CN104900908A - 一种具有高倍率充放电性能的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

一种具有高倍率充放电性能的锂离子电池，以高倍率钴酸锂为正极，以高倍率中间碳微球为负极，以石墨烯为导电添加剂。本发明采用具有高倍率性能的正、负极材料体系，并控制正、负极极片的面密度和压实密度，保证极片的高导电性，提高电池的大电流充放性能。采用高导电性能的石墨烯作为导电剂添加剂，避免采用常规导电剂而需大量添加从而降低正、负极活性材料比例的弊端，提高电池体积能量密度。采用含PC溶剂的电解液，利用PC溶剂的高凝固点和高电导性，有效缓冲大电流充放电情况下电池的散热问题，进一步保证电池的循环稳定性。本发明工艺简单，制作的锂电池性能优异。

Description

一种具有高倍率充放电性能的锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种具有高倍率充放电性能的锂离子电池，属于锂离子电池领域。
背景技术
自从1990年日本索尼公司率先研制成功锂离子电池并将其商品化以来，锂离子电池得到了迅猛发展。如今锂离子电池已经广泛地应用于民用及军用的各个领域。随着科技的不断进步，人们对电池的性能提出了更多更高的要求：电子设备的小型化和个性化发展，需要电池具有更小的体积和更高的比能量输出；航空航天能源要求电池具有循环寿命，更好的低温充放电性能和更高的安全性能；电动汽车需要大容量、低成本、高稳定性和安全性能的电池。
锂离子电池的负极材料有碳材料、金属间化合物、锡基化合物等。目前商业化锂离子电池负极材料采用的是石墨类碳材料，具有较低的锂嵌入/脱嵌电位、合适的可逆容量且资源丰富、价格低廉等优点，是比较理想的锂离子电池负极材料。石墨类材料具有较低的冲放电平台，嵌锂容量高，其嵌锂化合物LiC6的理论嵌锂容量为372mAh/g，并且首次充放电效率较高。人们通过研究发现，石墨在首次循环过程中，由于与电解液发生反应形成SEI膜，这层薄膜允许锂离子自由穿过，防止溶剂化锂离子进入，这样在石墨表面上形成的这层SEI膜就可以防止石墨电极不被电解液进一步的腐蚀，维持良好的循环性能。
锂离子电池的正极材料一般为过度金属氧化物，如：LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、和LiNixCoyMn（1-x-y）O2等，以及过度金属的磷酸盐。其中层状结构的LiCoO2电极性能良好，是当前市场上商品锂离子电池广泛采用的正极材料，但也存在价格高，污染大等缺点；尖晶石结构的LiMn2O4价格便宜，无污染，被视为取代LiCoO2的首选材料，获得广泛深入的研究，但由于容量偏低，高温下容量衰减严重等问题，其应用范围仍受到一定的限制；与结构相似的LiCoO2相比，LiNiO2具有容量高，功率大，价格适中等优点，但也存在合成困难，热稳定性差等问题，其实用化进程一直较缓慢。然而，随着掺杂型多元氧化物(如LiNixCoyMn（1-x-y）O2等)性能的改善和提高，况且，将锂离子电池的应用扩展到电动汽车 (EV，HEV)，蓄能电站，军事应用等工业大电池领域正成为研究热点。
不管是正极的还是负极的活性材料，导电剂作为锂电池不可缺少的重要组成部分，其目的是要在活性材料中形成有效导电网络。对于活性材料和导电剂的复合物（以下简称“复合电极”）而言，要形成导电网络，导电剂的添加量就必须达到和超过一定量，超过这个量时，导电剂颗粒可填充满活性材料颗粒间的空隙，并且导电剂之间有了有效的接触，复合电极的导电性得到根本改善。前市场上锂离子电池导电剂主要为Super-P与KS系列，此两类产品皆为国外进口，前者为纳米级的炭黑类产品，既有较小的粒径和较大的比表面积，又具有较好的导电性能，但是由于粒径较小及比表面积较大，不易分散，而后则为微米级的导电石墨，易于分散，但是导电性能较Super-P差。所以实际使用过程中，两者都是同时添加使用，互补不足。而石墨稀结构独特，具有良好的导电性、导热性、稳定性和巨大的比表面积。其作为锂离子电池的导电剂，可以极大提高电池的能量密度，同时增加材料的倍率充放电性能，满足动力电池的要求。
锂离子电池性能的提升，主要得益于各材料性能的提升，以及各组分的配合，因此选择合适的材料体系，可以针对不同需要制备出性能侧重点不一的锂离子电池。
发明内容
针对现有的锂离子电池在高倍率充放电性能方面所存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有高倍率充放电性能的锂离子电池及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明所设计的一种高倍率充放电性能锂电池，材料体系以高倍率钴酸锂为正极，以高倍率中间碳微球为负极，以石墨烯为导电添加剂。
钴酸锂正极材料的克比容量为145～152mAh/g，首次效率为95.5～97.5%，双面面密度为15～30mg/cm2，正极压实密度1.6～2.0g/cm3。
石墨负极材料的克比容量为310～330mAh/g，首次效率为92～94.5%，负极压实密度为1.2～1.5g/cm3，且负极极片面密度以对应的正极活性物质过量比为3%～10%。
作为优选，正极极片的制作是先将2～5wt%粘接剂-聚偏氟乙烯（PVDF）与80～120wt%溶剂-甲基吡咯烷酮（NMP）制成胶液，再加入1～3wt%石墨烯导电剂分散好，最后加入80～95.5wt%活性材料钴酸锂，混合成浆料，调节粘度，在0.010～0.016mm的铝箔上涂布出极片，辊压分切得到正极极片；且正极双面密度为20～30mg/ ㎝2，压实密度1.8～2.0g/cm3。
作为优选，负极极片的制作是先将 1～2wt% 增稠剂-羟甲基纤维素钠（CMC）与去离子水配置成胶液，加入0.5～2wt% 石墨烯导电剂分散好，再加入93.8～98wt% 中间碳微球，最后加2～4.4wt%粘接剂-丁苯橡胶（SBR），混合成浆料，调节粘度，在0.08～0.010mm的铜箔上涂布出极片，负极压实密度1.3～1.5g/cm3。
作为优选，正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为 0.012～0.025mm。
作为优选，电解液采用1mol/L的LiPF6/EC+DMC+PC(v/v＝1:1:1)，额外添加具有高凝固点的PC溶剂。
石墨作为负极材料时，在首次充放电过程中在其表面形成一层固体电解质膜（SEI膜）。 固体电解质膜是电解液、负极材料和锂离子等相互反应形成，不可逆地消耗锂离子，是形成不可逆容量的一个主要的因素；其次在锂离子嵌入的过程中，电解质容易与其共嵌在迁出的过程中，电解液被还原，生成的气体产物导致石墨片层剥落，尤其是天然石墨类负极材料，具有明显的层状结构，在含有PC的电解液中，石墨片层更容易脱落将形成新界面，导致进一步SEI 形成，由此导致电池循环性能降低。而中间相碳微球，属于人造石墨，具有各相同性，能较强抗PC溶剂的侵蚀性能，用作高倍率锂离子电池负极材料是最优的选择。
根据以上所述，本发明所设计的一种高倍率充放电性能锂电池，电池组装完成后，经过搁置、化成、老化、分容即可。本发明的有益效果和进步在于：
1、采用具有高倍率性能的正、负极材料体系，并控制正、负极极片的面密度和压实密度，保证极片的高导电性，提高电池的大电流充放性能；
2、采用高导电性能的石墨烯作为导电剂添加剂，避免采用常规导电剂而需大量添加从而降低正、负极活性材料比例的弊端，提高电池体积能量密度；
3、采用含PC溶剂的电解液，利用PC溶剂的高凝固点和高电导性，有效缓冲大电流充放电情况下电池的散热问题，进一步保证电池的循环稳定性。
附图说明
图1.实施例1制备的锂离子电池倍率放电曲线图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例描述的一种高倍率性能锂离子电池，以钴酸锂为正极活性材料，钴酸锂的克比容量为149mAh/g，首次效率为96.2%；以中间相碳微球为负极材料，克比容量320mAh/g，首次效率94%。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂PVDF（3wt% ）与溶剂NMP（80wt% ）配置成胶液，在加入石墨烯2wt% 分散好，最后加入活性材料钴酸锂95wt%，混合成浆料，调节粘度，然后在0.016mm 的铝箔上涂布出极片，双面面密度25mg/cm2，并辊压分切得到正极极片，压实密度1.8g/cm3；
负极极片的制作是先将CMC 1.2wt%与去离子水配置成胶液，加入石墨烯0.5wt% 分散好，再加入活性材料中间相碳微球 96.3wt%，最后加粘结剂 2.0wt%，混合成浆料，调节粘度达，在 0.010mm 的铜箔上涂布出极片，负极面密度以对应正极活性物质容量过量比5% 计算所得面密度，且负极极片压实密度 1.45g/cm3；正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为 0.02mm 的三层PP隔膜，电解液采用1mol/L的LiPF6/EC+DMC+PC(v/v＝1:1:1)。
通过对电池进行1C、10C、30C、40C、50C充放电性能检测，检测结果为，10C/1C容量保持率为99.74%，30C/1C容量保持率为96.62%，40C/1C容量保持率为96.62%，50C/1C容量保持率为89.61%，，同时经过500周1C循环测试，容量保持率为95.4%，表现出优异的循环性能。
实施例2
本实施例描述的高倍率性能锂离子电池，以钴酸锂为正极活性材料，钴酸锂的克比容量为145mAh/g，首次效率为96.5%；以中间相碳微球为负极材料，克比容量325mAh/g，首次效率94.5%。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂PVDF（2.5wt% ）与溶剂NMP（80wt% ）配置成胶液，在加入石墨烯1.5wt% 分散好，最后加入活性材料钴酸锂96wt%，混合成浆料，调节粘度，然后在0.016mm 的铝箔上涂布出极片，双面面密度25mg/cm2，并辊压分切得到正极极片，压实密度1.9g/cm3；
负极极片的制作是先将CMC 1.5wt%与去离子水配置成胶液，加入石墨烯0.5wt% 分散好，再加入活性材料中间相碳微球 96.7wt%，最后加粘结剂 1.8wt%，混合成浆料，调节粘度达，在 0.010mm 的铜箔上涂布出极片，负极面密度以对应正极活性物质容量过量比6% 计算所得面密度，且负极极片压实密度 1.5g/cm3；正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为 0.02mm 的三层PP隔膜，电解液采用1mol/L的LiPF6/EC+DMC+PC(v/v＝1:1:1)。
通过对电池进行1C、10C、30C、40C、50C充放电性能检测，检测结果为，10C/1C容量保持率为99.51%，30C/1C容量保持率为96.13%，40C/1C容量保持率为96.21%，50C/1C容量保持率为90.03%，，同时经过500周1C循环测试，容量保持率为94.8%，表现出优异的循环性能。
实施例3
本实施例描述的一种高倍率性能锂离子电池，以钴酸锂为正极活性材料，钴酸锂的克比容量为150mAh/g，首次效率为95.5%；以中间相碳微球为负极材料，克比容量320mAh/g，首次效率94.1%。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂PVDF（2.0wt% ）与溶剂NMP（80wt% ）配置成胶液，在加入石墨烯1.0wt% 分散好，最后加入活性材料钴酸锂97wt%，混合成浆料，调节粘度，然后在0.016mm 的铝箔上涂布出极片，双面面密度30mg/cm2，并辊压分切得到正极极片，压实密度2.0g/cm3；
负极极片的制作是先将CMC 1.5wt%与去离子水配置成胶液，加入石墨烯0.5wt% 分散好，再加入活性材料中间相碳微球 97wt%，最后加粘结剂 1.5wt%，混合成浆料，调节粘度达，在 0.010mm 的铜箔上涂布出极片，负极面密度以对应正极活性物质容量过量比6% 计算所得面密度，且负极极片压实密度 1.45g/cm3；正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为 0.02mm 的三层PP隔膜，电解液采用1mol/L的LiPF6/EC+DMC+PC(v/v＝1:1:1)。
通过对电池进行1C、10C、30C、40C、50C充放电性能检测，检测结果为，10C/1C容量保持率为98.09%，30C/1C容量保持率为95.11%，40C/1C容量保持率为94.32%，50C/1C容量保持率为88.25%，，同时经过500周1C循环测试，容量保持率为95.3%，表现出优异的循环性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺参数和流程，但本发明并不局限于上述详细工艺参数和流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺参数和流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (5)

1.一种具有高倍率充放电性能的锂离子电池，其特征在于：材料体系以高倍率钴酸锂为正极，以高倍率中间碳微球为负极，以石墨烯为导电添加剂；钴酸锂正极材料的克比容量为145～152mAh/g，首次效率为95.5～97.5%，双面面密度为15～30mg/cm2，正极压实密度1.6～2.0g/cm3；石墨负极材料的克比容量为310～330mAh/g，首次效率为92～94.5%，负极压实密度为1.2～1.5g/cm3，且负极极片面密度以对应的正极活性物质过量比为3%～10%。
2.根据权利要求 1 所述的一种具有高倍率充放电性能的锂离子电池，其特征在于：正极极片的制作是先将2～5wt%粘接剂-聚偏氟乙烯（PVDF）与80～120wt%溶剂-甲基吡咯烷酮（NMP）制成胶液，再加入1～3wt%石墨烯导电剂分散好，最后加入80～95.5wt%活性材料钴酸锂，混合成浆料，调节粘度，在0.010～0.016mm的铝箔上涂布出极片，辊压分切得到正极极片；且正极双面密度为20～30mg/ ㎝2，压实密度1.8～2.0g/cm3。
3.根据权利要求 1 所述的一种具有高倍率充放电性能的锂离子电池，其特征在于：负极极片的制作是先将 1～2wt% 增稠剂-羟甲基纤维素钠（CMC）与去离子水配置成胶液，加入0.5～2wt% 石墨烯导电剂分散好，再加入93.8～98wt% 中间碳微球，最后加2～4.4wt%粘接剂-丁苯橡胶（SBR），混合成浆料，调节粘度，在0.08～0.010mm的铜箔上涂布出极片，负极压实密度1.3～1.5g/cm3。
4.根据权利要求 1 所述的一种具有高倍率充放电性能的锂离子电池，其特征在于：正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为 0.012～0.025mm。
5.根据权利要求 1 所述的一种具有高倍率充放电性能的锂离子电池，其特征在于：电解液采用1mol/L的LiPF6/EC+DMC+PC(v/v＝1:1:1)，额外添加具有高凝固点的PC溶剂。
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