发明内容:
本发明的目的在于克服以上现有技术中的不足,提供一种既能降低电池内阻,提高电池倍率性能、循环性能和低温性能,又具有高生产效率的动力储能聚合物锂离子电池及制备方法。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
.一种动力储能聚合物锂离子电池,它包括电池包括正极片、隔离膜、负极片、电解液、极耳和铝塑膜;所述的正极片和负极片分别是由具有分子级超细分散正负极浆料制得的;所述的电池由两个电芯并联组成;所述的两个电芯各含有双极耳;所述的双极耳双芯内部并联卷绕结构。
一种动力储能聚合物锂离子电池的制备方法,所述的制备方法包括如下的步骤:
A、正极浆料及正极片的制备:
①以如下的重量百分比的比例准备原材料:
聚偏氟乙烯(PVDF):3%~5%:纳米复合导电剂:2%~5%;正极材料镍钴锰酸锂Li(NixCoyMn1-x-y)O2:3%~5%;正极材料磷酸铁锂:85%~92%;
在搅拌机中将锂电池粘结剂聚偏氟乙烯加入到15~30Wt%的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中,升温并保持溶剂温度为60±5℃,在搅拌机中以自转1500-2000转/min,公转30-45转/min的速度进行真空高温搅拌得到2000-3500Mpa·s的第一级粘结剂浆料;
②在上述第一级粘结剂浆料中加入纳米复合导电剂和正极材料镍钴锰酸锂,并保持浆料温度为60±5℃,在搅拌机中以自转2500-3500转/min,公转45-65转/min的速度进行真空高速搅拌得到4500-6000Mpa·s高粘度的第二级浆料;
③将高粘度的第二级浆料全部转入高速剪切超细分散机中在转速3000-4500转/min下进行高速剪切与分子级超细分散,制得分子级超细分散的第三级浆料;
④将第三级浆料全部转回搅拌机中,加入70~85Wt%的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂和正极材料磷酸铁锂,保持浆料温度为60±5℃,在搅拌机中以自转2500-3500转/min,公转45-65转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过100-150目筛网制得粘度4500-6000Mpa·s高粘度的分子级超细分散锂离子电池正极浆料。
⑤将上述正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上,涂覆面涂布为100-180g/m2,110-130℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了正极材料的正极,正极上焊接有错开的两个极耳,制得正极片。
B、负极浆料及负极片的制备:
①以如下的重量百分比的比例准备原材料:
羧甲基纤维素钠(CMC)1.5%~2.5%:丁苯橡胶(SBR)2.0%~3.0%:纳米复合导电剂1.5%~3.0%:人造石墨:91.5%~95.0%;
在搅拌机中将粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)加入到40~60Wt%溶剂水中,在搅拌机中以自转1000-1500转/min,公转30-45转/min的速度进行真空高温搅拌得到第一级粘结剂浆料;
②在上述第一级浆料中加入纳米复合导电剂,在搅拌机中以自转2000-3000转/min,公转45-65转/min的速度进行真空高速搅拌得到高粘度的第二级浆料;
③将高粘度的第二级浆料全部转入带有高速剪切超细分散机中在转速3000-4500转/min下进行高速剪切与分子级超细分散,制得分子级超细分散的第三级浆料;
④将第三级浆料全部转回搅拌机中,加入40~60Wt%的溶剂水和负极材料人造石墨,在搅拌机中以自转2000-3000转/min,公转45-65转/min的速度进行真空高速搅拌,最后加入占丁苯橡胶(SBR),搅拌30~60min,再冷却至室温,过150目筛网制得高粘度的分子级超细分散锂离子电池负极浆料。
⑤将上述负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上,涂覆面涂布为50-100g/m2,75-85℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了负极材料的负极,负极上焊接有错开的两个极耳,制得负极片。
C、准备隔离膜:隔离膜采用厚度为20-40微米的聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(PP/PE/PP)三层隔离膜,其孔隙率在45%~60%之间;
D、准备电解液:将1.3mol/L的六氟磷酸锂LiPF6溶液加入到含有碳酸亚乙烯酯VC和聚苯乙烯塑料PS的添加剂的碳酸乙烯酯EC/碳酸二乙酯DEC/环氧塑封料EMC的有机溶剂混合物中;
E、准备铝塑膜:铝塑膜采用厚度115-150微米由外至内依次为尼龙层、粘结层、改性聚丙烯层、粘结层、铝箔、粘结层、改性聚丙烯层层状复合材料;
F、准备极耳:正极极耳采用纯度大于98%铝材质,宽度为8~30mm,厚度为0.10mm~0.20mm;负极极耳采用铜镀镍材质,宽度为8~30mm,厚度为0.10mm~0.20mm;
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所制的负极片经卷绕成电芯,电芯上分别引出两个正极极耳和两个负极极耳,两个电芯并联再同时将四个正极极耳和四个负极极耳分别焊接在带密封胶宽的一个正极极耳和一个负极极耳上,然后用步骤E的铝塑膜在175-200℃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-真空封装-化成-分容,制得动力储能聚合物锂离子电池。
所述的步骤A中锂电池粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)分子量在90万以上。
所述的步骤A中纳米复合导电剂由纳米级导电剂和纳米线状导电剂复合组成;其复合重量配比为:纳米级导电剂:纳米线状导电剂=1.5~3.0:0.5~2.0,所述的纳米级导电剂为炭黑或乙炔黑或Super-P;所述的纳米线状导电剂为碳纳米管或碳纳米纤维。
所述的步骤B中纳米复合导电剂由纳米级导电剂和纳米线状导电剂复合组成;其复合重量配比为:纳米级导电剂:纳米线状导电剂=1.0~2.0:0.5~1.0,所述的纳米级导电剂为炭黑或乙炔黑或Super-P;所述的纳米线状导电剂为碳纳米管或碳纳米纤维。
所述的步骤D中电解液有机溶剂和添加剂的体积比为EC:DEC:EMC:VC:PS=30:30:40:1.5:3.0。
所述的步骤F中正极极耳和负极极耳宽度相同,为10.0mm或15.0mm或20.0mm或25.0mm或30.0mm,厚度相同,为0.10mm或0.15mm或0.20mm。
本发明通过使用具有分子级超细分散正负极浆料制得的正负极片使电池内部极片形成三维网络导电结构,极大地改善正极材料的导电性能;少量正极材料镍钴锰酸锂的加入并经高速剪切与分子级超细分散,形成亚微米颗粒,建立起纳米复合导电剂与微米级正极材料磷酸铁锂之间的快速导电通道,提高了电池的倍率性能、循环性能和低温性能;采用双极耳双芯内部并联卷绕结构,能够降低电池内阻,提高电池倍率性能,同时具有很高的生产效率,降低电池的生产成本。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明方案,下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1:
由图1和图2中所示:由本发明的方法制作出的电池包括了电芯主体1、正极极耳2、负极极耳3、带密封胶的正极极耳4、带密封胶的负极极耳5、正极极耳密封胶6和负极极耳密封胶7。所述的正极片和负极片分别是由具有分子级超细分散正负极浆料制得的;所述的电池由两个电芯并联组成;所述的两个电芯各含有双极耳且双极耳双芯内部为并联卷绕结构。采用双极耳双芯内部并联卷绕结构,能够降低电池内阻,提高电池倍率性能,同时具有很高的生产效率,降低电池的生产成本。
在本实施例中,制作出上述结构的电池,本发明的具体方法包括以下步骤:
A:正极浆料及正极片的制备:
①以如下的重量百分比的比例准备原材料:
聚偏氟乙烯(PVDF):4.5kg,纳米复合导电剂:3.5kg,正极材料镍钴锰酸锂Li(NixCoyMn1-x-y)O2:4.0kg,正极材料磷酸铁锂:88kg。
在搅拌机中将4.5kg锂电池粘结剂聚偏氟乙烯加入到25Wt%的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中,升温并保持溶剂温度为60±5℃,在搅拌机中以自转1800转/min,公转35转/min的速度进行真空高温搅拌得到2000-3500Mpa·s的第一级粘结剂浆料;
②在上述第一级浆料中加入3.5kg纳米复合导电剂和4.0kg正极材料镍钴锰酸锂,并保持浆料温度为60±5℃,在搅拌机中以自转3000转/min,公转50转/min的速度进行真空高速搅拌得到4500-6000Mpa·s高粘度的第二级浆料;
③将高粘度的第二级浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中在转速3500转/min下进行砂磨超细分散,制得分子级超细分散的第三级浆料;
④将第三级浆料全部转回搅拌机中,加入75Wt%溶剂和88kg正极材料磷酸铁锂,保持浆料温度为60±5℃,在搅拌机中以自转3000转/min,公转50转/min的速度进行真空高速搅拌,,再冷却至室温,过100-150目筛网制得粘度4500-6000Mpa·s高粘度的分子级超细分散锂离子电池正极浆料。
⑤将上述正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上,涂覆面涂布为100-180g/m2,110-130℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了正极材料的正极,正极上焊接有错开的两个极耳,制得正极片。
B、负极浆料及负极片的制备:
①以如下的重量百分比的比例准备原材料:
羧甲基纤维素钠(CMC)2.0kg,丁苯橡胶(SBR)2.5kg,纳米复合导电剂2.0kg,人造石墨:93.5kg。
在搅拌机中将2.0kg粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)加入到50Wt%溶剂水中,在搅拌机中以自转1200转/min,公转35转/min的速度进行真空高温搅拌得到第一级粘结剂浆料;
②在上述第一级浆料中加入2.0kg纳米复合导电剂,在搅拌机中以自转2500转/min,公转50转/min的速度进行真空高速搅拌得到高粘度的第二级浆料;
③将高粘度的第二级浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中在转速3500转/min下进行砂磨超细分散,制得分子级超细分散的第三级浆料;
④将第三级浆料全部转回搅拌机中,加入50Wt%溶剂水和93.5kg负极材料人造石墨,在搅拌机中以自转2500转/min,公转50转/min的速度进行真空高速搅拌,最后加入占全部固体含量2.5kg丁苯橡胶(SBR),搅拌30~60min,再冷却至室温,过150目筛网制得高粘度的分子级超细分散锂离子电池负极浆料。
⑤将上述负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上,涂覆面涂布为50-100g/m2,75-85℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了负极材料的负极,负极上焊接有错开的两个极耳,制得负极片。
C、准备隔离膜:隔离膜采用厚度为25微米的聚丙烯PP/聚乙烯PE/聚丙烯PP三层隔离膜,其孔隙率在55%左右;
D、将1.2mol/L的LiPF6加入到含有1.5%VC+3.0%PS添加剂的EC/DEC/EMC(V/V/V=30/30/40)有机溶剂混合物中,构成电解液;
E、准备铝塑膜:铝塑膜采用厚度125微米由外至内依次为尼龙层、粘结层、改性聚丙烯层、粘结层、铝箔、粘结层、改性聚丙烯层层状复合材料;
F、准备极耳:正极极耳采用纯度大于98%铝材质,宽度为20mm,厚度为0.10mm;负极极耳采用铜镀镍材质,宽度为20mm,厚度为0.10mm;
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所制的负极片经卷绕成电芯,电芯上分别引出两个正极极耳和两个负极极耳,两个电芯并联再同时将两个正极极耳和两个负极极耳分别焊接在带密封胶宽的一个正极极耳和一个负极极耳上,然后用步骤E的铝塑膜在175-200℃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-真空封装-化成-分容,制得动力储能聚合物锂离子电池。
实施例2:
本实施例动力储能聚合物锂离子电池的制备具体来说包括以下步骤:
A、正极浆料及正极片的制备:
①以如下的重量百分比的比例准备原材料:
聚偏氟乙烯(PVDF):3.0kg,纳米复合导电剂:2.0kg,正极材料镍钴锰酸锂Li(NixCoyMn1-x-y)O2:5.0kg,正极材料磷酸铁锂:85.0kg。
在搅拌机中将3.0kg锂电池粘结剂聚偏氟乙烯加入到30Wt%溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,升温并保持溶剂温度为60±5℃,在搅拌机中以自转2000转/min,公转45转/min的速度进行真空高温搅拌得到2000-3500Mpa·s的第一级粘结剂浆料;
②在上述第一级浆料中加入2.0kg纳米复合导电剂和5.0kg正极材料镍钴锰酸锂,并保持浆料温度为60±5℃,在搅拌机中以自转3500转/min,公转60转/min的速度进行真空高速搅拌得到4500-6000Mpa·s高粘度的第二级浆料;
③将高粘度的第二级浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中在转速4000转/min下进行砂磨超细分散,制得分子级超细分散的第三级浆料;
④将第三级浆料全部转回搅拌机中,加入70Wt%N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂和85.0kg正极材料磷酸铁锂,保持浆料温度为60±5℃,在搅拌机中以自转3500转/min,公转60转/min的速度进行真空高速搅拌,,再冷却至室温,过100-150目筛网制得粘度4500-6000Mpa·s高粘度的分子级超细分散锂离子电池正极浆料。
⑤将上述正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上,涂覆面涂布为100-180g/m2,110-130℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了正极材料的正极,正极上焊接有错开的两个极耳,制得正极片。
二、负极浆料及负极片的制备:
①以如下的重量百分比的比例准备原材料:
羧甲基纤维素钠(CMC)1.5kg,丁苯橡胶(SBR)2.0kg,纳米复合导电剂1.5kg,人造石墨:95.0kg。
在搅拌机中将1.5kg粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)加入到60Wt%溶剂水中,在搅拌机中以自转1500转/min,公转45转/min的速度进行真空高温搅拌得到第一级粘结剂浆料;
②在上述第一级浆料中加入1.5kg纳米复合导电剂,在搅拌机中以自转3000转/min,公转60转/min的速度进行真空高速搅拌得到高粘度的第二级浆料;
③将高粘度的第二级浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中在转速4000转/min下进行砂磨超细分散,制得分子级超细分散的第三级浆料;
④将第三级浆料全部转回搅拌机中,加入40Wt%溶剂水和95.0kg负极材料人造石墨,在搅拌机中以自转3000转/min,公转60转/min的速度进行真空高速搅拌,最后加入2.0kg丁苯橡胶(SBR),搅拌30~60min,再冷却至室温,过150目筛网制得高粘度的分子级超细分散锂离子电池负极浆料。
⑤将上述负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上,涂覆面涂布为50-100g/m2,75-85℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了负极材料的负极,负极上焊接有错开的两个极耳,制得负极片。
步骤C~G同实施例1。
实施例3:
本实施例动力储能聚合物锂离子电池的制备具体来说包括以下步骤:
一、正极浆料及正极片的制备:
①以如下的重量百分比的比例准备原材料:
聚偏氟乙烯(PVDF):5.0kg,纳米复合导电剂:4.5kg,正极材料镍钴锰酸锂Li(NixCoyMn1-x-y)O2:3.0kg,正极材料磷酸铁锂:92.0kg。
在搅拌机中将5.0kg粘结剂聚偏氟乙烯加入到15Wt%溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,升温并保持溶剂温度为60±5℃,在搅拌机中以自转1500转/min,公转30转/min的速度进行真空高温搅拌得到2000-3500Mpa·s的第一级粘结剂浆料;
②在上述第一级浆料中加入4.5kg纳米复合导电剂和3.0kg正极材料镍钴锰酸锂,并保持浆料温度为60±5℃,在搅拌机中以自转2500转/min,公转45转/min的速度进行真空高速搅拌得到4500-6000Mpa·s高粘度的第二级浆料;
③将高粘度的第二级浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中在转速3000转/min下进行砂磨超细分散,制得分子级超细分散的第三级浆料;
④将第三级浆料全部转回搅拌机中,加入85Wt%溶剂和92.0kg正极材料磷酸铁锂,保持浆料温度为60±5℃,在搅拌机中以自转2500转/min,公转45转/min的速度进行真空高速搅拌,,再冷却至室温,过100-150目筛网制得粘度4500-6000Mpa·s高粘度的分子级超细分散锂离子电池正极浆料。
⑤将上述正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上,涂覆面涂布为100-180g/m2,110-130℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了正极材料的正极,正极上焊接有错开的两个极耳,制得正极片。
二、负极浆料及负极片的制备:
①以如下的重量百分比的比例准备原材料:
羧甲基纤维素钠(CMC)2.5kg,丁苯橡胶(SBR)3.0kg,纳米复合导电剂3.0kg,人造石墨:91.5kg。
在搅拌机中将2.5kg粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)加入到40Wt%的溶剂水中,在搅拌机中以自转1000转/min,公转30转/min的速度进行真空高温搅拌得到第一级粘结剂浆料;
②在上述第一级浆料中加入3.0kg纳米复合导电剂,在搅拌机中以自转2000转/min,公转45转/min的速度进行真空高速搅拌得到高粘度的第二级浆料;
③将高粘度的第二级浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中在转速3000转/min下进行砂磨超细分散,制得分子级超细分散的第三级浆料;
④将第三级浆料全部转回搅拌机中,加入60Wt%溶剂水和91.5kg负极材料人造石墨,在搅拌机中以自转2000转/min,公转45转/min的速度进行真空高速搅拌,最后加入3.0kg丁苯橡胶(SBR),搅拌30~60min,再冷却至室温,过150目筛网制得高粘度的分子级超细分散锂离子电池负极浆料。
⑤将上述负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上,涂覆面涂布为50-100g/m2,75-85℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了负极材料的负极,负极上焊接有错开的两个极耳,制得负极片。
步骤C~G与实施例1相同。
比较例1:
本比较例动力储能聚合物锂离子电池的制备具体来说包括以下步骤:
A、正极浆料及正极片的制备:
本比较例的锂离子电池正极浆料由N-甲基吡咯烷酮(NMP)、粘结剂聚偏氟乙烯、导电剂Super-P、LiFePO4正极材料混合而成,聚偏氟乙烯、导电剂Super-P、LiFePO4的重量配比为聚偏氟乙烯:导电剂Super-P:正极材料=4.5%:3.0%:92.5%。本比较例正极浆料的制备具体来说包括以下步骤:
①在行星式混合搅拌机中将粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)加入到45Wt%溶剂中,在搅拌机中以自转1000-1500转/min,公转20-30转/min的速度进行真空高温搅拌得到1000-3000Mpa·s的第一级浆料;
②在上述第一级浆料中加入全部的导电剂Super-P,在搅拌机中以自转2000-2500转/min,公转30-45转/min的速度进行真空高速搅拌得到2500-4500Mpa·s高粘度的第二级浆料;
③在上述浆料中,加入55Wt%溶剂和全部的磷酸铁锂正极材料,在搅拌机中以自转1800-2000转/min,公转30-45转/min的速度进行真空高速搅拌,结束后过100-150目筛网制得粘度4500-6000Mpa·s的锂离子电池正极浆料。
B、负极浆料及负极片的制备:
①本比较例的锂离子电池负极浆料由溶剂水、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、导电剂Super-P、人造石墨混合而成,羧甲基纤维素钠(CMC):丁苯橡胶(SBR):导电剂Super-P:人造石墨=1.7%:2.8%:1.5%:94.0%;
在搅拌机中将粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)加入到40Wt%溶剂水中,在搅拌机中以自转1000转/min,公转30转/min的速度进行真空高温搅拌得到第一级粘结剂浆料;
②在上述第一级浆料中加入占全部固体含量1.5%的导电剂Super-P,在搅拌机中以自转1500转/min,公转45转/min的速度进行真空高速搅拌得到高粘度的第二级浆料;
③在第二级浆料中加入60Wt%溶剂水和负极材料人造石墨,在搅拌机中以自转1500转/min,公转45转/min的速度进行真空高速搅拌,最后加入占全部固体含量2.8%的丁苯橡胶(SBR),搅拌30~60min,再冷却至室温,过150目筛网制得高粘度的分子级超细分散锂离子电池负极浆料。
④将上述负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上,涂覆面涂布为50-100g/m2,75-85℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了负极材料的负极,负极上焊接有错开的两个极耳,制得负极片。
比较例中还有步骤C~F,其步骤和方法与同实施例1的步骤C~F相同。
七、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所制的负极片经卷绕成电芯,电芯上分别引出一个正极极耳和一个负极极耳,然后用步骤E的铝塑膜在175-200℃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-真空封装-化成-分容,制得动力储能聚合物锂离子电池。
下列表格中是各实施例和比较例制备的聚合物磷酸铁锂电池的性能对比。
表1:各实施例和比较例制备的聚合物磷酸铁锂电池性能
表2是实施例1和比较例1制备的聚合物磷酸铁锂电池放电倍率性能对比情况。
表2:
从图2可以看出,实施例1制备的聚合物磷酸铁锂电池1C充放电循环300次,容量保持率仍然为在98.5%,具有优异的循环性能。