CN104425795B - 一种高能量高安全性能锂离子动力电池 - Google Patents

一种高能量高安全性能锂离子动力电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高能量高安全性能锂离子动力电池，在电芯的两侧各设置一防穿刺安全结构，防穿刺安全结构从外到内依次由PET板、铝箔、PET板、铜箔、PET板叠加而成，所述铝箔通过正极耳与正极引出端相连，所述铜箔通过负极耳与负极引出端相连，本发明正极极片上正极材料中的正极活性物质为粒径为1~2μm的大颗粒单晶高镍三元材料，其分子式为：LimNiXCoYMnZO2，其中0.6≤X≤0.8，0.1≤Y≤0.2，0.1≤Z≤0.2，X+Y+Z=1.0；1.0＜m≤1.08，负极极片上负极材料中的负极活性材料为复合人造石墨。本发明安全性得到大大提高，并且通过对整个电池体系的优化，电池的能量密度高，循环性能好。

Description

一种高能量高安全性能锂离子动力电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种高能量高安全性能锂离子动力电池。
背景技术
动力电池在先进信息处理终端设备和电动汽车等重要战略领域里至关重要，备受人们的关注，其要求具有较高的能量密度和功率密度。
动力电池的能量密度的提高，主要决定于高能量密度电极材料体系的开发。目前已经商品化的动力电池主要由磷酸铁锂或锰酸锂作为正极活性材料，石墨类碳材料作为负极活性材料，传统的动力电池由于受到正极活性材料磷酸铁锂或锰酸锂以及负极活性材料石墨类碳材料自身理论储锂容量极限的制约，在能量密度的进一步提高上遇到了瓶颈。
与此同时，对锂离子动力电池的安全性能要求也越来越高，锂离子电池的安全性能也备受行业内人员的重视，尤其是电芯采用叠片式结构的锂离子动力电池，在遇到外部挤压、碰撞、刺穿等情况或者锂离子电池滥用的情况时，很容易造成电池内部短路，使得电池的电能迅速释放出来从而产生大量的热量，导致电池内部的局部温度过高，会造成电池发生着火、爆炸等情况，这样不仅严重影响到电池的安全使用，还存在很大的安全隐患。
专利申请公布号CN103022555A，申请公布日2013.04.03，名称为锂离子电池及其制备方法的中国专利中公开了一种锂离子电池，它包括正极、负极及电解液，所述电解液包括锂盐及溶剂，正极的活性材料为富锂锰基固溶体；负极的活性材料为钛酸锂；所述溶剂包括氟代碳酸酯以及包括氟代甲基环丁砜或其衍生物、氟代甲基亚硫酸乙烯酯或其衍生物，氟代甲基硫酸乙烯酯或其衍生物中的一种或几种的添加剂。富锂锰基固溶体材料具有高容量、低材料成本、较稳定的结构的优点，钛酸锂具有较好的安全性和优异的循环性能，但是由于钛酸锂的比能量与比容量低，导电性差，用钛酸锂作为负极活性材料大大限制了富锂锰基固溶体材料高克容量这一优势的充分发挥，该电池的电极材料体系只是提高了电池的安全性，电池的能量密度依然较低。
因此，目前迫切需要开发一种兼具高能量密度及高安全性的锂离子动力电池。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种兼具高能量密度及高安全性的锂离子动力电池，该动力电池能量密度高，高压循环性能与安全性能佳。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高能量高安全性能锂离子动力电池，包括由正极极片、隔膜、负极片依次叠加而成的电芯、位于电芯外部的铝塑膜软包装及密封位于铝塑膜软包装内的电解液，所述正极极片通过正极耳相连，所述负极片通过负极耳相连，正极耳、负极耳相连分别形成电池的正、负极引出端，所述正极极片包括正集流体及涂敷在正集流体上的正极材料，所述负极片包括负集流体及涂敷在负集流体上的负极材料，其特征在于，所述高能量高安全性能锂离子动力电池还包括防刺穿安全结构，所述防刺穿安全结构设置在电芯的两侧，防穿刺安全结构从外到内依次由PET板、铝箔、PET板、铜箔、PET板叠加而成，所述铝箔通过正极耳与正极引出端相连，所述铜箔通过负极耳与负极引出端相连，所述正极材料由以下质量百分比的组分组成：正极活性材料88～95％，正极粘结剂2～6％，正极导电剂3～7％，所述负极材料由以下质量百分比的组分组成：负极活性材料90～95％，负极粘结剂4～8％，负极导电剂1～3％，所述正极活性材料为粒径为1～2μm的大颗粒单晶高镍三元材料，其分子式为：LimNiXCoYMnZO2，其中0.6≤X≤0.8，0.1≤Y≤0.2，0.1≤Z≤0.2，X+Y+Z＝1.0；1.0＜m≤1.08，所述负极活性材料为复合人造石墨。本发明在电芯两侧设置防穿刺安全结构，当电池受到外部挤压、碰撞或者穿刺等恶劣情况时，防穿刺安全结构能起到缓冲、防护的作用，有效保护电芯，避免电芯破坏造成短路产生大量的热量，同时防穿刺安全结构能隔离电芯与铝塑膜，可防止铝塑膜破坏时以电芯接触发生短路；防穿刺安全结构中的铝箔通过正极耳与正极引出端相连，铜箔通过负极耳与负极引出端相连，铜箔与铝箔具有良好的传热性能，当电芯内部发生短路时，电芯内部的热量可以通过极耳传导至铜箔及铝箔上及时散出去，避免电芯内部热量的聚集，此外，铜箔与铝箔的电阻小，在电池穿刺时能将大部分的短路电流导至铜箔及铝箔上，减少正极极片与负极片之间的短路电流，避免电芯产生大量的热量，保证电池的安全性。此外，本发明选用大颗粒单晶高镍三元材料作为正极活性材料，采用复合人造石墨作为负极活性材料，对整个电池体系进行了优化，得到的电池能量密度高，安全性能与循环性能好。
作为优选，所述PET板的厚度为30～200μm。
作为优选，所述铜箔、铝箔的厚度为30～200μm。铜箔、铝箔的厚度太小，则内阻大，允许通过的电流小，电池异常情况下分担的热量少，降低电池安全性，厚度太厚，虽然安全性能提高，但是成本增加，同时重量增加，会降低电池能量密度，因此必须严格控制铜箔及铝箔的厚度，这是保证电池兼具高能量密度与高安全性的前提。
作为优选，所述正极粘结剂由海藻酸钠与聚偏二氟乙烯按质量比1∶4～7混合而成。本发明对粘结剂进行了改进，添加了海藻酸钠，三元材料作为正极活性材料在使用时表面会富集大量的锂离子(LiOH及Li2CO3)，使得活性物质的碱性较强，而由正极活性材料、导电剂、导电剂与溶剂制成的正极浆料呈弱碱性，正极活性材料的强碱性与正极浆料的弱碱性体系不协调，浆料很容易出现偏析、沉淀的现象，导致制得的电极片很硬，加工性能很差，不利于三元材料压实密度的提高，而海藻酸钠带有羧基，羧基能减少三元材料表面的杂质(如氧化锂等)，抑制三元材料之间的团聚，使其在正极浆料中具有良好的分散性，此外，海藻酸钠具有粘结作用，有利于提高正极材料的压实密度及改善三元材料的加工性能，并可以可填充在三元材料之间的间隙中，为三元材料提供支撑与缓冲，有效避免三元材料形成的团聚体在辊压中发生破碎，提高了正极材料结构的稳定性与电极加工性能，从而有效提高了三元材料的压实密度与循环性能，同时海藻酸钠还能使三元材料与粘结剂、导电剂之间紧密接触，避免极片的极化，提高电化学性能，海藻酸钠还能提高正极材料的存储能量，进一步提高正极材料的能量密度，因此，海藻酸钠也是本发明的一个关键点。
作为优选，所述正极导电剂为碳纳米管、鳞状石墨、气相生长碳纤维及导电炭黑中的一种或多种。
作为优选，所述负极粘结剂由羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶按质量比1∶1.5～2混合而成。
作为优选，所述负极导电剂为碳纳米管、鳞状石墨、气相生长碳纤维及导电炭黑中的一种或多种。
作为优选，所述电解液由有机溶剂、电解质锂盐及添加剂混合而成，其中，所述有机溶剂为碳酸酯类溶剂，所述电解质锂盐为六氟磷酸锂，电解液中，电解质锂盐的浓度为1.2～1.5mol/L，所述添加剂为氟代溶剂，添加剂的加入量占电解液质量的1～3％。电解液中添加有氟代溶剂，以提高电解液的阻燃性，改善电池的安全性能。
作为优选，所述碳酸酯类溶剂由环状碳酸酯与链状碳酸酯按任意比例混合而成，所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯和/或碳酸丙烯酯，所述链状碳酸酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯中的一种或多种。
作为优选，所述氟代溶剂为氟代碳酸乙烯酯。
因此，本发明具有如下有益效果：
(1)电池内部电芯的两侧设置有防穿刺安全结构，有效保护电芯，能避免电芯破坏造成短路产生大量的热量，大大提高电池的安全性能；
(2)选用大颗粒单晶高镍三元材料作为正极活性材料，采用复合人造石墨作为负极活性材料，同时对整个电池体系进行了优化，得到的电池能量密度高，安全性能与循环性能好；
(3)正极粘结剂由海藻酸钠与聚偏二氟乙烯按质量比1∶4～7混合而成，海藻酸钠大大提高了正极材料结构的稳定性与电极加工性能，有利于提高压实密度及能量密度。
附图说明
图1是本发明锂离子动力电池的一种内部结构示意图。
图中：电芯1，铝塑膜软包装2，PET板3，铝箔4，铜箔5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
在本发明中，若非特指，所有百分比均为重量单位，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，其中大颗粒单晶高镍三元材料购自深圳市振华新材料股份有限公司，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
制作正、负极片：将正极材料均匀分散在N-N-二甲基吡咯烷酮中后得正极浆料，将正极浆料涂覆在正集流体上后经干燥、碾压、裁切后得正极极片，正极材料中各组分的质量百分比为：正极活性材料89％，正极粘结剂6％，正极导电剂5％，其中，正极活性材料为粒径为1～2μm的大颗粒单晶高镍三元材料(Li1.07Ni0.6Co0.2Mn0.2O2)，正极粘结剂由海藻酸钠与聚偏二氟乙烯按质量比1∶4混合而成，正极导电剂为碳纳米管；将负极材料均匀分散在水中后得负极浆料，将负极浆料涂覆在在负集流体上后经干燥、碾压、裁切后的负极极片，负极浆料中各组分的质量百分比为：负极活性材料95％，负极粘结剂4％，负极导电剂1％，其中，负极活性材料为复合人造石墨，负极粘结剂由羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶按质量比1∶1.5混合而成，负极导电剂为碳纳米管。
制作电芯：按正极极片、隔膜、负极极片依次叠放制成叠片式电芯1，同时在电芯的两侧粘结固定上防穿刺安全结构(见图1)，防穿刺安全结构从外到内依次由PET板3、铝箔4、PET板3、铜箔5、PET板3粘结而成，其中，PET板3的厚度为200μm，铜箔5、铝箔4的厚度为100μm。
焊接包装：将电芯1中的正极极片及铝箔用铝极耳焊接在一起形成正极引出端，将电芯1中的负极极片及铜箔用镀铜镍极耳焊接在一起形成负极引出端，将焊接后的电芯1插入铝塑膜软包装2内进行热封。
封口注液：在铝塑膜软包装2内注入电解液后进行封口，电解液由有机溶剂、电解质锂盐及添加剂混合而成，有机溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯及碳酸甲乙酯按体积比1∶1∶1混合而成，电解质锂盐为六氟磷酸锂，添加剂为氟代碳酸乙烯酯，电解液中，电解质锂盐的浓度为1.2mol/L，氟代碳酸乙烯酯加入量占电解液质量的1％。
化成分容：将电池进行搁置、预充、抽空、化成、分容后，得容量为20Ah的锂离子动力电池，电池充放电的截止电压为2.7～4.25V。
实施例2
制作正、负极片：将正极材料均匀分散在N-N-二甲基吡咯烷酮中后得正极浆料，将正极浆料涂覆在正集流体上后经干燥、碾压、裁切后得正极极片，正极材料中各组分的质量百分比为：正极活性材料95％，正极粘结剂2％，正极导电剂3％，其中，正极活性材料为粒径为1～2μm的大颗粒单晶高镍三元材料(Li1.05Ni0.8Co0.1Mn0.1O2)，正极粘结剂由海藻酸钠与聚偏二氟乙烯按质量比1∶5混合而成，正极导电剂由碳纳米管、气相生长碳纤维按质量比1∶2混合而成；将负极材料均匀分散在水中后得负极浆料，将负极浆料涂覆在在负集流体上后经干燥、碾压、裁切后的负极极片，负极浆料中各组分的质量百分比为：负极活性材料90％，负极粘结剂8％，负极导电剂2％，其中，负极活性材料为复合人造石墨，负极粘结剂由羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶按质量比1∶1.6混合而成，负极导电剂为碳纳米管、气相生长碳纤维及导电炭黑按质量比1∶2∶1混合而成。
制作电芯：按正极极片、隔膜、负极极片依次叠放制成叠片式电芯1，同时在电芯的两侧粘结固定上防穿刺安全结构(见图1)，防穿刺安全结构从外到内依次由PET板3、铝箔4、PET板3、铜箔5、PET板3粘结而成，其中，PET板3的厚度为100μm，铜箔5、铝箔4的厚度为200μm。
焊接包装：将电芯1中的正极极片及铝箔用铝极耳焊接在一起形成正极引出端，将电芯1中的负极极片及铜箔用镀铜镍极耳焊接在一起形成负极引出端，将焊接后的电芯1插入铝塑膜软包装2内进行热封。
封口注液：在铝塑膜软包装2内注入电解液后进行封口，电解液由有机溶剂、电解质锂盐及添加剂混合而成，有机溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯按体积比1∶1混合而成，电解质锂盐为六氟磷酸锂，添加剂为氟代碳酸乙烯酯，电解液中，电解质锂盐的浓度为1.3mol/L，氟代碳酸乙烯酯加入量占电解液质量的2％。
化成分容：将电池进行搁置、预充、抽空、化成、分容后，得容量为20Ah的锂离子动力电池，电池充放电的截止电压为2.7～4.25V。
实施例3
制作正、负极片：将正极材料均匀分散在N-N-二甲基吡咯烷酮中后得正极浆料，将正极浆料涂覆在正集流体上后经干燥、碾压、裁切后得正极极片，正极材料中各组分的质量百分比为：正极活性材料88％，正极粘结剂5％，正极导电剂7％，其中，正极活性材料为粒径为1～2μm的大颗粒单晶高镍三元材料(Li10.9Ni0.7Co0.15Mn0.15O2)，正极粘结剂由海藻酸钠与聚偏二氟乙烯按质量比1∶7混合而成，正极导电剂为碳纳米管、鳞状石墨、气相生长碳纤维及导电炭黑中的一种或多种；将负极材料均匀分散在水中后得负极浆料，将负极浆料涂覆在在负集流体上后经干燥、碾压、裁切后的负极极片，负极浆料中各组分的质量百分比为：负极活性材料92％，负极粘结剂5％，负极导电剂3％，其中，负极活性材料为复合人造石墨，负极粘结剂由羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶按质量比1∶2混合而成，负极导电剂为导电炭黑。
制作电芯：按正极极片、隔膜、负极极片依次叠放制成叠片式电芯1，同时在电芯的两侧粘结固定上防穿刺安全结构(见图1)，防穿刺安全结构从外到内依次由PET板3、铝箔4、PET板3、铜箔5、PET板4粘结而成，其中，PET板3的厚度为30μm，铜箔5、铝箔4的厚度为30μm。
焊接包装：将电芯1中的正极极片及铝箔用铝极耳焊接在一起形成正极引出端，将电芯1中的负极极片及铜箔用镀铜镍极耳焊接在一起形成负极引出端，将焊接后的电芯1插入铝塑膜软包装2内进行热封。
封口注液：在铝塑膜软包装内注入电解液后进行封口，电解液由有机溶剂、电解质锂盐及添加剂混合而成，有机溶剂由碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯及碳酸二乙酯按体积比3∶1∶2混合而成，电解质锂盐为六氟磷酸锂，添加剂为氟代碳酸乙烯酯，电解液中，电解质锂盐的浓度为1.5mol/L，氟代碳酸乙烯酯加入量占电解液质量的3％。
化成分容：将电池进行搁置、预充、抽空、化成、分容后，得容量为20Ah的锂离子动力电池，电池充放电的截止电压为2.7～4.25V。
能量密度测试
各取3只由上述每个实施例制得的锂离子动力电池测定在25℃的能量密度。测定方法为：在25℃下将电流以10A恒定电流充电至上限电压，然后转恒压充电，截至电流1000mA；搁置10分钟，以10A恒定电流放电至2.7V，测定得到电池的放电容量；搁置10分钟后，重复上述步骤3次，计算3次放电容量平均值。使用电子天平称量各实施例得到的电池的重量，取平均值。按照下式计算25℃电池能量密度：
电池能量密度＝放电平均容量×3.6V/电池重量，测试结果如表1所示
表1 各实施例电池能量密度测试结果
从表1可以明显看出，本发明得到的锂离子动力电池的能量密度高达200Wh/Kg以上，远高于目前商业化的锂离子动力电池的能量密度(140～150Wh/Kg)。
安全针刺性能测试：
各取1只由上述实施例制得的锂离子动力电池进行安全针刺实验。实验方法为：将单只电池充满电，然后使用直径为5mm的钢针以20-30mm/min的速度将电池刺穿，进行安全试验时，在电池表面附有温度传感器，测量电池表面最高温度，若电池表面温度低于180℃，且在1h之内电池无爆炸、起火等异常，则表示电池通过安全针刺性能测试，测试结果如表2所示：
表2 各实施例电池安全针刺性能测试结果
组别 单只电池针刺现象 表面最高温度(℃) 是否通过测试
实施例1 冒烟，但不起火 176.5 是
实施例2 冒烟，但不起火 168.6 是
实施例3 冒烟，但不起火 172.6 是
从表2可以看出，本发明的里离子动力电池具有优异的安全性能。
25℃循环寿命性能测试
各取1只由上述实施例制得的锂离子动力电池，测定1000次循环后的容量剩余率。测定方法为：在25±3℃环境下将电流以20A恒定电流充电至4.25V，然后转恒压充电，截至电流1A；搁置10分钟，以20A恒定电流放电至2.7V，测定得到电池的初始放电容量；搁置10分钟后，重复上述步骤1000次，作连续的充放电测试，得到电池1000次循环后的容量剩余率，按照下式计算1000次循环后电池的容量剩余率：
容量剩余率＝1000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3。
表3 各实施例25℃循环寿命性能测试测试结果
组别 1000次循环容量保持率(％)
实施例1 90.5
实施例2 88.9
实施例3 87.8
从表3中可知，本发明的锂离子动力电池在1000次循环后的容量剩余率在87～91％之间，说明本发明具有非常优良的高压循环性能。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种高能量高安全性能锂离子动力电池，包括由正极极片、隔膜、负极片依次叠加而成的电芯（1）、位于电芯外部的铝塑膜软包装（2）及密封位于铝塑膜软包装内的电解液，所述正极极片之间通过正极耳相连，所述负极片之间通过负极耳相连，正极耳、负极耳分别形成电池的正、负极引出端，所述正极极片包括正集流体及涂敷在正集流体上的正极材料，所述负极片包括负集流体及涂敷在负集流体上的负极材料，其特征在于，所述高能量高安全性能锂离子动力电池还包括防刺穿安全结构，所述防刺穿安全结构设置在电芯的两侧，防刺穿安全结构从外到内依次由PET板（3）、铝箔（4）、PET板、铜箔（5）、PET板叠加而成，所述铝箔通过正极耳与正极引出端相连，所述铜箔通过负极耳与负极引出端相连，所述正极材料由以下质量百分比的组分组成：正极活性材料88~95%，正极粘结剂2~6%，正极导电剂3~7%，所述负极材料由以下质量百分比的组分组成：负极活性材料90~95%，负极粘结剂4~8%，负极导电剂1~3%，所述正极活性材料为粒径为1~2μm的大颗粒单晶高镍三元材料，其分子式为：LimNiXCoYMnZO2，其中0.6≤X≤0.8，0.1≤Y≤0.2，0.1≤Z≤0.2，X+Y+Z=1.0；1.0＜m≤1.08，所述负极活性材料为复合人造石墨。
2.根据权利要求1所述的一种高能量高安全性能锂离子动力电池，其特征在于，所述PET板的厚度为30~200μm。
3.根据权利要求1所述的一种高能量高安全性能锂离子动力电池，其特征在于，所述铜箔、铝箔的厚度为30~200μm。
4.根据权利要求1所述的一种高能量高安全性能锂离子动力电池，其特征在于，所述正极粘结剂由海藻酸钠与聚偏二氟乙烯按质量比1:4~7混合而成。
5.根据权利要求1所述的一种高能量高安全性能锂离子动力电池，其特征在于，所述正极导电剂为碳纳米管、鳞状石墨、气相生长碳纤维及导电炭黑中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种高能量高安全性能锂离子动力电池，其特征在于，所述负极粘结剂由羧甲基纤维素钠与丁苯橡胶按质量比1:1.5~2混合而成。
7.根据权利要求1所述的一种高能量高安全性能锂离子动力电池，其特征在于，所述负极导电剂为碳纳米管、鳞状石墨、气相生长碳纤维及导电炭黑中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种高能量高安全性能锂离子动力电池，其特征在于，所述电解液由有机溶剂、电解质锂盐及添加剂混合而成，其中，所述有机溶剂为碳酸酯类溶剂，所述电解质锂盐为六氟磷酸锂，电解液中，电解质锂盐的浓度为1.2~1.5mol/L，所述添加剂为氟代溶剂，添加剂的加入量占电解液质量的1~3%。
9.根据权利要求8所述的一种高能量高安全性能锂离子动力电池，其特征在于，所述碳酸酯类溶剂由环状碳酸酯与链状碳酸酯按任意比例混合而成，所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯和/或碳酸丙烯酯，所述链状碳酸酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述的一种高能量高安全性能锂离子动力电池，其特征在于，所述氟代溶剂为氟代碳酸乙烯酯。
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