CN105206780A - 一种含活性锂源隔膜及制作方法及锂离子电池 - Google Patents

一种含活性锂源隔膜及制作方法及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含活性锂源隔膜，包括隔膜和含活性锂源涂层，所述的含活性锂源涂层涂布在隔膜的一侧或双侧。本发明公开了一种含活性锂源隔膜的制作方法。本发明还公开了一种锂离子电池。本发明具有工艺环境要求低，且在隔膜的表面涂布的活性材料，使得隔膜能够存储一定量的锂源，为锂离子二次电池体系提供锂源，弥补在首次充放时造成的锂离子的损失，可以提高正极活性材料的利用率达96-98%左右，可以使二次电池正极活性物质克容量发挥达到半电池的理想水平；同时，含锂源的活性材料在失去锂源后形成固体层覆盖在隔膜上，形成支撑隔膜结构固体物质层，可以增加隔膜的热稳定性，防止隔膜热收缩，可以电池的安全性能。

Description

一种含活性锂源隔膜及制作方法及锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种含活性锂源隔膜及制作方法及锂离子电池。
背景技术
目前，市场隔膜涂覆技术主要有两种，一种是采用PVDF，该技术分别通过隔膜粘附极片达到提升电芯硬度、固定电芯形状的目的；另一种采用陶瓷粒子涂覆，旨在通过陶瓷离子支撑隔膜防止热缩造成大面积短路而提升安全性能，同时改善隔膜与电解液浸润性能，改善电池的自放电等。锂离子电池中钴酸锂、锰酸锂材料本身利用率低，半电池理想状态利用率可以达到98%，实际使用利用率只有90-93%，造成严重的资源浪费；另外，合金负极材料对锂源损耗大，首次效率低，造成正极材料容量发挥水平较差，直接限制了合金负极材料的产业化应用。美国专利US20130260239A1，通过添加SLMP（StabilizedLithiumMetalPowder）在负极表面，的方式为体系提供锂源，但是终究对环境要求十分苛刻，且生产成本高，真正实现规模产业化困难。
因此如何设计一种既能够保持隔膜原有的性能，又能够提弥补体系的锂源损耗，为体系提供锂源，且热稳定性高的隔膜成为锂离子电池技术的重要技术。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是一种能提供锂源，弥补锂源损失，提升正极利用效率与克容量，隔膜热收缩率低的含活性锂源隔膜及制作方法及锂离子电池。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：一种含活性锂源隔膜，包括隔膜和含活性锂源涂层，所述的含活性锂源涂层涂布在隔膜的一侧或双侧。
其中，所述的含活性锂源涂层包括含锂源活性物质层，该含锂源活性物质层由含有锂的单质或者含锂元素的化合物、混合物、金属互化物、金属固溶体涂布在隔膜上制成。
本发明还提供了一种制作上述的含活性锂源隔膜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）选取含锂源的活性材料；
（2）将活性材料与导电剂和粘结剂按照一定的比例混合，制作活性混合浆料；
（3）将活性混合材料涂覆在隔膜的一侧或者双侧。
其中，步骤（2）中所述的活性混合材料的各材料的重量百分比混合比例为：活性材料85％～99.9％，导电剂0％～5％，粘结剂0.1％～10％。
其中，所述的活性材料包括含有锂的单质或者含锂元素的化合物、混合物、金属互化物、金属固溶体。
本发明还提供了一种应用上述的含活性锂源隔膜的锂离子电池，包括正极和负极以及用于封装正极和负极的铝塑膜，在铝塑膜内注入电解液活化成锂离子电池，其特征在于，正极和负极之间设有以上所述的含活性锂源多功能隔膜。
与现有技术相比，本发明具有工艺环境要求低，不需要对工艺的生产环境作特别处理，适用于国内现有规模量产的锂离子电池制作环境，且在隔膜的表面涂布的活性材料，使得隔膜能够存储一定量的锂源，为锂离子二次电池体系提供锂源，弥补在首次充放时造成的锂离子的损失，可以提高正极活性材料的利用率达96-98%左右，可以使二次电池正极活性物质克容量发挥达到半电池的理想水平；同时，含锂源的活性材料在失去锂源后形成固体层覆盖在隔膜上，形成支撑隔膜结构固体物质层，可以增加隔膜的热稳定性，防止隔膜热收缩，可以电池的安全性能。
附图说明
图1为本发明实施例1和实施例2中含活性锂源隔膜的结构示意图。
图2本发明实施例1和实施例2中锂离子电池的结构示意图。
具体实施方式
为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
实施例1
如图1所示，一种含活性锂源隔膜，包括隔膜和含活性锂源涂层，所述的含活性锂源涂层涂布在隔膜的上表面。所使用的含活性锂源涂层为磷酸铁锂层。所使用的隔膜为聚乙烯、聚丙烯等锂化物。
本实施例还提供了一种制作上述的含活性锂源隔膜的制作方法。该制作方法，具体包括如下步骤：
（1）选取磷酸铁锂作为含活性锂源的活性材料，粒径D50为500nm的磷酸铁锂材料，并烘烤。
（2）将烘干后的磷酸铁锂与导电剂和粘结剂按照一定的比例混合，然后进行搅拌使其分散均匀，制作100千克的含磷酸铁锂的活性混合浆料；其中磷酸铁锂97.5千克，导电剂0千克，粘结剂2.5千克；粘结剂为聚偏氟乙烯（PVDF）。
（3）将含磷酸铁锂的活性混合材料涂覆在隔膜的上表面，制成含活性锂源隔膜。
本实施例还提供了一种应用上述的含活性锂源隔膜的锂离子电池。
如图2所示，一种应用上述的含活性锂源隔膜的锂离子电池，包括采用上述方法和磷酸铁锂活性混合材料制的含活性锂源隔膜1，所述的多含活性锂源隔膜1的上表面上设有一层含磷酸铁锂的活性混合材料2，所使用的隔膜为聚乙烯材质。采用钴酸锂作为正极材料，其中磷酸铁锂的活性复合材料和钴酸锂按照质量比为7:93的比例分别涂布在隔膜和铝箔上，制成含活性锂源隔膜1和正极3。负极4采用石墨作为负极材料。将含活性锂源隔膜设置于正极和负极之间，设有磷酸铁锂的活性混合材料的上表面与正极同侧，没有活性混合材料的下表面与负极同侧，然后将正极和负极卷绕，制的卷芯。将卷芯封装于铝塑膜内，并注入电解液制成锂离子电池。所述的电解液为市场上销售的且本领域所熟知的产品，在此不对电解液进行一一列举。
实际高温测试表明设置于聚乙烯上表面的磷酸铁锂活性混合材料层脱锂后形成磷酸铁覆盖在聚乙烯上表面上形成一层绝缘层，可以支撑隔膜180℃高温下保持良好的形状不明显收缩；采用正极钴酸锂、负极为石墨的极片组装成锂离子电池。经过60小时的半电高温（电压为3.8V、温度为45℃）存放活化后，实际容量测试显示在0.5C倍率下测试，电池钴酸锂的克容量发挥可以达到150-154mAh/g半电池的理论水平，较常规全电池克容量140-144mAh/g提升近10mAh/g。
实施例2
一种含活性锂源隔膜，包括隔膜和含活性锂源涂层，所述的含活性锂源涂层涂布在隔膜的上表面。所使用的含活性锂源涂层为硼酸铁锂层。所使用的隔膜为聚乙烯、聚丙烯等锂化物。
本实施例还提供了一种制作上述的含活性锂源隔膜的制作方法。该制作方法，具体包括如下步骤：
（1）选取硼酸铁锂作为含活性锂源的活性材料，并采用粒径D50为500nm的硼酸铁锂材料进行烘烤。
（2）将烘干后的硼酸铁锂与导电剂和粘结剂按照一定的比例混合，然后进行搅拌使其充分混合，制作100千克的含硼酸铁锂的活性混合材料；其中硼酸铁锂94.5千克，导电剂0.5千克，粘结剂5千克；
（3）将含硼酸铁锂活性混合材料涂覆在隔膜的上表面，制成含活性锂源隔膜。
本实施例还提供了一种应用上述的含活性锂源隔膜的锂离子电池。
如图2所示，一种应用上述的含活性锂源隔膜的锂离子电池，包括采用上述方法和硼酸铁锂活性混合材料制的含活性锂源隔膜1，所述的含活性锂源隔膜1的上表面上设有一层含硼酸铁锂的活性混合材料2，所使用的隔膜为聚丙烯材质。采用钴酸锂作为正极材料，其中硼酸铁锂的活性复合材料和钴酸锂按照质量比为3:100的比例分别涂布在隔膜和铝箔上，制成多功能隔膜1和正极3。负极4采用人造石墨作为负极材料。将含活性锂源隔膜设置于正极和负极之间，设有硼酸铁锂的活性混合材料的上表面与正极同侧，没有活性混合材料的下表面与负极同侧，然后将正极、隔膜、负极卷绕制成卷芯。将卷芯封装于铝塑膜内，并注入电解液制成锂离子电池。所述的电解液为市场上销售的且本领域所熟知的产品，在此不对电解液进行一一列举。
实际高温测试表明设置于隔膜表面的硼酸铁锂活性混合材料层脱锂后形成硼酸铁覆盖在聚乙烯上表面上形成一层绝缘层，可以高温下支撑隔膜180℃保持良好的形状不明显收缩，保持良好的稳定性；采用正极钴酸锂、负极为人造石墨的极片组装成锂离子电池。化成后经过60小时的高温（电压为3.8V、温度为45℃）存放活化后，实际容量测试显示在0.5C倍率下测试，全电池钴酸锂的克容量发挥可以达到151～153mAh/g，接近半电池的理论水平，较常规全电池克容量139～145mAh/g提升近10mAh/g。
以上实施例中所述的活性材料除了实施例1和实施例2所述的涂布在隔膜的上表面外，还可以涂布在隔膜的下表面或在隔膜的上表面和下表面均涂布，，其实施方式与实施例1和实施例2相同，在此不作进一步举例说明。以上实施例中的所述的活性材料包括含有锂的单质或者含锂元素的化合物、混合物、金属互化物、金属固溶体。例如活性材料可以采用磷酸亚铁锂，磷酸盐，NASICON型硫酸铁，普鲁士蓝-锂化[Fe4（Fe（CN）6）]3·xH2O，硅酸盐，镍钴锰酸锂，镍钴铝酸锂，镍钴酸锂，硼酸铁锂，硼酸钴锂，硼酸锰锂，硫化锂，聚苯胺，聚苯撑，聚环氧乙炔等材料与导电剂和粘结剂混合，其中粘结剂在混合材料的含量至少为0.1％。活性材料与导电剂以及粘结剂的混合比例除了上述实施例的混合比例外还可为：活性材料：导电剂：粘结剂为85:5:10，或活性材料：导电剂：粘结剂为95:0:5，或活性材料：导电剂：粘结剂为94:5:1，或活性材料：导电剂：粘结剂为85:5:15等比例混合，在此不作重复阐述。
所述的NASICON型硫酸铁为聚阴离子型锂离子正极材料，为本领域专业技术人员所熟知的公知常识，在此不作进一步解释。
上述实施例仅为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种含活性锂源隔膜，其特征在于，包括隔膜（1）和含活性锂源涂层(2)，所述的含活性锂源涂层(2)涂布在隔膜的一侧或双侧。
2.根据权利要求1所述的含活性锂源隔膜，其特征在于，所述的含活性锂源涂层(2)包括含锂源活性物质层，该含锂源活性物质层由含有锂的单质或者含锂元素的化合物、混合物、金属互化物、金属固溶体涂布在隔膜上制成。
3.一种权利要求1所述的含活性锂源隔膜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）选取含锂源的活性材料；
（2）将活性材料与导电剂和粘结剂按照一定的比例混合，制作活性混合浆料；
（3）将活性混合材料涂覆在隔膜的一侧或者双侧。
4.根据权利要求3所述的含活性锂源隔膜的制作方法，其特征在于，步骤（2）中所述的活性混合材料的各材料的重量百分比混合比例为：活性材料85％～99.9％，导电剂0％～5％，粘结剂0.1％～10％。
5.根据权利要求4所述的含活性锂源隔膜的制作方法，其特征在于，所述的活性材料包括含有锂的单质或者含锂元素的化合物、混合物、金属互化物、金属固溶体。
6.一种应用权利要求1的锂离子电池，包括正极（3）和负极（4）以及用于封装正极和负极的铝塑膜，在铝塑膜内注入电解液活化成锂离子电池，其特征在于，正极（3）和负极（4）之间设有权利要求1所述的含活性锂源多功能隔膜（1）。
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