：所述的碳纤维毡由面密度为5～50g/m2、直径为10～100微米、长100～1000微米碳纤维丝组成。
一种制备如上所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）正极片制备：
A.正极配浆：将称量计量的正极活性物质、正极导电剂、正极粘合剂混合并搅拌均匀；
B.复合涂布：将步骤A得到的浆料会同碳纤维毡一起附到金属箔上；
C.干燥：将步骤B得到的产品进行干燥；
D.辊压：将步骤C的得到产品进行辊压；
E.制片：将步骤D得到的产品切成所需的尺寸；
（2）负极片制备：
A.负极配浆：将称量计量的负极活性物质、负极导电剂、负极粘合剂混合并搅拌均匀；
B.复合涂布：将步骤A得到的浆料附到金属箔上；
C.干燥：将步骤B得到的产品进行干燥；
D.辊压：将步骤C得到的产品进行辊压；
E.制片：将步骤D得到的产品切成所需的尺寸；
（3）叠片：将步骤（1）、（2）得到的正极片、负极片和隔膜叠放并压紧，隔膜置于所述的正极片与所述的负极片之间；
（4）焊接机耳并装入外包装壳中；
（5）顶封侧封；
（6）将步骤（5）得到的电池进行干燥；
（7）注入电解液；
（8）化成；
（9）抽气封口；
（10）分容。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、本发明的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的正极复合集流体中的金属箔、导电碳纤维毡形成主干导电网络，正极导电剂形成完整的次级导电网络，主次双网导电模式大大改善了极片的导电导热性能，降低了电池的内阻和充放电过程中的发热量，提升了电池的倍率性能和比能量、也提高了电池的安全性和使用寿命。
2、本发明的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的碳纤维毡能够固定正极合剂中的正极活性物质，克服传统结构的正极活性物质易脱粉的缺点，可以使正极片涂得更厚，面密度可涂到500g/m2以上，从而提高了电池的能量密度，降低电池的单位成本。
3、本发明制备磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的方法工艺简单、效率高，适合工业化生产。
【附图说明】
图1是本发明的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的示意图之一；
图2是本发明的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的示意图之二；
图3是本发明的正极片的示意图；
图4是本发明的负极片的示意图；
图5是制备本发明的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的流程图；
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步描述：
如图1至图4所示，一种磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，包括有外包装壳1和置于其内的电解液，所述的外包装壳1内设有多个正极片2和多个负极片3，所述的正极片2与所述的负极片3之间设有隔膜4，所述的正极片2包括有正极复合集流体21，所述的正极复合集流体21包括正极金属箔211和附在其上的导电碳纤维毡212，所述的导电碳纤维毡212上涂布有能渗透到所述的金属箔211上的正极合剂22，所述的正极合剂22包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘合剂，其中，所述的正极活性物质为磷酸亚铁锂，含量为80%～98%（重量）；正极导电剂为纳米碳粉、石墨、碳黑中的一种或多种，含量为0.5%～10%（重量）；粘合剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯中的一种或多种，含量为1%～10%（重量）所述的负极片3包括有负极复合集流体31和附在所述的负极复合集流体31上的负极合剂32。
所述的正极金属箔211优选为金属铝箔。
所述的负极复合集流体31优选为金属铜箔。
所述的正极复合集流体21是在所述的正极合剂22涂覆到所述的正极金属箔211上的同时将所述的碳纤维毡212复合进去而形成的三维导电网络，所述的正极金属箔211和所述的碳纤维毡212形成三维主导电网络，所述的正极导电剂形成次级导电网络。
所述的负极合剂包括负极活性物质、负极导电剂和负极粘合剂，其中，所述的负极活性物质为碳材料，含量为90%～98%（重量）；所述的负极导电剂为碳纳米管、纳米碳纤维、石墨、碳黑中的一种或多种，含量为1%～5%（重量）；所述的负极粘合剂为聚四氟乙烯、丁苯橡胶、羟甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚偏二氟乙烯中的一种或多种，含量为1%～5%（重量）。
所述的碳纤维毡212由面密度为5～50g/m2、直径为10～100微米、长100～1000微米碳纤维丝组成。
如图5示出了制备所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的流程，下面结合实施例加以说明：
实施例1：（10Ah磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池）
（1）正极片制备：
A.正极配浆：计量称取6份PVDF(聚偏二氟乙烯)、80份氮甲基砒咯烷酮（溶剂），充分搅拌至PVDF完全溶解形成正极粘合剂；计量称取88份磷酸亚铁锂锂（D50：2μ）、2份纳米碳粉、4份导电石墨，加入配制好的PVDF溶液，搅拌均匀；
B.复合涂布：准备20微米厚的金属铝箔和面密度为10g/m2、直径为10微米、长100～200微米碳纤维丝组成的碳纤维毡，将步骤A中得到的浆料涂布到会合到一起的碳纤维毡和金属铝箔上，涂布面密度450g/m2；
C.干燥：将步骤B得到的产品进行烘烤干燥；
D.辊压：将步骤C的得到产品进行辊压压实，压至0.22mm厚，压实密度2.2g/cm3；
E.制片：将步骤D得到的产品冲切制成正极片，尺寸为63mm*206mm；
（2）负极片制备：
A.负极配浆：计量称取1.6份CMC(羟甲基纤维素)、100纯水，充分搅拌至CMC完全溶解，然后放入2.4份丁苯橡胶，搅拌至分散均匀形成负极粘合剂；计量称取94.5份碳材料、1.5份纳米碳粉，加入配制好的负极粘合剂，搅拌均匀；
B.复合涂布：将步骤A得到的浆料附到金属铜箔上；
C.干燥：将步骤B得到的产品进行烘烤干燥；
D.辊压：将步骤C得到的产品进行辊压压实，压至0.15mm厚，压实密度1.45g/cm3；
E.制片：将步骤D得到的产品冲切制成正极片，尺寸为64mm*208mm；
（3）叠片：将步骤（1）、（2）得到的正极片、负极片和隔膜叠放并压紧，隔膜置于所述的正极片与所述的负极片之间，正极片15层、负极片16层；
（4）焊接机耳并装入外包装壳中；
（5）顶封侧封；
（6）将步骤5得到的产品进行干燥；
（7）注入电解液；
（8）化成；
（9）抽气封口；
（10）分容；
与制备磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的传统工艺对比：传统工艺采用金属铝箔做正集流体，由于涂布在其上的正极合剂易脱粉，涂布面密度一般不能超过320g/m2,经叠片（正极片需要21层，负极片需要22层）装配成10Ah磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池。由于极片层数多，同样的10Ah电池，传统工艺制备的厚度达到9mm，而实施例1制备的电池厚度为8.5mm。下表为实施例1制备的电池与传统工艺制备的电池的对比：
Figure BDA0000433666050000081
实施例2：（10Ah磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池）
（1）正极片制备：
A.正极配浆：计量称取6份PVDF(聚偏二氟乙烯)、80份氮甲基砒咯烷酮（溶剂），充分搅拌至PVDF完全溶解形成正极粘合剂；计量称取90份磷酸亚铁锂锂（D50：2μ）、3份纳米碳粉、1份导电石墨，加入配制好的PVDF溶液，搅拌均匀；
B.复合涂布：准备16微米厚的金属铝箔和面密度为15g/m2、直径为20微米、长100～200微米碳纤维丝组成的碳纤维毡，将步骤A中得到的浆料涂布到会合到一起的碳纤维毡和金属铝箔上，涂布面密度500g/m2；
C.干燥：将步骤B得到的产品进行烘烤干燥；
D.辊压：将步骤C的得到产品进行辊压压实，压至0.24mm厚，压实密度2.3g/cm3；
E.制片：将步骤D得到的产品冲切制成正极片，尺寸为63mm*206mm；
（2）负极片制备：
A.负极配浆：计量称取1.6份CMC(羟甲基纤维素)、100纯水，充分搅拌至CMC完全溶解，然后放入2.4份丁苯橡胶，搅拌至分散均匀形成负极粘合剂；计量称取94.5份碳材料、1.5份纳米碳粉，加入配制好的负极粘合剂，搅拌均匀；
B.复合涂布：将步骤A得到的浆料附到金属铜箔上；
C.干燥：将步骤B得到的产品进行烘烤干燥；
D.辊压：将步骤C得到的产品进行辊压压实，压至0.16mm厚，压实密度1.45g/cm3；
E.制片：将步骤D得到的产品冲切制成正极片，尺寸为64mm*208mm；
（3）叠片：将步骤（1）、（2）得到的正极片、负极片和隔膜叠放并压紧，隔膜置于所述的正极片与所述的负极片之间，正极片14层、负极片15层；
（4）焊接机耳并装入外包装壳中；
（5）顶封侧封；
（6）将步骤5得到的产品进行干燥；
（7）注入电解液；
（8）化成；
（9）抽气封口；
（10）分容；
实施例2制备的电池与传统工艺制备的电池的对比：
Figure BDA0000433666050000101

Claims (7)

1.一种磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：包括有外包装壳（1）和置于其内的电解液，所述的外包装壳（1）内设有多个正极片（2）和多个负极片（3），所述的正极片（2）与所述的负极片（3）之间设有隔膜（4），所述的正极片（2）包括有正极复合集流体（21），所述的正极复合集流体（21）包括正极金属箔（211）和附在其上的导电碳纤维毡（212），所述的导电碳纤维毡（212）上涂布有能渗透到所述的金属箔（211）上的正极合剂（22），所述的正极合剂（22）包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘合剂，其中，所述的正极活性物质为磷酸亚铁锂，含量为80%～98%（重量）；正极导电剂为纳米碳粉、石墨、碳黑中的一种或多种，含量为0.5%～10%（重量）；粘合剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯中的一种或多种，含量为1%～10%（重量）所述的负极片（3）包括有负极复合集流体（31）和附在所述的负极复合集流体（31）上的负极合剂（32）。
2.根据权利要求1所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：所述的正极金属箔（211）为金属铝箔。
3.根据权利要求1所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：所述的负极复合集流体（31）为金属铜箔。
4.根据权利要求1所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：所述的正极复合集流体（21）是在所述的正极合剂（22）涂覆到所述的正极金属箔（211）上的同时将所述的碳纤维毡（212）复合进去而形成的三维导电网络，所述的正极金属箔（211）和所述的碳纤维毡（212）形成三维主导电网络，所述的正极导电剂形成次级导电网络。
5.根据权利要求1或4任一项所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：所述的负极合剂包括负极活性物质、负极导电剂和负极粘合剂，其中，所述的负极活性物质为碳材料，含量为90%～98%（重量）；所述的负极导电剂为碳纳米管、纳米碳纤维、石墨、碳黑中的一种或多种，含量为1%～5%（重量）；所述的负极粘合剂为聚四氟乙烯、丁苯橡胶、羟甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚偏二氟乙烯中的一种或多种，含量为1%～5%（重量）。
6.根据权利要求1所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池，其特征在于：所述的碳纤维毡（212）由面密度为5～50g/m2、直径为10～100微米、长100～1000微米碳纤维丝组成。
7.一种制备如权利要求1所述的磷酸亚铁锂高功率动力锂离子二次电池的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）正极片制备：
A.正极配浆：将称量计量的正极活性物质、正极导电剂、正极粘合剂混合并搅拌均匀；
B.复合涂布：将步骤A得到的浆料会同碳纤维毡一起附到金属箔上；
C.干燥：将步骤B得到的产品进行干燥；
D.辊压：将步骤C的得到产品进行辊压；
E.制片：将步骤D得到的产品切成所需的尺寸；
（2）负极片制备：
A.负极配浆：将称量计量的负极活性物质、负极导电剂、负极粘合剂混合并搅拌均匀；
B.复合涂布：将步骤A得到的浆料附到金属箔上；
C.干燥：将步骤B得到的产品进行干燥；
D.辊压：将步骤C得到的产品进行辊压；
E.制片：将步骤D得到的产品切成所需的尺寸；
（3）叠片：将步骤（1）、（2）得到的正极片、负极片和隔膜叠放并压紧，隔膜置于所述的正极片与所述的负极片之间；
（4）焊接机耳并装入外包装壳中；
（5）顶封侧封；
（6）将步骤（5）得到的电池进行干燥；
（7）注入电解液；
（8）化成；
（9）抽气封口；
（10）分容。
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