CN105449139A - 一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法 - Google Patents

一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法，包括制作正、负极片→制作电芯→焊接包装→封装注液→化成分容，制作正、负极片时，控制设计正极片容量＞设计负极片容量；制作电芯时采用的隔膜为陶瓷涂覆聚乙烯隔膜，陶瓷涂覆聚乙烯隔膜厚度为16~25μm；化成分容时，先对化成后对电池进行高温老化再分容，高温老化的温度为90~120℃。本发明的方法工艺步骤简单，可操作性强，能彻底解决钛酸锂电池在高温循环时的胀气问题，在改善高温循环性能的同时保证钛酸锂电池优异的倍率充放电性能。

Description

一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备技术领域，尤其是涉及一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法。
背景技术
目前已经商品化的锂离子电池的负极材料大多是石墨类材料，由于石墨类材料具有较低的库伦效率和较低的嵌锂电位，很容易在放电过程中造成负极表面析出锂晶枝，从而刺破隔膜导致电池短路，造成安全事故。
尖晶石结构的钛酸锂是一种具有优异性能的新型负极材料，首先它具有较高的脱嵌锂电位（1.55Vvs.Li+/Li）和较高的锂离子扩散系数（2×10-8cm2/s），可以避免电池在过充、大电流充电或低温时锂离子在负极表面的沉积，也就是锂枝晶的析出，因而以钛酸锂以负极的锂离子电池具有较高的安全性，有望应用于动力电池；同时，钛酸锂作为一种“零应变材料”，可以避免电池在充放电过程中的结构变化，正因为钛酸锂具有以上优异的电化学性质，目前已成为电池行业普遍关注的热点。
然而目前以钛酸锂为负极材料的锂离子电池普遍存在胀气的问题，这是因为钛酸锂在电池中作为负极材料使用时，由于其自身特性的原因，钛酸锂与电解液之间容易发生相互作用并在充放循环反应过程中产生气体，这会导致电芯鼓包，电池的电性能也会大幅下降，极大地降低了钛酸锂电池的理论循环寿命。胀气问题严重阻碍了以钛酸锂为负极材料的锂离子电池的商业化进展。
例如，申请公布号CN103187562A，申请公布日2013.07.03的中国专利公开了一种双重界面包覆解决锂离子电池钛酸锂负极胀气的方法，该方法对钛酸锂负极材料首先进行氮化物进行界面稳定层包覆，构建电极材料和电解液间电化学稳定界面，接着采含氟化合物进行疏水表面层包覆，构建疏水电极界面，防止电极材料中的结晶水进入电解液，同时也抑制电解液体系的痕量水分扩散到电极界面发生催化反应，限制充放电过程中的电解液分解产生气体。其不足之处在于，对钛酸锂进行包覆，需对氮化物、含氟化合物的纯度要求较高，否则会带入杂质，同时对钛酸锂进行包覆，工艺复杂，成本高，而且包覆后的钛酸锂会降低电池的能量密度，最重要的是，该方法不能彻底解决钛酸锂电池在高温条件下（55℃以上）的胀气问题，由于在高温条件下，钛酸锂负极在锂离子嵌入/脱出过程中，钛酸锂颗粒表面钛的化合价态在Ti3+和Ti4+之间变化，其中的Ti3+具有催化化学活性，Ti3+催使电解液有机溶剂发生还原，产生CO和H2等气体，该反应是持续不断缓慢进行的，因此钛酸锂电池胀气是源源不断的发生，而现有电池的高温化成温度普遍不超过60℃，该方法只能够解决钛酸锂电池在常温下循环过程中的胀气问题，但是无法避免电池在高温循环时的胀气问题。
发明内容
本发明是为了解决现有技术的以钛酸锂为负极材料的锂离子电池普遍存在胀气的问题，提供了一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法，工艺步骤简单，可操作性强，能彻底解决钛酸锂电池在高温循环时的胀气问题，在改善高温循环性能的同时保证钛酸锂电池优异的倍率充放电性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法，包括制作正、负极片→制作电芯→焊接包装→封装注液→预充化成，制作正、负极片时，控制设计正极片容量＞设计负极片容量；制作电芯时采用的隔膜为陶瓷涂覆聚乙烯隔膜，陶瓷涂覆聚乙烯隔膜厚度为16~25μm；化成分容时，先对化成后对电池进行高温老化再进行分容，高温老化的温度为90~120℃。本发明先对化成后对电池进行高温老化再进行分容，高温老化温度控制在90~120℃（高温），老化能够使钛酸锂颗粒表面形成一层固态电解质界面膜(SEI)，促使钛酸锂颗粒表面Ti3+与电解液有机溶剂隔离开，从而彻底解决钛酸锂电池在高温循环时胀气问题，同时本发明在隔膜一面涂上一层陶瓷涂层，常规陶瓷涂覆聚乙烯隔膜在80℃以上温度时易发生收缩，导致电池内正、负极片发生直接接触，造成电池短路，陶瓷涂层可确保高温老化阶段隔膜不发生收缩，避免造成电池短路问题，另外隔膜上钛酸锂涂层与钛酸锂负极为同一种材料，可保持良好电化学界面相容性，相比于其他类型陶瓷涂层，如二氧化硅（SiO2）或者三氧化二铝（Al2O3），钛酸锂(Li4Ti5O12)等具有更高的锂离子电导率，在改善高温循环性能同时，亦可保证钛酸锂电池优异的倍率充放电性能。
作为优选，制作正、负极片时，控制正极单位面积容量：负极单位面积容量=1.05~1.5：1。
作为优选，所述陶瓷涂覆聚乙烯隔膜通过以下方法制得：按质量比1:19~20的配比称取聚偏氟乙烯和钛酸锂后，将聚乙烯、钛酸锂分别加入N-甲基吡咯烷酮中分散成固含量为30~32%，粘度为300~320mPa.s的浆料，将浆料涂布于聚乙烯隔膜其中一面后烘干即得陶瓷涂覆聚乙烯隔膜。
作为优选，钛酸锂的粒径为20~30nm。
作为优选，浆料涂布面密度为14~14.3g/m2。
作为优选，烘干温度为75~100℃。
作为优选，陶瓷涂覆聚乙烯隔膜上陶瓷涂层的厚度为2~5μm。
因此，本发明具有如下有益效果：
（1）采用高温（90~120℃）对电池进行老化，能够使钛酸锂颗粒表面形成一层固态电解质界面膜(SEI)，促使钛酸锂颗粒表面Ti3+与电解液有机溶剂隔离开，从而彻底解决钛酸锂电池在高温循环时胀气问题；
（2）在聚乙烯隔膜一面涂上一层陶瓷涂层制成陶瓷涂覆聚乙烯隔膜，陶瓷涂层可确保高温老化阶段隔膜不发生收缩，避免造成电池短路问题，亦可保证钛酸锂电池优异的倍率充放电性能。
附图说明
图1是实施例1中的钛酸锂电池在55℃的循环性能测试图。
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。
实施例1
（1）制作正、负极片：将正极材料（聚偏氟乙烯7%，超导碳黑5%，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2余量）分散在有机溶剂（N-甲基吡咯烷酮）中，搅拌均匀后涂覆于正极集流体上，在80℃烘干后辊压得到厚度为200μm，压实密度为在3g/cm3的正极片；将负极材料（羧甲基纤维素钠2%，丁苯橡胶8%，超导碳黑4%，钛酸锂余量）分散于水中，搅拌均匀后涂覆于负极集流体上，在100℃烘干后经辊压得到厚度为120μm，压实在2g/cm3的负极片，涂覆时其中正极单位面积容量：负极单位面积容量=1.2：1；将上述极片放入真空烘箱中125℃烘烤23小时后经裁剪即得正、负极片成品，烘烤时控制正、负极片水分含量在200ppm以下；
（2）制作电芯：按质量比1:19.5的配比称取聚偏氟乙烯和钛酸锂后，将聚乙烯、钛酸锂加入N-甲基吡咯烷酮中分散成固含量为31%，粘度为310mPa.s的浆料，将浆料涂布于聚乙烯隔膜其中一面后烘干得陶瓷涂覆聚乙烯隔膜，浆料涂布面密度为14.2g/m2，陶瓷涂覆聚乙烯隔膜的厚度为18μm，陶瓷涂层的厚度为3μm；按照正极片、陶瓷涂覆聚乙烯隔膜、负极片的顺序采用叠片式结构制成电芯，其中隔膜上具有陶瓷涂层的一面与负极片贴合；
（3）焊接包装：将电芯中的正、负极片分别用极耳焊接在一起，形成正、负极引出端，将电芯放入铝塑包装袋中，分别引出正、负极耳，在极耳胶处加热，使铝塑袋的塑胶与极耳胶熔合，从而实现电芯顶侧密封，软包电池的一侧为开口状态，留待电解液注入用途；
（4）封装注液：将电解液注入电芯后，封好注液口，电解液中的电解质盐LiPF6，LiPF6的浓度为1mol/L，电解液中的溶剂由丙基碳酸酯(PC)+甲基乙基碳酸酯(EMC)按体积比1：1混合而成，电解液添加剂为双草酸硼酸锂（LiBOB），添加量为电解液的0.2%；
（5）化成分容：预充、化成以0.2C的制度一次性完成，控制电压上限为2.7V，恒流充满后转为2.7V恒压充电，充满后将电池于100℃下搁置12小时进行高温老化，抽真空至-98kPa后分容，分容以0.5C一次性完成，控制分容截止电压为1.5V。
对得到的电池在55℃，1C/1C的条件下进行循环性能测试，得到的循环性能测试图如图1所示。
从图1可以看出，电池在55℃下循环1402周，不发生任何气胀，容量衰减缓慢，循环稳定性好，说明本发明的方法不仅有效解决了以钛酸锂为负极的锂离子电池胀气问题，还能提高电池循环稳定性。
在本发明的技术方案范围内，得到的电池在55℃，1C/1C的条件下的循环性能测试图均与图1类似，故不在下述的其他实施例中一一罗列与赘述。
实施例2
（1）制作正、负极片：将正极材料（聚偏氟乙烯7%，超导碳黑5%，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2余量）分散在有机溶剂（N-甲基吡咯烷酮）中，搅拌均匀后涂覆于正极集流体上，在50℃烘干后辊压得到厚度为100μm，压实密度为在2.8g/cm3的正极片；将负极材料（羧甲基纤维素钠2%，丁苯橡胶8%，超导碳黑4%，钛酸锂余量）分散于水中，搅拌均匀后涂覆于负极集流体上，在90℃烘干后经辊压得到厚度为60μm，压实在1.8g/cm3的负极片，涂覆时其中正极单位面积容量：负极单位面积容量=1.05：1；将上述极片放入真空烘箱中120℃烘烤22小时后经裁剪即得正、负极片成品，烘烤时控制正、负极片水分含量在200ppm以下；
（2）制作电芯：按质量比1:19的配比称取聚偏氟乙烯和钛酸锂后，将聚乙烯、钛酸锂加入N-甲基吡咯烷酮中分散成固含量为30%，粘度为300mPa.s的浆料，将浆料涂布于聚乙烯隔膜其中一面后烘干得陶瓷涂覆聚乙烯隔膜，浆料涂布面密度为14g/m2，陶瓷涂覆聚乙烯隔膜的厚度为16μm，陶瓷涂层的厚度为2μm；按照正极片、陶瓷涂覆聚乙烯隔膜、负极片的顺序采用叠片式结构制成电芯，其中隔膜上具有陶瓷涂层的一面与负极片贴合；
（3）焊接包装：将电芯中的正、负极片分别用极耳焊接在一起，形成正、负极引出端，将电芯放入铝塑包装袋中，分别引出正、负极耳，在极耳胶处加热，使铝塑袋的塑胶与极耳胶熔合，从而实现电芯顶侧密封，软包电池的一侧为开口状态，留待电解液注入用途；
（4）封装注液：将电解液注入电芯后，封好注液口，电解液中的电解质盐LiPF6，LiPF6的浓度为1mol/L，电解液中的溶剂由丙基碳酸酯(PC)+甲基乙基碳酸酯(EMC)按体积比1：1混合而成，电解液添加剂为双草酸硼酸锂（LiBOB），添加量为电解液的0.1%；
（5）化成分容：预充、化成以0.2C的制度一次性完成，控制电压上限为2.7V，恒流充满后转为2.7V恒压充电，充满后将电池于90℃下搁置12小时进行高温老化，抽真空至-98kPa后分容，分容以0.5C一次性完成，控制分容截止电压为1.5V。
实施例3
（1）制作正、负极片：将正极材料（聚偏氟乙烯7%，超导碳黑5%，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2余量）分散在有机溶剂（N-甲基吡咯烷酮）中，搅拌均匀后涂覆于正极集流体上，在100℃烘干后辊压得到厚度为350μm，压实密度为在3.4g/cm3的正极片；将负极材料（羧甲基纤维素钠2%，丁苯橡胶8%，超导碳黑4%，钛酸锂余量）分散于水中，搅拌均匀后涂覆于负极集流体上，在120℃烘干后经辊压得到厚度为200μm，压实在2.4g/cm3的负极片，涂覆时其中正极单位面积容量：负极单位面积容量=1.5：1；将上述极片放入真空烘箱中130℃烘烤24小时后经裁剪即得正、负极片成品，烘烤时控制正、负极片水分含量在200ppm以下；
（2）制作电芯：按质量比1:20的配比称取聚偏氟乙烯和钛酸锂后，将聚乙烯、钛酸锂加入N-甲基吡咯烷酮中分散成固含量为32%，粘度为320mPa.s的浆料，将浆料涂布于聚乙烯隔膜其中一面后烘干得陶瓷涂覆聚乙烯隔膜，浆料涂布面密度为14.3g/m2，陶瓷涂覆聚乙烯隔膜的厚度为25μm，陶瓷涂层的厚度为5μm；按照正极片、陶瓷涂覆聚乙烯隔膜、负极片的顺序采用叠片式结构制成电芯，其中隔膜上具有陶瓷涂层的一面与负极片贴合；
（3）焊接包装：将电芯中的正、负极片分别用极耳焊接在一起，形成正、负极引出端，将电芯放入铝塑包装袋中，分别引出正、负极耳，在极耳胶处加热，使铝塑袋的塑胶与极耳胶熔合，从而实现电芯顶侧密封，软包电池的一侧为开口状态，留待电解液注入用途；
（4）封装注液：将电解液注入电芯后，封好注液口，电解液中的电解质盐LiPF6，LiPF6的浓度为1mol/L，电解液中的溶剂由丙基碳酸酯(PC)+甲基乙基碳酸酯(EMC)按体积比1：1混合而成，电解液添加剂为双草酸硼酸锂（LiBOB），添加量为电解液的0.3%；
（5）化成分容：预充、化成以0.2C的制度一次性完成，控制电压上限为2.7V，恒流充满后转为2.7V恒压充电，充满后将电池于120℃下搁置12小时进行高温老化，抽真空至-98kPa后分容，分容以0.5C一次性完成，控制分容截止电压为1.5V。
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 (7)

1.一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法，包括制作正、负极片→制作电芯→焊接包装→封装注液→化成分容，其特征在于，制作正、负极片时，控制设计正极片容量＞设计负极片容量；制作电芯时采用的隔膜为陶瓷涂覆聚乙烯隔膜，陶瓷涂覆聚乙烯隔膜厚度为16~25μm；化成分容时，先对化成后对电池进行高温老化再分容，高温老化的温度为90~120℃。
2.根据权利要求1所述的一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法，其特征在于，制作正、负极片时，控制正极单位面积容量：负极单位面积容量=1.05~1.5：1。
3.根据权利要求1所述的一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法，其特征在于，所述陶瓷涂覆聚乙烯隔膜通过以下方法制得：按质量比1:19~20的配比称取聚偏氟乙烯和钛酸锂后，将聚乙烯、钛酸锂分别加入N-甲基吡咯烷酮中分散成固含量为30~32%，粘度为300~320mPa.s的浆料，将浆料涂布于聚乙烯隔膜其中一面后烘干即得陶瓷涂覆聚乙烯隔膜。
4.根据权利要求3所述的一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法，其特征在于，钛酸锂的粒径为20~30nm。
5.根据权利要求3所述的一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法，其特征在于，浆料涂布面密度为14~14.3g/m2。
6.根据权利要求3所述的一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法，其特征在于，烘干温度为75~100℃。
7.根据权利要求1或3所述的一种解决钛酸锂负极锂离子电池高温胀气的方法，其特征在于，陶瓷涂覆聚乙烯隔膜上陶瓷涂层的厚度为2~5μm。
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