CN104134818A - 一种高比能量锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

一种高比能量锂离子电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高比能量锂离子电池及其制备方法,包括正极极片,负极极片和隔膜,其中,正极极片上活性物质为镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2;负极极片上活性物质为硅碳材料。一种高比能量锂离子电池的制备方法,包括如下步骤:制作正极极片,正极极片上活性物质为镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2;制作负极极片,负极极片上活性物质为硅碳材料;采用上述正极极片、负极极片、celgard隔膜经卷绕或者叠片制成动力电池电芯。本发明具有较高的比能量,库伦效率高,循环稳定性好。工艺简单,成本低,易于工业化生产。

Description

一种高比能量锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池材料领域,具体涉及一种高比能量锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、重量轻、体积小、循环寿命长、无记忆、污染小等优点,做为储能设备,在手机、笔记本电脑、照相机等便携式电子设备中以及汽车、航天、医疗等设备中均有广泛的应用。目前应用于3C电子产品的锂离子电池比能量密度日益提高,特别是手机电池,能量密度已达到约550Wh/L,另外,国家《节能与新能源汽车产业发展规划2012-2020年》指出,到2015年,新能源汽车动力电池模块比能量达到150Wh/kg以上。随着科学技术的进步,人们对锂离子电池提出了更高的要求(高容量、高能量密度、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、对环境无污染)。
为提高锂离子电池比能量,开发高比容量的正极材料,中国专利申请公开号CN102544475A公开了富锂锰酸锂固溶体正极材料的制备方法,材料的化学通式为Li2MnO3-LiMO2,其中M为Ni、Co、Mn等过渡金属中的至少一种,组装扣式电池测试,放电比容量高达245mAh/g~271mAh/g。中国专利(赵煜娟、孙召琴、冯海兰等,一种球形梯度富锂正极材料的合成方法,中国专利申请公开号CN102013481A公开了一种球形梯度富锂正极材料xLi2MnO3·(1-x)Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2(0.1≤x≤0.4)的合成方法,首次放电比电容量为242mAh/g,50次循环后比容量为221mAh/g。这类正极材料存在的一个最大的问题就是在首次充电到4.5V以上时,发生不可逆的电化学反应xLi2Mn O3·(1-x)MO2→xMnO2·(1-x)MO2+xLi2O,即材料中的Li+以Li2O的形式从晶胞中脱出,放电时这部分锂离子无法全部再嵌入到原有晶胞,导致材料具有较大的首次不可逆容量,库伦效率较低,且循环稳定性差。
为提高锂离子电池比能量,开发高比容量的负极材料,硅基材料理论比容量达4200mAh/g,可是,首次库伦效率低,且在嵌脱锂的过程中具有很大的体积效应,体积膨胀率>300%,导致在充放电过程中材料的粉化、脱落,导致电池循环性能差。
由以上正负极材料组成的锂离子电池,由于首次消耗较多的活性锂,使得电池的比能量降低,循环性能较差,且容易气胀,安全性能差,难以实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高比能量锂离子电池及其制备方法,具有较高的比能量,库伦效率高,循环稳定性好。工艺简单,成本低,易于工业化生产。具体技术方案如下:
一种高比能量锂离子电池,包括正极极片,负极极片和隔膜,其中,正极极片上活性物质为镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2;负极极片上活性物质为硅碳材料。
一种高比能量锂离子电池的制备方法,包括如下步骤:
(1)制作正极极片,正极极片上活性物质为镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2
(2)制作负极极片,负极极片上活性物质为硅碳材料;
(3)采用上述正极极片、负极极片、celgard隔膜经卷绕或者叠片制成动力电池电芯。
进一步地,镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2中0.05≤a≤0.25,x+y+z=1,0≤x<1,0<y≤1,0≤z<1。
进一步地,步骤(1)中具体包括如下步骤:
(1-1)按照正极材料镍钴锰酸锂:正极导电剂:正极粘结剂=(87~96):(1~5):(3~8)称取并混合;
(1-2)用1-甲基-2-吡咯烷酮NMP做溶剂,搅拌调制成浆料;
(1-3)经涂布、干燥、辊压、裁片制成锂离子电池正极片。
进一步地,步骤(2)中具体包括如下步骤:
(2-1)按照负极材料硅碳:负极导电剂:负极粘结剂=(89~97):(1~4):(2~7)称取并混合;
(2-2)蒸馏水做溶剂,搅拌调制成浆料;
(2-3)经涂布、干燥、辊压、裁片制成锂离子电池负极片。
进一步地,步骤(3)中,在充满氩气气氛的手套箱内进行电池注液,经预充、化成、分容,得到高比能量锂离子电池。
进一步地,所述的镍锰钴酸锂为Li1+aNixCoyMnzO2,其中,0.05≤a≤0.25,x:y:z=1:1:1或4:2:4或5:2:3或6:2:2或70:15:15或8:1:1或z=1;和/或,所述的镍锰钴酸锂累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径为5~20μm,比表面积为0.15~0.85m2/g。
进一步地,所述正极片压实密度大于3.5g/cm3;和/或,所述正极导电剂包括乙炔黑、Ks-6、ECP、气相生长碳纤维、碳纳米管中的一种或几种;和/或,所述正极粘接剂为聚偏氟乙烯。
进一步地,所述负极导电剂包括乙炔黑、Ks-6、ECP、气相生长碳纤维VGCF、碳纳米管、炭黑中的一种或几种;和/或,所述负极粘接剂包括海藻酸钠、海藻酸锂、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠CMC和丁苯橡胶SBR中的一种或几种;和/或,所述硅碳比容量大于400mAh/g,首次库伦效率大于80%;和/或,所述硅碳累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径D50为5~25μm,比表面积为1.5~7m2/g;和/或,所述负极片压实密度为1.5~1.85g/cm3
进一步地,所述电解液为1.5~2.0mol/L LiPF6的EC乙基碳酸酯+DMC二甲基碳酸酯溶液,添加剂质量百分比FEC氟代碳酸乙烯酯0.5%~8%,和/或VC氟代碳酸乙烯酯0.5%~2%,和/或SA丁二酸酐0.5%~8%;和/或,步骤(1-2)中浆料粘度为:4000~1100mPa·s;和/或,步骤(2-2)中浆料粘度为:1800~15000mPa·s。
与目前现有技术相比,本发明具有较高的比能量,库伦效率高,循环稳定性好。工艺简单,成本低,易于工业化生产。具体来说:
(1)本发明一种高比能量锂离子电池制备方法,正极极片上活性物质为镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2(0.05≤a≤0.25,x+y+z=1,0≤x<1,0<y≤1,0≤z<1),负极极片上活性物质为硅碳材料,正负极材料都具有较高的比容量,且压实密度高,从而得到高比能量锂离子电池。
(2)本发明一种高比能量锂离子电池制备方法,正极极片上活性物质为镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2(0.05≤a≤0.25,x+y+z=1,0≤x<1,0<y≤1,0≤z<1),负极极片上活性物质为硅碳材料,在首次充电过程中,正极上过多的锂嵌入负极中,弥补硅基材料的首次不可逆反应,放电时,负极脱锂嵌入正极中,使得正极材料为LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1,0≤x<1,0<y≤1,0≤z<1),正负极材料都达到稳定状态,从而提高锂离子电池的循环稳定性。
(3)负极粘结剂为海藻酸钠、海藻酸锂、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶中的一种或几种,具有粘性高、弹性模量高,可抑制负极嵌锂时体积膨胀,并且,海藻酸锂含锂离子有助于硅碳材料表面形成稳定的SEI膜。
(4)电解液为为1.5~2.0mol/L LiPF6可向负极硅碳补充锂,弥补不可逆锂,且有利于电池的快速脱嵌锂离子,具有较好的循环性能、倍率性能。电解液添加剂FEC、VC、SA有助于硅碳负极材料表面形成致密的SEI,又不增加阻抗,提高循环性能,且使高比能量锂离子电池具有良好的高低温性能,防气胀。
(5)其制备工艺简单,操作方便,易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明制备的高比能量锂离子电池放电循环性能曲线
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述,其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
一种高比能量锂离子电池制备方法,正极极片上活性物质为镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2(0.05≤a≤0.25,x+y+z=1,0≤x<1,0<y≤1,0≤z<1),负极极片上活性物质为硅碳材料。称料、搅拌调制成浆料,经涂布、干燥、辊压、裁片制成锂离子电池极片,注液。经预充、化成、分容,得到高比能量锂离子电池。该锂离子电池,正极极片上活性物质为镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2(0.05≤a≤0.25,x+y+z=1,0≤x<1,0<y≤1,0≤z<1),负极极片上活性物质为硅碳材料。在首次充电过程中,正极上过多的锂嵌入负极中,弥补硅基材料的首次不可逆反应,放电时,负极脱锂嵌入正极中,使得正极材料为LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1,0≤x<1,0<y≤1,0≤z<1),从而保证锂离子电池具有库伦效率高,循环稳定,能量密度高。方法可以优选如下:
步骤1、极片制作
按照正极材料镍钴锰酸锂:正极导电剂:正极粘结剂=(87~96):(1~5):(3~8)称取并混合,用1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)做溶剂,搅拌调制成浆料,浆料粘度为:4000~1100mPa·s,经涂布、干燥、辊压、裁片制成锂离子电池正极片。
按照负极材料硅碳:负极导电剂:负极粘结剂=(89~97):(1~4):(2~7)称取并混合,蒸馏水做溶剂,搅拌调制成浆料,浆料粘度为:1800~15000mPa·s,经涂布、干燥、辊压、裁片制成锂离子电池负极片。
步骤2、制作高比能量锂离子电池
上述正、负极极片、celgard隔膜经卷绕或者叠片成电池芯。在充满氩气气氛的手套箱内进行电池注液。经预充、化成、分容,得到高比能量锂离子电池。
所述的镍锰钴酸锂优选为Li1+aNixCoyMnzO2(0.05≤a≤0.25,x:y:z=1:1:1或4:2:4或5:2:3或6:2:2或70:15:15或8:1:1或z=1)
所述的镍锰钴酸锂累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径为5~20μm,比表面积为0.15~0.85m2/g。
所述正极片压实密度大于3.5g/cm3
所述硅碳比容量大于400mAh/g,首次库伦效率大于80%,优选为硅碳比容量大于420mAh/g,首次库伦效率大于85%。
所述硅碳累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径(D50)为5~25μm,比表面积为1.5~7m2/g。
所述负极片压实密度为1.5~1.85g/cm3
所述正极导电剂包括乙炔黑、Ks-6、ECP、气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管中的一种或几种。
所述正极粘接剂为聚偏氟乙烯。
所述负极导电剂包括乙炔黑、Ks-6、ECP、气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管、炭黑中的一种或几种。
所述负极粘接剂包括海藻酸钠、海藻酸锂、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)中的一种或几种。
所述电解液为为1.5~2.0mol/L LiPF6的EC(乙基碳酸酯)+DMC(二甲基碳酸酯)(体积比1:1)溶液,添加剂质量百分比FEC(氟代碳酸乙烯酯)0.5%~8%,和/或VC(氟代碳酸乙烯酯)0.5%~2%,和/或SA(丁二酸酐)0.5%~8%。
实施例1
本实施例提供一种高比容量锂离子电池制备方法,选用的正极材料为Li1.15Ni1/3Co1/3Mn1/3O2,累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径为12.5μm,比表面积为0.23m2/g。负极材料为硅碳材料(比容量为500mAh/g,首次库伦效率为82%),其包括以下步骤。
(1)正极极片制作:按照Li1.15Ni1/3Co1/3Mn1/3O2:乙炔黑:聚偏氟乙烯(PVDF)=92.5:3:4比例混合材料,用1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)做溶剂搅拌调制成浆料,经涂布、干燥、辊压(压实密度为3.65g/cm3)、裁片制成锂离子电池正极片。
(2)负极极片制作:按照负极材料硅碳:乙炔黑:海藻酸钠=94.5:1.5:3比例混合材料,用蒸馏水做溶剂搅拌调制成浆料,经涂布、干燥、辊压(压实密度为1.6g/cm3)、裁片制成锂离子电池负极片。
(3)采用上述正极极片、负极极片、celgard2400隔膜叠片制成动力电池电芯。电解液为1.5mol/L LiPF6的EC(乙基碳酸酯)+DMC(二甲基碳酸酯)(体积比1:1)溶液,添加剂质量百分比FEC(氟代碳酸乙烯酯)2.5%,VC(氟代碳酸乙烯酯)1.2%。在充满氩气气氛的手套箱内进行电池注液。电池进行预充、化成后得到电池产品。
(4)循环性能测试:充放电电压范围为4.2V~2.75V,充放电电流为1C(1C即为电池设计容量),首次库伦效率为95.04%,循环400次容量保持率为90.01%,循环性能较好,平均库伦效率为99.99%,库伦效率较高,该动力电池的能量密度高达260Wh/kg。
实施例2
本实施例提供一种高比容量锂离子电池制备方法,选用的正极材料为Li1.08CoO2,累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径为15.2μm,比表面积为0.2m2/g。负极材料为硅碳材料(比容量为550mAh/g,首次库伦效率为85%),其包括以下步骤。
(1)正极极片制作:按照Li1.08CoO2:乙炔黑:聚偏氟乙烯(PVDF)=94:3:3比例混合材料,用1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)做溶剂搅拌调制成浆料,经涂布、干燥、辊压(压实密度为4.1g/cm3)、裁片制成锂离子电池正极片。
(2)负极极片制作:按照负极材料硅碳:乙炔黑:海藻酸锂=93.5:1.5:5比例混合材料,用蒸馏水做溶剂搅拌调制成浆料,经涂布、干燥、辊压(压实密度为1.65g/cm3)、裁片制成锂离子电池负极片。
(3)采用上述正极极片、负极极片、celgardC212隔膜卷绕制成手机电池电芯。电解液为1.6mol/L LiPF6的EC(乙基碳酸酯)+DMC(二甲基碳酸酯)(体积比1:1)溶液,添加剂质量百分比FEC(氟代碳酸乙烯酯)3%,VC(氟代碳酸乙烯酯)0.5%,SA(丁二酸酐)3%。在充满氩气气氛的手套箱内进行电池注液。电池进行预充、化成后得到电池产品。
(4)循环性能测试:充放电电压范围为4.35V~3V,充放电电流为0.8C(1C即为电池设计容量),循环1000次容量保持率为82.3%,循环性能较好,且不气胀,该手机电池的能量密度高达680Wh/L。
实施例3
本实施例提供一种高比容量锂离子电池制备方法,选用的正极材料为Li1.20Ni0.5Co0.2Mn0.3O2,负极材料为硅碳材料(比容量为450mAh/g,首次库伦效率为84%),其包括以下步骤。
(1)正极极片制作:按照Li1.15Ni1/3Co1/3Mn1/3O2:乙炔黑:Ks-6:聚偏氟乙烯(PVDF)=92.5:1.5:2.5:3.5比例混合材料,用1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)做溶剂搅拌调制成浆料,经涂布、干燥、辊压(压实密度为3.5g/cm3)、裁片制成锂离子电池正极片。
(2)负极极片制作:按照负极材料硅碳:乙炔黑:聚丙烯酸=95.5:1:3.5比例混合材料,用蒸馏水做溶剂搅拌调制成浆料,经涂布、干燥、辊压(压实密度为1.6g/cm3)、裁片制成锂离子电池负极片。
(3)采用上述正极极片、负极极片、celgard2400隔膜叠片制成动力电池电芯。电解液为1.5mol/L LiPF6的EC(乙基碳酸酯)+DMC(二甲基碳酸酯)(体积比1:1)溶液,添加剂质量百分比FEC(氟代碳酸乙烯酯)5%,VC(氟代碳酸乙烯酯)2%。在充满氩气气氛的手套箱内进行电池注液。电池进行预充、化成后得到电池产品。
(4)循环性能测试:充放电电压范围为4.2V~2.75V,充放电电流为1C(1C即为电池设计容量),首次库伦效率为96.5%,循环500次容量保持率为93.5%,循环性能较好,该动力电池的能量密度高达310Wh/kg。
实施例4
本实施例提供一种高比容量锂离子电池制备方法,选用的正极材料为Li1.06CoO2,累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径为12.8μm,比表面积为0.22m2/g。负极材料为硅碳材料(比容量为680mAh/g,首次库伦效率为86.2%),其包括以下步骤。
(1)正极极片制作:按照Li1.06CoO2:乙炔黑:VGCF:聚偏氟乙烯(PVDF)=94:1.5:1.5:3比例混合材料,用1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)做溶剂搅拌调制成浆料,经涂布、干燥、辊压(压实密度为4.0g/cm3)、裁片制成锂离子电池正极片。
(2)负极极片制作:按照负极材料硅碳:乙炔黑:SBR:CMC=94.5:1.5:2.8:1.2比例混合材料,用蒸馏水做溶剂搅拌调制成浆料,经涂布、干燥、辊压(压实密度为1.7g/cm3)、裁片制成锂离子电池负极片。
(3)采用上述正极极片、负极极片、celgardC212隔膜卷绕制成手机电池电芯。电解液为1.5mol/L LiPF6的EC(乙基碳酸酯)+DMC(二甲基碳酸酯)(体积比1:1)溶液,添加剂质量百分比FEC(氟代碳酸乙烯酯)4%,VC(氟代碳酸乙烯酯)0.5%,SA(丁二酸酐)1.2%。在充满氩气气氛的手套箱内进行电池注液。电池进行预充、化成后得到电池产品。
(4)循环性能测试:充放电电压范围为4.4V~3V,充放电电流为1C(1C即为电池设计容量),循环500次容量保持率为82.3%,循环性能较好,且不气胀,该手机电池的能量密度高达785Wh/L。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述,显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进,或未经改进直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高比能量锂离子电池,其特征在于,包括正极极片,负极极片和隔膜,其中,正极极片上活性物质为镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2;负极极片上活性物质为硅碳材料。
2.一种高比能量锂离子电池的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)制作正极极片,正极极片上活性物质为镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2
(2)制作负极极片,负极极片上活性物质为硅碳材料;
(3)采用上述正极极片、负极极片、celgard隔膜经卷绕或者叠片制成动力电池电芯。
3.如权利要求2所述的高比能量锂离子电池的制备方法,其特征在于,镍钴锰酸锂Li1+aNixCoyMnzO2中0.05≤a≤0.25,x+y+z=1,0≤x<1,0<y≤1,0≤z<1。
4.如权利要求2或3所述的高比能量锂离子电池的制备方法,其特征在于,步骤(1)中具体包括如下步骤:
(1-1)按照正极材料镍钴锰酸锂:正极导电剂:正极粘结剂=(87~96):(1~5):(3~8)称取并混合;
(1-2)用1-甲基-2-吡咯烷酮NMP做溶剂,搅拌调制成浆料;
(1-3)经涂布、干燥、辊压、裁片制成锂离子电池正极片。
5.如权利要求2-4中任一项所述的高比能量锂离子电池的制备方法,其特征在于,步骤(2)中具体包括如下步骤:
(2-1)按照负极材料硅碳:负极导电剂:负极粘结剂=(89~97):(1~4):(2~7)称取并混合;
(2-2)蒸馏水做溶剂,搅拌调制成浆料;
(2-3)经涂布、干燥、辊压、裁片制成锂离子电池负极片。
6.如权利要求2-5中任一项所述的高比能量锂离子电池的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,在充满氩气气氛的手套箱内进行电池注液,经预充、化成、分容,得到高比能量锂离子电池。
7.如权利要求2-6中任一项所述的高比能量锂离子电池的制备方法,其特征在于,所述的镍锰钴酸锂为Li1+aNixCoyMnzO2,其中,0.05≤a≤0.25,x:y:z=1:1:1或4:2:4或5:2:3或6:2:2或70:15:15或8:1:1或z=1;和/或,所述的镍锰钴酸锂累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径为5~20μm,比表面积为0.15~0.85m2/g。
8.如权利要求2-7中任一项所述的高比能量锂离子电池的制备方法,其特征在于,所述正极片压实密度大于3.5g/cm3;和/或,所述正极导电剂包括乙炔黑、Ks-6、ECP、气相生长碳纤维、碳纳米管中的一种或几种;和/或,所述正极粘接剂为聚偏氟乙烯。
9.如权利要求2-8中任一项所述的高比能量锂离子电池的制备方法,其特征在于,所述负极导电剂包括乙炔黑、Ks-6、ECP、气相生长碳纤维VGCF、碳纳米管、炭黑中的一种或几种;和/或,所述负极粘接剂包括海藻酸钠、海藻酸锂、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠CMC和丁苯橡胶SBR中的一种或几种;和/或,所述硅碳比容量大于400mAh/g,首次库伦效率大于80%;和/或,所述硅碳累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径D50为5~25μm,比表面积为1.5~7m2/g;和/或,所述负极片压实密度为1.5~1.85g/cm3
10.如权利要求2-9中任一项所述的高比能量锂离子电池的制备方法,其特征在于,所述电解液为为1.5~2.0mol/L LiPF6的EC乙基碳酸酯+DMC二甲基碳酸酯溶液,添加剂质量百分比FEC氟代碳酸乙烯酯0.5%~8%,和/或VC氟代碳酸乙烯酯0.5%~2%,和/或SA丁二酸酐0.5%~8%;和/或,步骤(1-2)中浆料粘度为:4000~1100mPa·s;和/或,步骤(2-2)中浆料粘度为:1800~15000mPa·s。
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