CN103779612A - 一种软包装锂离子动力电池的制备方法 - Google Patents

一种软包装锂离子动力电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种软包装锂离子动力电池的制备方法，该电池包括正极极片、隔膜、负极极片、电解液、极耳、铝塑膜，所述极耳为双向极耳；所述正极集流体为涂炭铝箔。本发明的有益效果是：通过使用双向极耳，使得电池在高倍率放电时，缩短电流通过距离，减小极化，从而减小发热量，延长电池倍率循环性能；通过使用涂炭铝箔为正极集流体，有效降低正极活性物质与集体之间的接触内阻，使得电池在高倍率循环时减小活性物质的膨胀程度，有效提高电池的高倍率放电电压和倍率循环性能。

Description

一种软包装锂离子动力电池的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子动力电池领域，尤其软包装锂离子动力电池。 
  
背景技术
锂离子动力电池具有电压高，能量密度大，循环性能好，自放电小，无记忆效应，工作温度范围宽等优点。一般高功率锂离子动力电池的结构为：以叠片形式，将正极片、隔膜、负极片相间而形成的电芯，放入电池壳如铝塑膜中；或者以卷绕形式制作电芯，然后焊接单向极耳，铝塑膜封口，注入电解液。 
为了防止高倍率放电时，电池极耳处和电芯发热量大，缩短电池循环性能，传统的方法是加宽、加厚极耳，以及调整配方，增加导电炭黑含量。这在一定程度上缓解了发热量较大的问题，但是单向极耳电流通过路径长，不能从根本上解决问题；增加导电炭黑含量，在降低发热量的同时，会降低电池的能量密度。 
为了增加电池高倍率循环寿命，传统的方法是采用压延铝箔为正极集流体，通过调整正极配方，增加粘结剂含量来达到目的。但是粘结剂含量增加，会增大电池内阻，电池发热量增大；同时会降低电池的能量密度。 
中国专利公开号CN 1529382 A，公开日2004年9月15日，名称为大功率塑料锂离子电池的发明专利，该申请案公开了一种大功率塑料锂离子电池，包括正极片、负极片、电介质膜材料、电解液材料、软复合包装材料和塑料外壳，正极片包括正极材料、黏结剂、DBP、碳黑、铝网，负极片包括负极材料、黏结剂、DBP、碳黑、铜网，电解质膜材料包括黏结剂、二氧化硅、DBP。正极片、负极片和电解质膜通过加热复合制成单元电芯，将单元电芯叠合，采用复合膜材料包装后，形成组合电池，引出极耳，使组合电池的正、负极通过极耳材料与正、负极端子连接，将组合电池置于塑料和体内，使盖与盒体通过超声波融合，形成完整的大功率塑料锂离子电池。其不足之处在于，现有技术为了防止高倍率放电时，电池极耳处和电芯发热量过大，缩短电池循环性能而增加导电炭黑含量，在降低发热量的同时，会降低电池的能量密度；为了增加电池高倍率循环寿命，选择增加粘结剂含量，会增大电池内阻，电池发热量增大。 
  
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中为了防止高倍率放电时，电池极耳处和电芯发热量过大，缩短电池循环性能而增加导电炭黑含量，在降低发热量的同时，会降低电池的能量密度；为了增加电池高倍率循环寿命，选择增加粘结剂含量，会增大电池内阻，电池发热量增大的缺陷而提供一种采用双向极耳和涂炭铝箔，能够减缓电池发热量，提升电池循环性能的软包装锂离子动力电池的制备方法。 
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 
一种软包装锂离子动力电池的制备方法，其制备方法包括以下步骤：
a）制备正极极片：将80-89重量份的正极活性材料LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2与6-8重量份的导电炭黑Super Li、6-9重量份的石墨烯及7-10重量份的聚偏氟乙烯混合，添加100-140重量份的粘结剂N-甲基吡咯烷酮搅拌形成浆液，均匀涂覆在正极集流体上，涂覆面密度为210-225g/㎡，140-160℃干燥10-12小时后，再次将浆料涂覆与已涂覆了浆料的正极集流体，然后在120-155℃下干燥8-10小时后，用碾压机碾压涂覆了正极材料的正极集流体，制得正极极片；
b）制备负极极片：将80-89重量份的负极材料钛酸锂与6-8重量份的碳纳米管及6-9重量份的聚偏氟乙烯混合，与100-140重量份的粘结剂N-甲基吡咯烷酮搅拌形成浆液，均匀涂覆在负极集流体上，涂覆密度为120-130g/㎡，97-120℃干燥10-12h后用碾压机碾压涂覆了负极材料的负极集流体，制得负极极片；
c）准备隔膜：隔膜采用厚度为20-40微米的聚乙烯；
d）准备电解液：将1.6mol/L的六氟磷酸锂溶液加入到含有碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯的有机溶剂混合物中；
e）准备铝塑膜：铝塑膜采用厚度150-155微米由外至内依次为尼龙层、粘结层、PP层、粘结层、铝箔、粘结层、PP层层状复合材料；
f）准备极耳：正极极耳采用纯度大于98%铝材质，负极极耳采用铜镀镍材质；
g）制备电池：将步骤a）所制的正极极片、步骤c）中的隔膜、步骤b）所制的负极极片以相间叠片的形式形成电芯，双向焊接极耳，正极铝极耳与正极集流体铝箔使用超声波焊接，负极铜镀镍极耳与负极集流体铜箔使用超声波焊接；然后用步骤e）的铝塑膜在220-250℃下进行热封，注入步骤d）中的电解液，热封封口；依次进行搁置-预充-抽空-化成-分容，制得软包装锂离子动力电池。
现有技术中，制备电池时采用单向焊接极耳，而在本技术方案中采用双向焊接极耳，能够从根本上起到缩短电流通过路径，减小电池发热量，改善电池循环性能； 
作为优选，所述步骤a）中正极集流体为涂炭铝箔，所述的涂炭铝箔厚度为15-25微米。在本技术方案中，采用涂炭铝箔为正极集流体，能够有效降低正极活性物质与集流体之间的接触内阻，使得电池在高倍率循环时减小活性物质的膨胀程度，有效提高电池的放电电压和循环性能。
作为优选，步骤d）中碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯的体积比为1:2-3:4-5:7-9。 
作为优选，步骤g）中双向焊接极耳的焊接方式为平焊，焊接宽度为2-5毫米。 
作为优选，所述涂炭铝箔基体采用压延铝箔。 
作为优选，涂炭铝箔上所用的涂层活性物质为石墨烯或单壁碳纳米管，涂层厚度为0.5-3微米。 
本发明的有益效果是： 
（1）电池采用的双向极耳，能够从根本上起到缩短电流通过路径，减小电池发热量，改善电池循环性能；
（2）正极极片采用涂炭铝箔为极流体，有效降低正极活性物质与集流体之间的接触内阻，使得电池在高倍率循环时减小活性物质的膨胀程度，有效提高电池的放电电压和循环性能。
  
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的解释： 
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。
实施例一： 
制备正极极片：混合80重量份的LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2，6重量份的导电炭黑Super Li，6重量份的石墨烯粉末，以及7重量份的聚偏氟乙烯，并添加100重量份的N-甲基毗咯烷酮搅拌形成浆液，均匀的涂覆在正极基流体涂炭铝箔上，涂覆密度为210g/㎡，涂炭铝箔厚度25微米，涂层活性物质为单壁碳纳米管，涂层厚度单向3微米，110℃干燥10小时后，再次将浆料涂覆与已涂覆了浆料的正极集流体，然后在120℃下干燥10小时后，用碾压机进行碾压，制成正极极片；
制备负极极片：混合80重量份的钛酸锂，6重量份的碳纳米管，以及6重量份的聚偏氟乙烯，并添加100重量份的N-甲基毗咯烷酮搅拌形成浆液，均匀的涂覆在负极基流体铜箔上，涂覆密度120g/㎡，97℃干燥10小时后用碾压机进行碾压，制成负极极片；
准备隔膜：隔膜采用厚度为25微米的微孔聚乙烯膜（PE）；
准备电解液：电解液采用1.6mol/L的六氟磷酸锂溶解到碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯的有机溶剂混合物中，其中碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯的体积比为1:2:4:7；
准备铝塑膜：铝塑膜采用厚度为152微米具有尼龙层、粘结层、PP层、粘结层、铝箔、粘结层、PP层层状复合结构材料；
准备极耳：正极极耳采用0.2毫米厚铝材质极耳，负极极耳采用0.2毫米铜镀镍极耳，铜镀层10微米；
准备电池：以叠片形式，将正极极片、隔膜、负极极片相间叠片形成电芯，双向焊接极耳，焊接方式为平焊，焊接宽度为5毫米；然后进行铝塑膜热封，注入电解液，220℃热封封口；依次进行搁置-预充-抽空-化成-分容，制成6Ah软包装高功率锂离子动力电池。
实施例二 
制备正极极片：混合85重量份的LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2，7重量份的导电炭黑Super Li，7重量份的石墨烯粉末，以及8重量份的聚偏氟乙烯，并添加125重量份的N-甲基毗咯烷酮搅拌形成浆液，均匀的涂覆在正极基流体涂炭铝箔上，涂覆密度为220g/㎡，涂炭铝箔厚度15微米，涂层活性物质为石墨烯，涂层厚度单向0.5微米，150℃干燥11小时后用碾压机进行碾压，再次将浆料涂覆与已涂覆了浆料的正极集流体，然后在140℃下干燥9小时后，制成正极极片；
制备负极极片：混合85重量份的钛酸锂，7重量份的碳纳米管，以及8重量份的聚偏氟乙烯，并添加125重量份的N-甲基毗咯烷酮搅拌形成浆液，均匀的涂覆在负极基流体铜箔上，涂覆密度为125g/㎡，100℃干燥11小时后用碾压机进行碾压，制成负极极片；
准备隔膜：隔膜采用厚度为25微米的微孔聚乙烯膜（PE）；
准备电解液：电解液采用1.6mol/L的六氟磷酸锂溶解到碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯的有机溶剂混合物中，其中碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯的体积比为1:3:5:8；
准备铝塑膜：铝塑膜采用厚度为150微米具有尼龙层、粘结层、PP层、粘结层、铝箔、粘结层、PP层层状复合结构材料；
准备极耳：正极极耳采用0.2毫米厚铝材质极耳，负极极耳采用0.2毫米铜镀镍极耳，铜镀层2微米；
准备电池：以叠片形式，将正极极片、隔膜、负极极片相间叠片形成电芯，双向焊接极耳，焊接方式为平焊，焊接宽度为2毫米；然后进行铝塑膜热封，注入电解液，230℃热封封口；依次进行搁置-预充-抽空-化成-分容，制成6Ah软包装高功率锂离子动力电池。
实施例三 
制备正极极片：混合89重量份的LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2，8重量份的导电炭黑Super Li，8重量份的石墨烯，以及10重量份的聚偏氟乙烯，并添加140重量份的N-甲基毗咯烷酮搅拌形成浆液，均匀的涂覆在正极基流体涂炭铝箔上，涂覆密度为225g/㎡，涂炭铝箔厚度20微米，涂层活性物质为石墨烯，涂层厚度单向2微米，160℃干燥12小时后，再次将浆料涂覆与已涂覆了浆料的正极集流体，然后在155℃下干燥8小时后，用碾压机进行碾压，制成正极极片；
制备负极极片：混合89重量份的钛酸锂，8重量份的碳纳米管，以及9重量份的聚偏氟乙烯，并添加140重量份的N-甲基毗咯烷酮搅拌形成浆液，均匀的涂覆在负极基流体铜箔上，涂覆密度为130g/㎡，120℃干燥10小时后用碾压机进行碾压，制成负极极片；
准备隔膜：隔膜采用厚度为25微米的微孔聚乙烯膜（PE）；
准备电解液：电解液采用1.6mol/L的六氟磷酸锂溶解到碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯的有机溶剂混合物中，其中碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯的体积比为1:2:5:9；
准备铝塑膜：铝塑膜采用厚度为155微米具有尼龙层、粘结层、PP层、粘结层、铝箔、粘结层、PP层层状复合结构材料；
准备极耳：正极极耳采用0.2毫米厚铝材质极耳，负极极耳采用0.2毫米铜镀镍极耳，铜镀层5微米；
准备电池：以叠片形式，将正极极片、隔膜、负极极片相间叠片形成电芯，双向焊接极耳，焊接方式为平焊，焊接宽度为4毫米；然后进行铝塑膜热封，注入电解液，250℃热封封口；依次进行搁置-预充-抽空-化成-分容，制成6Ah软包装高功率锂离子动力电池。
对比例1 
制备电池的方法与实施例1基本相同，唯一的区别在于：极耳采用单向焊接方式。
对比例2 
制备电池的方法与实施例1基本相同，唯一的区别在于：正极集流体采用厚度为20微米的压延铝箔。
循环寿命性能测试： 
将上述实施例1、2、3和对比例1、2制得的电池各取3只测定5000次循环后的容量剩余率。测定方法为：在25度下将电流以30A恒定电流充电至3.6V，然后转恒压充电，截至电流300mA；搁置5分钟，以30A恒定电流放电至2.0V，测定得到电池的初始放电容量；搁置5分钟后，重复上述步骤4500次，作连续的充放电测试，得到电池4500次循环后的容量剩余率，按照下式计算4500次循环后电池的容量剩余率。
容量剩余率=4500次循环后放电容量/初始放电容量×100%。 
循环寿命性能测试结果见表1。从表中可知，实施例1在4500次循环后的容量剩余率在86.4%左右，实施例2在4500次循环后的容量剩余率在84.9%左右，实施例3在4500次循环后的容量剩余率在85.6%左右，而对比例1在4500次循环后的容量剩余率只有大约81.0%，对比例2在4500次循环后的容量剩余率只有大约73.5%。实施例1、2、3的测试结果远远优于对比例1和2，这说明采用双向极耳和涂炭铝箔有利于提高电池的循环寿命。 
倍率放电性能测试： 
将上述实施例1、2、3和对比例1、对比例2值得的电池各取3只测定30C倍率放电性能。测定方法为：在25度下将电流以6A恒定电流充电至3.6V，然后转恒压充电，截至电流300mA；搁置5分钟，以180A恒定电流放电至2.0V，测定得到电池倍率放电平台电压。
倍率性能测试结果见表1。从表中可知，实施例1电池30C倍率放点平台电压为2.783V，实施例2电池30C倍率放点平台电压为2.758V，实施例3电池30C倍率放点平台电压为2.773V，而对比例1电池30C倍率放点平台电压为2.625V，对比例2电池30C倍率放电平台电压为2.341V。实施例1、2、3的测试结果远远优于对比例1和2，这说明采用双向极耳和涂炭铝箔有利于提高电池的倍率放电性能。 
倍率放电温度测试： 
将上述实施例1、2、3和对比例1、对比例2制得的电池各取3只测定30C倍率放电电池表面温升状况。测定方法为：在25度下将电流以6A恒定电流充电至3.6V，然后转恒压充电，截至电流300mA；搁置5分钟，以180A恒定电流放电至2.0V，测定得到电池30C倍率放电时电池表面温升。
倍率性能温度测试结果见表1。 
表1 
  5C充放电4500次容量剩余率（%） 30C倍率放电平台(V) 30C倍率放电表面温升(度）
实施例1 87.8 2.893 23
实施例2 86.9 2.818 24
实施例3 87.6 2.933 23
对比例1 75.6 2.525 40
对比例2 71.5 2.241 52
从表中可知，实施例1电池30C倍率放电电池表面温升25度，实施例2电池30C倍率放电电池表面温升29度，实施例3电池30C倍率放电电池表面温升27度，而对比例1电池30C倍率放电电池表面温升34度，对比例2电池30C倍率放电电池表面温升47度。实施例1、2、3的测试结果远远优于对比例1和2，这说明采用双向极耳
和涂炭铝箔有利于改善电池的倍率放电温升性能。
上述实施例只是用于说明和解释本发明的内容，不能构成对本发明范围的限制。尽管发明人已经对本发明做了较为详细地列举，但是，本领域的技术人员根据发明内容部分和实施例所揭示的内容，能对所描述的具体实施例做各种各样的修改或/和补充或采用类似的方式来替代是显然的。 
  

Claims (6)

1.一种软包装锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
a）制备正极极片：将80-89重量份的正极活性材料LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2与6-8重量份的导电炭黑Super Li、6-9重量份的石墨烯及7-10重量份的聚偏氟乙烯混合，添加100-140重量份的粘结剂N-甲基吡咯烷酮搅拌形成浆液，均匀涂覆在正极集流体上，涂覆面密度为210-225g/㎡，140-160℃干燥10-12小时后，再次将浆料涂覆与已涂覆了浆料的正极集流体，然后在120-155℃下干燥8-10小时后，用碾压机碾压涂覆了正极材料的正极集流体，制得正极极片；
b）制备负极极片：将80-89重量份的负极材料钛酸锂与6-8重量份的碳纳米管及6-9重量份的聚偏氟乙烯混合，与100-140重量份的粘结剂N-甲基吡咯烷酮搅拌形成浆液，均匀涂覆在负极集流体上，涂覆密度为120-130g/㎡，97-120℃干燥10-12h后用碾压机碾压涂覆了负极材料的负极集流体，制得负极极片；
c）准备隔膜：隔膜采用厚度为20-40微米的聚乙烯；
d）准备电解液：将1.6mol/L的六氟磷酸锂溶液加入到含有碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯的有机溶剂混合物中；
e）准备铝塑膜：铝塑膜采用厚度150-155微米由外至内依次为尼龙层、粘结层、PP层、粘结层、铝箔、粘结层、PP层层状复合材料；
f）准备极耳：正极极耳采用纯度大于98%铝材质，负极极耳采用铜镀镍材质；
g）制备电池：将步骤a）所制的正极极片、步骤c）中的隔膜、步骤b）所制的负极极片以相间叠片的形式形成电芯，双向焊接极耳，正极铝极耳与正极集流体铝箔使用超声波焊接，负极铜镀镍极耳与负极集流体铜箔使用超声波焊接；然后用步骤e）的铝塑膜在220-250℃下进行热封，注入步骤d）中的电解液，热封封口；依次进行搁置-预充-抽空-化成-分容，制得软包装锂离子动力电池。
2.根据权利要求1所述的一种软包装锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，所述步骤a）中正极集流体为涂炭铝箔，所述的涂炭铝箔厚度为15-25微米。
3.根据权利要求1或2所述的一种软包装锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，步骤d）中碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯的体积比为1:2-3:4-5:7-9。
4.根据权利要求1所述的一种软包装锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，步骤g）中双向焊接极耳的焊接方式为平焊，焊接宽度为2-5毫米。
5.根据权利要求2所述的一种软包装锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，所述涂炭铝箔基体采用压延铝箔。
6.根据权利要求2或5所述的一种软包装锂离子动力电池的制备方法，其特征在于，涂炭铝箔上所用的涂层活性物质为石墨烯或单壁碳纳米管，涂层厚度为0.5-3微米。
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