CN105449223A - 一种高安全、高容量锂离子电池的制作方法 - Google Patents

一种高安全、高容量锂离子电池的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高倍率锂离子电池的制备方法，步骤为：1）配置石墨烯胶液：将石墨烯粉末、粘结剂与溶剂混合均匀，制得石墨烯胶液；2）制备三维集流体：将含石墨烯的胶液覆盖在三维集流体表面，然后经过烘箱烘烤；3）制备电池：将正、负极材料涂布于表面覆盖有石墨烯的三维集流体上，得到电池极片；后续组装成电池。本发明制备得到了一种高安全、高倍率、高容量锂离子电池，解决锂离子电池安全性能及倍率性能差、比能量低的缺点。

Description

一种高安全、高容量锂离子电池的制作方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池制作技术领域，特别是涉及一种高安全、高容量锂离子电池的制作方法。
背景技术
锂离子电池由于具有放电平台高、能量密度大、循环寿命长、环保等优点，目前在电源市场上已成为主要成员。随着石油燃料逐步减少、环境污染日益严重以及人们对环保意识的增强，人们已逐步尝试将锂离子电池用于纯电动汽车、混合电动汽车等领域。
然而社会上不断传出锂离子电池起火、爆炸的消息，令消费者对锂离子电池的安全性能产生质疑，其循环性能也有待提高。为了提高锂离子电池的安全性能、倍率性能和质量比能量，科研人员通过掺杂、包覆等技术改善正极材料的性能，寻找新型负极材料以替代现有锂离子电池所采用的石墨类材料，尝试制作陶瓷隔膜材料以提高抗击穿能力，试制各种耐高温、不易分解、耐过充过放等特性的电解液，这些技术均使锂离子电池在安全性和循环性上有了很大提高，但研究人员对集流体关注较少。
经研究可以发现，锂离子电池在充电时由于充电电流小、充电环境相对优越等特点，其安全系数相对较高；在放电过程中，锂离子电池会散出大量的热，当极片数量较多或者极片卷绕时，其内部热量如不及时散出，将导致负极固体电解质界面膜(SEI)发生分解甚至脱落，最终导致锂离子电池循环性能下降甚至失效。如能将锂离子电池放电过程中所释放的热量及时导出，使锂离子电池内外温度基本保持一致，必将会大大提高锂离子电池的安全性能和循环性能。CN102208598B提供一种石墨烯涂层改性的锂二次电池的电极极片及其制作方法，该方法可以改善锂离子电池的安全性能，但制作方式复杂，且活性物质涂覆厚度有限，导致电池的质量比能量有所降低，因此尚没有同时兼顾安全性、倍率性和能量比的锂离子电池制作方式。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高安全、高容量锂离子电池的制作方法，解决锂离子电池安全性能及倍率性能差、比能量低的缺点。
本发明提供了一种高倍率锂离子电池的制备方法，步骤为：1)配置石墨烯胶液：将石墨烯粉末、粘结剂与溶剂混合均匀，制得石墨烯胶液；2)制备三维集流体：将含石墨烯的胶液覆盖在三维集流体表面，然后经过烘箱烘烤；3)制备电池：将正、负极材料涂布于表面覆盖有石墨烯的三维集流体上，得到电池极片；后续组装成电池。
进一步的，所述三维集流体是网状、孔状或凹凸状。
进一步的，所述步骤1)中石墨烯胶液中石墨烯的质量浓度为0.2-2％。
进一步的，所述步骤2)中表面覆盖方式为涂覆或化学气相沉积。
进一步的，所述步骤2)中石墨烯在三维集流体上的厚度为0.1-0.5μm。
进一步的，所述步骤2)中石墨烯同时覆盖在正、负集流体上，或者覆盖在单个集流体上。
进一步的，所述步骤2)中正极集流体铝箔厚度为12-14μm，负极集流体铜箔厚度为7-8μm。
进一步的，所述步骤3)中正极材料采用磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍锰酸锂中的一种或几种的混合物。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
(1)正负极采用三维集流体，三维集流体上均覆盖有石墨烯材料，可将锂离子电池在充放电时发出的热量有效散出，有效提高了锂离子电池的安全性，同时提高了三维集流体的导电效果；由于覆盖有石墨烯的三维集流体具有很好的传热效果，当锂离子电池内部出现微短路或被刺穿，覆盖有石墨烯的三维集流体能将锂离子电池的热量及时散出，可确保锂离子电池不起火、不爆炸，有效提高了锂离子电池的安全性。
(2)由于覆盖有石墨烯的三维集流体具有更加优异的导电性，可将正负极三维集流体的厚度进一步减小；由于三维集流体具有立体构造，单位面积的比表面积大，材料不易发生剥离，可涂覆更多面密度的活性物质，且在三维集流体上涂覆了石墨烯材料后可有效提高活性物质的压实密度，因此有效提高了锂离子电池的比能量；
(3)由于锂离子电池内部热量及时散出，其负极极片表面的SEI(固体电解质界面膜)膜不易分解，从而使锂离子电池寿命大大增加。
该方法制备简单，在锂离子电池每安时容量生产成本上，本制作方法可弥补添加石墨烯所带来的生产成本，适于大规模推广应用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。本发明所提到的比例、“份”，如果没有特别的标记，均以重量为准。
本发明的一种高安全、高容量锂离子电池的制作方法，
1)配置石墨烯胶液：将石墨烯粉末、粘结剂与溶剂混合均匀，制得石墨烯胶液，具体是在超声波分散机中将PVDF(聚偏氟乙烯)或PTFE(聚四氟乙烯)溶解于NMP(N-甲级吡咯烷酮)中；或者将CMC(羧甲基纤维素钠)溶解于去离子水中，加入SBR(丁苯橡胶)，分散时间2-6h；然后加入石墨烯材料，由于石墨烯材料的比表面积大、粒径小，为保证分散的均匀度和表面覆盖效果，胶液中石墨烯的质量浓度为0.2-2％，经分散后，石墨烯均匀的分散于胶液中，得到固含量为2-5％的石墨烯导电胶；
2)制备三维集流体：将含石墨烯的胶液覆盖在三维集流体表面，表面覆盖方式为涂覆、化学气相沉积等，优选涂覆方式；石墨烯的横向导热率高达3000W/K*m，其导热效率约是铜的13倍，常温下石墨烯电子迁移率超过15000cm2/V*s，远高于碳纳米管和硅晶体，且石墨烯粒径远小于SP、KS-6等传统导电剂，因此烘干后的石墨烯在三维集流体上的涂覆厚度为0.1-0.5μm即可达到很好的导电和导热效果；所述三维集流体可以是网状、孔状或凹凸状，为便于锂离子电池的制作，优选的三维集流体为凹凸状。
石墨烯可以同时覆盖在正、负集流体上，也可以覆盖在单个集流体上，优选正、负集流体同时覆盖，且正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔。由于覆盖石墨烯的三维集流体导电性和导热率有很大提高，可将正负极集流体厚度适当降低，以提高电池的能量密度，优选正极集流体铝箔厚度为12-14μm，负极集流体铜箔厚度为7-8μm。
3)制备电池极片：将正、负极锂离子电池材料涂布于表面覆盖有石墨烯的三维集流体上，制备得到电池极片；后续按照传统工艺流程组装成电池，隔膜采用聚乙烯、聚丙烯或两者的复合材料，电解液为与正负极及隔膜相匹配的市售产品。
所述的正极材料采用磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍锰酸锂中的一种或几种的混合物，为提高锂离子电池的比能量，可将正极活性物质涂布面密度提高10-70％，优选提高20-50％；由于添加石墨烯的正极材料具有更好的柔韧性，因此正极材料压实密度根据活性物质不同可提高0.2-0.5g/cm3。
所述的负极材料为天然石墨、人造石墨或钛酸锂，负极活性物质涂布面密度根据正极涂布面密度进行设计。
由于石墨烯是非常理想的导电、导热材料，因此在三维集流体上覆盖石墨烯以后，可以将充放电过程中产生的热量有效导出，且三维集流体的导电性能大幅度提高，有效提高了锂离子电池的安全性能。三维集流体具有立体构造，单位面积的比表面积大，材料不易发生剥离，可涂覆更多面密度的活性物质，由于在三维集流体上涂覆了石墨烯材料，可有效提高活性物质的涂布面密度和压实密度，因此有效提高了锂离子电池的比能量。
为了能更清楚地理解本发明的技术方案，下面以实施例对本发明进一步说明。
实施例1
在超声波分散机中加入适量的NMP，然后加入粉状的PVDF，形成PVDF质量浓度为4％的混合液，PVDF的超声波分散时间为3h，待PVDF完全溶解于NMP中后形成胶液，加入石墨烯粉体，胶液中石墨烯粉体的质量浓度为1％，超声分散8h，溶液配置好后用涂布机均匀的涂覆在7μm厚的三维铜箔与12μm厚的三维铝箔上，石墨烯粉体在三维铜箔与三维铝箔的单面厚度均为0.1μm，正极活性物质为镍钴锰酸锂，负极活性材料为中间相炭微球(MCMB)、隔膜为PP/PE/PP、电解液采用适合镍钴锰酸锂体系的市售成品，按照锂离子电池的生产工艺制成18650圆柱型电池，正极双面涂布面密度为500g/m2，压实密度为3.65g/cm3，负极采用人造石墨，双面涂布面密度为250g/m2，压实密度为1.6g/cm3,电池设计容量为3.0Ah，容量比现有三元锂离子电池高约20％，在3C放电时其表面温度小于55℃，符合锂离子电池使用温度范围，经挤压、碰撞、针刺、短路、过充、过放等安全性能测试后，锂离子电池均不起火、不爆炸。
实施例2
在超声波分散机中加入适量的NMP，然后加入粉状的PVDF，形成PVDF质量浓度为5％的混合液，PVDF的超声波分散时间为3h，待PVDF完全溶解于NMP中后将石墨烯粉体加入，胶液中石墨烯粉体的质量浓度为1.5％，超声分散8h，溶液配置好后用涂布机均匀的涂覆在12μm厚的三维铝箔上。在超声波分散机中加入适量的去离子水，然后加入粉状的CMC，形成质量浓度为1.2％的CMC溶液，CMC的超声波分散时间为5h，待CMC完全溶解于去离子水中后将石墨烯粉体加入，胶液中石墨烯粉体的质量浓度为1.5％，超声分散8h，然后加入SBR，形成SBR质量浓度为2％的混合液，超声分散0.5h，溶液配置好后用涂布机均匀的涂覆在8μm厚的三维铜箔上，石墨烯粉体在三维铜箔与三维铝箔的单面厚度均为0.3μm。正极活性物质为磷酸铁锂，负极活性材料为中间相炭微球(MCMB)、隔膜为PP/PE/PP、电解液采用适合磷酸铁锂体系的市售成品，按照锂离子电池的生产工艺制成08150225方形锂离子电池，正极双面涂布面密度为360g/m2，压实密度为2.4g/cm3，负极采用中间相炭微球，双面涂布面密度为160g/m2，压实密度为1.6g/cm3,电池设计容量为25Ah，容量比现有三元锂离子电池高约25％，锂离子电池在3C放电时其表面温度小于55℃，符合锂离子电池使用温度范围，经挤压、碰撞、针刺、短路、过充、过放等安全性能测试后，锂离子电池均不起火、不爆炸。
以上实施例仅是本发明若干种优选实施方式中的几种，应当指出，本发明不限于上述实施例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高倍率锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤为：
1）配置石墨烯胶液：将石墨烯粉末、粘结剂与溶剂混合均匀，制得石墨烯胶液；
2）制备三维集流体：将含石墨烯的胶液覆盖在三维集流体表面，然后经过烘箱烘烤；
3）制备电池：将正、负极材料涂布于表面覆盖有石墨烯的三维集流体上，得到电池极片；后续组装成电池。
2.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述三维集流体是网状、孔状或凹凸状。
3.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中石墨烯胶液中石墨烯的质量浓度为0.2-2%。
4.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中表面覆盖方式为涂覆或化学气相沉积。
5.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中石墨烯在三维集流体上的厚度为0.1-0.5μm。
6.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中石墨烯同时覆盖在正、负集流体上，或者覆盖在单个集流体上。
7.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中正极集流体铝箔厚度为12-14μm，负极集流体铜箔厚度为7-8μm。
8.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中正极材料采用磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、镍锰酸锂中的一种或几种的混合物。
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