CN104022278B - 一种圆柱锂离子电池电芯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆柱锂离子电池电芯及其制备方法，其正极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：镍钴锰酸锂95.5‑98.8％,导电石墨0‑0.5％,导电剂0.5‑2％,聚偏氟乙烯0.7‑2.0％；其负极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：石墨94.5‑97.5％,SP0‑1.0％,CMC1‑2％,SBR1.5‑2.5％。本发明提供的18650‑2500mAh型号容量圆柱锂离子电池电芯,具有成本低、容量高(2500mAh)、循环性能优越(0.5/0.5C300周保持率80％以上)的特点。本发明还提供了圆柱锂离子电池电芯的制备方法，该方法具有溶剂使用量少、涂布的效率高和能耗低的特点。

Description

一种圆柱锂离子电池电芯及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种圆柱锂离子电池电芯及其制备方法。
背景技术
目前，18650-2500mAh型号容量电芯的正极材料大都采用克容量143mAh/g,压实度4.2g/cm的钴酸锂系列锂离子电芯，因为钴酸锂材料的颗粒形貌及分子结构特性决定了它的克容量和压实度，现有的材料在规定的18650型号，通过钴酸锂正极的压实及克容量的调配可以制造出2500mAh容量的圆柱电芯；而为了降低成本,部分厂家在钴酸锂中，添加克容量153-165mAh/g,压实度为3.5-3.9g/cm3的三元材料也可以制造2500mAh容量的圆柱电芯；但是因为型号空间的限制，现有正极材料只能是使用纯钴酸锂或者混合三元制造。而采用钴酸锂或钴酸锂加三元材料作为正极材料的电芯存在如下缺点：成本高、容量低(2450mAh)、循环性能差(0.5/0.5C200周保持率80％以上)。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一旨在提供一种圆柱锂离子电池电芯，它具有成本低、容量高(2500mAh)、循环性能优越(0.5/0.5C300周保持率80％以上)的特点。
本发明的目的之二旨在提供一种圆柱锂离子电池电芯的制备方法，该方法具有溶剂使用量少、涂布的效率高和能耗低的特点。
实现本发明的目的之一可以通过采取如下技术方案达到：
一种圆柱锂离子电池电芯，其特征在于，其正极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：镍钴锰酸锂95.5-98.8％,导电石墨0-0.5％,导电剂0.5-2％,聚偏氟乙烯(PVDF)0.7-2.0％。
正极材料的配方设计原理：
1、镍钴锰酸锂的作用是电芯充放电过程中，产生锂离子的成份，体现电芯容量的物质；规定在95.5-98.8％范围是为了预留足够的比例给导电剂和粘结剂，小于95.5，电芯容量难以设计达到2500，大于98.8电芯极片容易脱粉或者电芯内阻大。
2、导电石墨的作用是极片对辊过程中，软化极片。规定在0-0.5％范围，大于0是为了有效的用它将极片韧性变好，但是超过0.5影响电芯容量的设计，且电芯极片韧性也不会随它的剂量增多变更好。
3、导电剂的作用是极片中起到传导电子作用。规定在0.5-2.0％范围,设定值大于0.5为了充足的导电剂减小极片的内阻，充分发挥活性物克容量，小于2是为了预留更多空间给活性物，且增加剂量也无助于活性物克容量发挥。
4、聚偏氟乙烯作用是粘结剂，将正极材料黏附在积流体铝箔上面。规定在0.7-2.0％范围，设计值大于0.7是为了有充足的粘结剂将上面的材料粘附在铝箔上面，保证极片的加工性能及材料容量发挥，小于2为了预留更多空间给活性物，且增加剂量也无助于活性物克容量发挥，还会增加电芯内阻，影响电芯容量性能。
优选地，所述圆柱锂离子电池电芯的负极材料，是由按质量百分比计的以下原料组成：石墨94.5-97.5％,SP0-1.0％,CMC1-2％,SBR1.5-2.5％。
优选地，所述圆柱锂离子电池电芯,其正极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：镍钴锰酸锂95.5-98.8％,导电石墨0.1-0.5％,导电剂0.5-2％,聚偏氟乙烯(PVDF)0.7-2.0％；其负极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：石墨94.5-97.5％,SP0.1-1.0％,CMC1-2％,SBR1.5-2.5％。
优选地，所述导电剂为CNT(碳纳米管)、CNC(复合碳纳米管)或SP(导电碳黑)。
优选地，所述导电石墨为KS-6(鳞片石墨)。
实现本发明的目的之二可以通过采取如下技术方案达到：
一种圆柱锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
1)按照上述目的之一所述的正极材料和负极材料的配方配比称取原料，通过双行星打浆机分别将正极材料、负极材料制作成正极浆料和负极浆料；其中，工艺参数：公转50Rpm、自转1500Rpm，时间3H；
2)采用间隙涂布机，将正极浆料涂覆在铝箔上制成含水量<0.12％的正极片，将负极浆料涂覆在铜箔上制成含水量<0.4％负极片；其中，工艺参数：温度设定在100-115℃，速度7-10米/min；
3)在湿度<60％RH，温度25±5℃的环境下先将正负极极片分别分切并焊接成正极极耳、负极极耳后(正极为铝带，负极为镍带或镀镍钢带)，再用卷绕机将隔膜、正极极片、负极极片卷绕成卷芯，经过外观及短路检测合格后，将上绝缘片、卷芯、下绝缘片层叠后，放置入直径为18±0.4mm、高度68±0.5mm的钢壳，通过逆变焊接机将负极极耳与钢壳焊接相连，经过滚槽后，进烘箱，在85±10℃的条件下烘烤30±10H，再全检短路，合格产品转入湿度<2％RH、温度25±5℃的手套箱中，注入5.3±0.5g电解液，通过激光焊焊接正极极耳到盖帽上，然后扣好盖帽到钢壳上送入全封机加工成直径18mm，高度65mm的18650标准电芯；
4)将18650标准电芯清洗涂防锈油后，再将18650标准电芯在温度25-45℃的环境下老化36H后，上到化成柜上进行化成，结束后，将电芯先在温度40±5℃的环境下老化三天，然后在温度25±5℃的环境下老化四天，老化过程中包好PET，然后通过配组机筛选电芯成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、最后将容量>2520mAh，FQC外观全检合格后的电芯，按照容量10mAh,电压3mV，内阻2mΩ配好组，OQC全检合格后出货。
优选地，在步骤1)的正极材料的配方中独立添加占正极材料总量的0.1-0.5％的草酸。可以中和三元的碱性，减少浆料吸水、增强浆料的流动性，提升涂布的稳定性，保障电芯的容量一致性，涂布后草酸受热分解，不影响电芯的材料配方比例和综合性能。
优选地，化成的工艺参数如下：上限电压：4200mV，恒流：125-500mA，时间：120min；上限电压：4200mV，恒流恒压：500-1000mA，时间：420min，终止电流：25mA。
优选地，单充的处理过程如下：
第一步：恒流恒压充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流1500mA，时间300min，终止电流25mA；
第二步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第三步：恒流放电，工艺参数为：下限电压2750mV,放电电流1250mA,时间150min；
第四步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第五步：恒流充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流1250mA，时间40min；
第六步：恒流充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流500mA，时间20min。
优选地，所述盖帽为17.5*3.9mm的含PTC及CID的盖帽。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过配方革新及三元性能改良(克容量提升，压实加大)将现有钴酸锂或钴酸锂加三元的高成本、容量低(2450mAh)、循环性能差(0.5/0.5C200周保持率80％以上)的正极体系，完全替换为纯三元(镍钴锰酸锂)低成本、容量高(2500mAh)、循环性能优越(0.5/0.5C300周保持率80％以上)的正极体系，负极石墨(活性物主材)含量由原来的93.8％大幅提升到95.5％以上，这样可以在18650型号电芯定量的空间里装入更多的活性成分做出更大容量的电芯，且电芯的性能符合国家要求。因此，本发明将18650-2500mAh型号容量锂离子电池电芯的容量由现有的0.2/0.2C充放容量2450mAh提升到2500mAh以上，循环性能优越(0.5/0.5C300周保持率80％以上)，价格由现在的9元以上直接下降到8元以下。
2、本发明的制备方法中配料的溶剂使用量由原来的33％，减少到30％，涂布的效率提升3％(浆料溶剂含量减少，涂布时极片容易干燥)，涂布温度由原来的平均120℃，降低到现在的115℃，能耗降低4％。本发明的制备方法中在步骤1)的正极材料的配方中独立添加占正极材料总量的0.1-1％的草酸，可以中和三元的碱性，减少浆料吸水、增强浆料的流动性，提升涂布的稳定性，保障电芯的容量一致性，涂布后草酸受热分解，不影响电芯的材料配方比例和综合性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做具体说明
实施例1：
一种圆柱锂离子电池电芯，包括由正极材料制成的正极片和由负极材料制成的负极片。
其正极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：镍钴锰酸锂96.8％,导电石墨0.30％,导电剂1.40％,聚偏氟乙烯(PVDF)1.50％。
其负极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：石墨95.5％,SP(导电碳黑)1.0％,CMC(羧甲基纤维素钠)1.5％,SBR(丁苯橡胶)2.0％。
所述导电剂为CNT(碳纳米管)、CNC(复合碳纳米管)或SP(导电碳黑)。所述导电石墨为KS-6(鳞片石墨)。
一种圆柱锂离子电池电芯的制备方法，按以下步骤进行：
1)按照上述正极材料和负极材料的配方配比称取原料，通过双行星打浆机分别将正极材料、负极材料制作成正极浆料和负极浆料；其中，工艺参数：公转50Rpm、自转1500Rpm，时间3H；
2)采用间隙涂布机，将正极浆料涂覆在铝箔上制成含水量<0.12％的正极片，将负极浆料涂覆在铜箔上制成含水量<0.4％负极片；其中，工艺参数：温度设定在100-115℃，速度7-10米/min；
3)在湿度<60％RH，温度25±5℃的环境下先将正负极极片分别分切并焊接成正极极耳、负极极耳后(正极为铝带，负极为镍带或镀镍钢带)，再用卷绕机将隔膜、正极极片、负极极片卷绕成卷芯，将经过外观及短路检测合格后，将上绝缘片、卷芯、下绝缘片层叠后，放置入直径为18±0.4mm、高度68±0.5mm的钢壳，通过逆变焊接机将负极极耳与钢壳焊接相连，经过滚槽后，进烘箱，在85±10℃的条件下烘烤40H，再全检短路，合格产品转入湿度<2％RH、温度25±5℃的手套箱中，注入5.3±0.5g电解液，通过激光焊焊接正极极耳到盖帽上，所述盖帽为17.5*3.9mm的含PTC及CID的盖帽，然后扣好盖帽到钢壳上送入全封机加工成直径18mm，高度65mm的18650标准电芯；
4)将18650标准电芯清洗涂防锈油后，再将18650标准电芯在温度25-45℃的环境下老化36H后，上到化成柜上进行化成，结束后，将电芯先在温度40±5℃的环境下老化三天，然后在温度25±5℃的环境下老化四天，老化过程中包好PET，然后通过配组机筛选电芯成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、最后将容量>2520mAh，FQC外观全检合格后的电芯，按照容量10mAh,电压3mV，内阻2mΩ配好组，OQC全检合格后出货。
在步骤1)的正极材料的配方中独立添加占正极材料总量的0.1-0.5％的草酸。可以中和三元的碱性，减少浆料吸水、增强浆料的流动性，提升涂布的稳定性，保障电芯的容量一致性，涂布后草酸受热分解，不影响电芯的材料配方比例和综合性能。
步骤4)所述化成的工艺参数如下：上限电压：4200mV，恒流：125-500mA，时间：120min；上限电压：4200mV，恒流恒压：500-1000mA，时间：420min，终止电流：25mA。
步骤4)所述单充的处理过程如下：
第一步：恒流恒压充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流1500mA，时间300min，终止电流25mA；
第二步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第三步：恒流放电，工艺参数为：下限电压2750mV,放电电流1250mA,时间150min；
第四步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第五步：恒流充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流1250mA，时间40min
第六步：恒流充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流500mA，时间20min。
优选地，步骤3)所述盖帽为17.5*3.9mm的含PTC及CID的盖帽。
实施例2:
本实施例的特点是：
其正极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：镍钴锰酸锂98.8％,导电石墨0％,导电剂0.5％,聚偏氟乙烯(PVDF)0.7％。
其负极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：石墨97.5％,SP(导电碳黑)0％,CMC(羧甲基纤维素钠)1％,SBR(丁苯橡胶)1.5％。
其他与实施例1相同。
实施例3:
本实施例的特点是：
其正极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：镍钴锰酸锂95.5％,导电石墨0.5％,导电剂2％,聚偏氟乙烯(PVDF)2.0％。
其负极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：石墨94.5％,SP(导电碳黑)1.0％,CMC(羧甲基纤维素钠)2％,SBR(丁苯橡胶)2.5％。
其他与实施例1相同。
实施例4:
本实施例的特点是：
其正极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：镍钴锰酸锂95.9％,导电石墨0.1％,导电剂2％,聚偏氟乙烯(PVDF)2.0％。
其负极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：石墨94.9％,SP(导电碳黑)0.1％,CMC(羧甲基纤维素钠)2％,SBR(丁苯橡胶)2.5％。
其他与实施例1相同。
对比例1：
常规的18650-2500mAh型号容量电芯的正极材料及负极材料的具体配方见表1。
表1 常规正极材料及负极材料的配方表
通过以上对比本发明的实施例1与对比例1，清晰的证明本发明的实施例1配方将正极三元(镍钴锰酸锂)含量由原来的94％大幅提升到97.4％，通过配方革新及三元性能改良(克容量提升，压实加大)将现有钴酸锂或钴酸锂加三元的高成本、容量低(2450mAh)、循环性能差(0.5/0.5C200周保持率80％以上)的正极体系，完全替换为纯三元(镍钴锰酸锂)低成本、容量高(2500mAh)、循环性能优越(0.5/0.5C300周保持率80％以上)的正极体系，负极石墨(活性物主材)含量由原来的93.8％大幅提升到95.5％，这样可以在18650型号电芯定量的空间里装入更多的活性成分做出更大容量的电芯，且电芯的性能符合国家要求。
上述实施例仅为本发明优选的实施案例，不能以此来限定本发明所要求保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的及替换均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种圆柱锂离子电池电芯，其特征在于，其正极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：镍钴锰酸锂95.5-98.8％,导电石墨0-0.5％,导电剂0.5-2％,聚偏氟乙烯0.7-2.0％；其中所述导电剂为碳纳米管、复合碳纳米管或导电碳黑，其负极材料是由按质量百分比计的以下原料组成：石墨94.5-97.5％,导电碳黑0-1.0％,羧甲基纤维素钠1-2％,丁苯橡胶1.5-2.5％；所述圆柱锂离子电池电芯的制备方法如下：
1)按照正极材料和负极材料的配方配比称取原料，通过双行星打浆机分别将正极材料、负极材料制作成正极浆料和负极浆料；其中，工艺参数：公转50Rpm、自转1500Rpm，时间3H；
2)采用间隙涂布机，将正极浆料涂覆在铝箔上制成含水量<0.12％的正极片，将负极浆料涂覆在铜箔上制成含水量<0.4％负极片；其中，工艺参数：温度设定在100-115℃，速度7-10米/min；
3)在湿度<60％RH，温度25±5℃的环境下先将正负极极片分别分切并焊接正极极耳、负极极耳后，再用卷绕机将隔膜、正极极片、负极极片卷绕成卷芯，经过外观及短路检测合格后，将上绝缘片、卷芯、下绝缘片层叠后，放置入直径为18±0.4mm、高度为68±0.5mm的钢壳，通过逆变焊接机将负极极耳与钢壳焊接相连，经过滚槽后，进烘箱，在85±10℃的条件下烘烤30±10H，再全检短路，合格产品转入湿度<2％RH、温度25±5℃的手套箱中，注入5.3±0.5g电解液，通过激光焊焊接正极极耳到盖帽上，然后扣好盖帽到钢壳上送入全封机加工成直径18mm，高度65mm的18650标准电芯；
4)将18650标准电芯清洗涂防锈油后，再将18650标准电芯在温度25-45℃的环境下老化36H后，上到化成柜上进行化成，结束后，将电芯先在温度40±5℃的环境下老化三天，然后在温度25±5℃的环境下老化四天，老化过程中包好PET，然后通过配组机筛选电芯成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、最后将容量>2520mAh，FQC外观全检合格后的电芯，按照容量10mAh,电压3mV，内阻2mΩ配好组，OQC全检合格后出货。
2.根据权利要求1所述的圆柱锂离子电池电芯，其特征在于:所述导电石墨为鳞片石墨。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的圆柱锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
1)按照正极材料和负极材料的配方配比称取原料，通过双行星打浆机分别将正极材料、负极材料制作成正极浆料和负极浆料；其中，工艺参数：公转50Rpm、自转1500Rpm，时间3H；
2)采用间隙涂布机，将正极浆料涂覆在铝箔上制成含水量<0.12％的正极片，将负极浆料涂覆在铜箔上制成含水量<0.4％负极片；其中，工艺参数：温度设定在100-115℃，速度7-10米/min；
3)在湿度<60％RH，温度25±5℃的环境下先将正负极极片分别分切并焊接正极极耳、负极极耳后，再用卷绕机将隔膜、正极极片、负极极片卷绕成卷芯，经过外观及短路检测合格后，将上绝缘片、卷芯、下绝缘片层叠后，放置入直径为18±0.4mm、高度为68±0.5mm的钢壳，通过逆变焊接机将负极极耳与钢壳焊接相连，经过滚槽后，进烘箱，在85±10℃的条件下烘烤30±10H，再全检短路，合格产品转入湿度<2％RH、温度25±5℃的手套箱中，注入5.3±0.5g电解液，通过激光焊焊接正极极耳到盖帽上，然后扣好盖帽到钢壳上送入全封机加工成直径18mm，高度65mm的18650标准电芯；
4)将18650标准电芯清洗涂防锈油后，再将18650标准电芯在温度25-45℃的环境下老化36H后，上到化成柜上进行化成，结束后，将电芯先在温度40±5℃的环境下老化三天，然后在温度25±5℃的环境下老化四天，老化过程中包好PET，然后通过配组机筛选电芯成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、最后将容量>2520mAh，FQC外观全检合格后的电芯，按照容量10mAh,电压3mV，内阻2mΩ配好组，OQC全检合格后出货。
4.根据权利要求3所述的圆柱锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于：在步骤1)的正极材料的配方中独立添加占正极材料总量的0.1-1％的草酸。
5.根据权利要求3所述的圆柱锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于：步骤4)中，化成的工艺参数如下：上限电压：4200mV，恒流：125-500mA，时间：120min；上限电压：4200mV，恒流恒压：500-1000mA，时间：420min，终止电流：25mA。
6.根据权利要求3所述的圆柱锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于，步骤4)中，还包括单充处理过程，具体如下：
第一步：恒流恒压充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流1500mA，时间300min，终止电流25mA；
第二步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第三步：恒流放电，工艺参数为：下限电压2750mV,放电电流1250mA,时间150min；
第四步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第五步：恒流充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流1250mA，时间40min；
第六步：恒流充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流500mA，时间20min。
7.根据权利要求3所述的圆柱锂离子电池电芯的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述盖帽为17.5*3.9mm的含PTC及CID的盖帽。
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