一种动力锂离子电池、其正极片及制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池、其正极片及制备方法,具体地,涉及一种动力锂离子电池、其正极片及制备方法。
背景技术
随着全球气候变暖和雾霾天气的加剧,电动汽车取代燃油汽车的发展日益迅速,作为电动汽车三电核心部件之一的动力电源系统,其性能优劣直接影响到了电动汽车的性能表现。锂离子电池因具备高比能量、高电压、长寿命、高低温性能佳、自放电率低和无记忆效应等一系列优点,已成为电动汽车用动力能源的主流选择。
在新能源汽车领域,续航能力、使用寿命和安全性能是电动汽车最大的竞争力所在,也是消费者最为普遍关心的问题,而在国家最新公布的《2016年新能源汽车推广应用补助标准》文件中,政府对于纯电动乘用车的补贴额度直接与纯电续驶里程挂钩,纯电续驶里程越长,则补贴额度越高。在市场需求和政策刺激双方面的驱动下,电动汽车厂对于锂离子动力电池的能量密度提出了越来越高的要求。在现有国内新能源汽车动力电池供应环节中,磷酸铁锂体系动力电池由于其优异的安全性能和成熟的制造技术,几乎占据着整个市场;但磷酸铁锂材料的实际比容量仅130~140mAh/g左右,标称电压仅3.2V,成组用到汽车后能量密度很难高于100Wh/kg,导致电动汽车的续航里程十分有限,显然无法满足要求,因此开发具有高比能量的正极材料体系替代磷酸铁锂并开发相应的电池技术,成为未来车用动力电池的必然趋势。
在可应用于锂离子电池的正极材料中,镍钴锰三元材料Li(NixCOyMnz)O2(其中0<x≤0.8,0<y≤0.4,0≤z≤0.4,且x+y+z=1)克容量可达160mAh/g,标称电压3.6V以上,可以制备出能量密度高于180wh/kg的锂离子动力电池,但是该材料在充电态下的热稳定性不理想,比如热重-气相色谱-质谱仪测试显示,充电至4.2V的Li(NixCOyMnz)O2(其中0<x≤0.8,0<y≤0.4,0≤z≤0.4,且x+y+z=1)三元正极片,在200℃开始失重,250℃温度往上产生的氧气含量明显增加,这说明在较高温度下,三元材料不稳定,易分解析出氧气;DSC测试显示,充电至4.2V的Li(NixCOyMnz)O2(其中0<x≤0.8,0<y≤0.4,0≤z≤0.4,且x+y+z=1)三元正极片,在200℃~250℃之间会释放出大量热量,反应产物XRD(X射线衍射)测试显示有NiO晶体的存在,这说明在较高温度下,充电态的三元材料具有很高的氧化活性,在高温下很不安全。
采用传统的设计和工艺方法,将镍钴锰三元材料Li(NixCOyMnz)O2(其中0<x≤0.8,0<y≤0.4,0≤z≤0.4,且x+y+z=1)和导电剂及粘接剂、分散介质混合成均匀的浆料,然后涂布在铝箔集流体上,经烘烤、辊压和膜切制成正极片,然后以这样的正极片制备成的动力锂离子电池,在遭遇热滥用、电滥用(如过充、短路)或机械滥用(如针刺、挤压)时,如果电池内部温度上升至200℃以上,正极发生析氧且进一步放热,就极易引起电池的瞬间起火燃烧和爆炸,从而引发严重的安全事故,
正极活性材料磷酸铁锂LiFePO4的P-O键能高,热稳定性强,电池在过充和高温加热时不会析氧,安全性能优异,且充放电时P-O和Mn-O原子之间的距离变化不大,在充放电过程中该材料的体积变化较小,约为6%,变化刚好与碳负极在充放电过程所发生的体积变化相抵消,因此具有极强的结构稳定性和耐疲劳性,循环寿命超长。但是磷酸铁锂材料的实际比容量仅130mAh/g左右,标称电压仅3.2V,以磷酸铁锂材料作为正极体系的动力锂离子电池,能量密度普遍较低。
鉴于此,有必要提出一种能有效提高动力锂离子电池能量密度,又能充分保证电池安全性能的设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于锂离子电池技术领域的兼顾高能量密度和高安全性的动力锂离子电池、其正极片及制备方法,克服目前技术的不足,有效改善电池的长循环性能,起到提高电动汽车的续航里程和使用寿命的作用。
为了达到上述目的,本发明提供了一种动力锂离子电池正极片,其中,该正极片的涂覆浆料中包含两种活性物质,分别为能量密度较低但安全性能优异的磷酸铁锂LiFePO4和能量密度较高但安全性较差的镍钴锰三元材料Li(NixCOyMnz)O2;所述的Li(NixCOyMnz)O2中0<x≤0.8,0<y≤0.4,0≤z≤0.4,且x+y+z=1;按质量百分比计LiFePO4占活性物质总量的10%~50%,Li(NixCOyMnz)O2占活性物质总量的50%~90%;所述的LiFePO4表面包覆有磷酸铝AlPO4颗粒。
上述的动力锂离子电池正极片,其中,所述的AlPO4的包覆量为LiFePO4质量的1%~5%。
上述的动力锂离子电池正极片,其中,所述的AlPO4颗粒粒径为纳米级,平均粒径D50范围为10nm-50μm。
上述的动力锂离子电池正极片,其中,所述的LiFePO4颗粒粒径为亚微米级,平均粒径D50范围为500nm-1μm。
上述的动力锂离子电池正极片,其中,所述的Li(NixCOyMnz)O2颗粒粒径为微米级,平均粒径D50范围为10μm~20μm。
上述的动力锂离子电池正极片,其中,所述的正极片的涂覆浆料中还包含导电剂、粘结剂以及有机溶剂;所述涂覆浆料中包覆有AlPO4的LiFePO4与Li(NixCOyMnz)O2预先混合成复合式活性物质;所述复合式活性物质与导电剂、粘结剂的质量百分比为(92%~94%):(4%~2%):(4%~2%)。所述的导电剂优选为碳纳米管(CNT),粘结剂优选为聚偏氟乙烯(PVDF),有机溶剂优选为剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
本发明也提供了一种上述的动力锂离子电池正极片的制备方法,其中,所述的方法包含:步骤1,将纳米级的AlPO4颗粒对亚微米级LiFePO4进行表面包覆,然后将经表面包覆AlPO4的LiFePO4与微米级Li(NixCOyMnz)O2采用干混的方式预混均匀,使亚微米级的包覆AlPO4的LiFePO4颗粒富集在微米级Li(NixCOyMnz)O2颗粒周围,形成复合式活性物质;所述的Li(NixCOyMnz)O2中0<x≤0.8,0<y≤0.4,0≤z≤0.4,且x+y+z=1;步骤2,将经过预混处理后的复合式活性物质、导电剂、粘结剂以(92%~94%):(4%~2%):(4%~2%)的质量比混合在一起,采用有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)为分散介质,混合物中固含量为50%~60%,通过机械混合高速搅拌,公转速度30~40rpm,自转速度2000~3000rpm,制备成粘度为8000±1000mPa·s的均匀浆料后,涂覆在金属箔材表面,金属箔材优选为铝箔,然后经烘干、辊压、分切和冲裁,最终制得所述的动力锂离子电池正极片。
本发明还提供了一种动力锂离子电池,其中,所述的动力锂离子电池包含上述的动力锂离子电池正极片。
上述的动力锂离子电池,其中,所述的动力锂离子电池中的电解液溶液包含锂盐、溶剂,以及二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、碳酸亚乙烯酯(VC)和氟代碳酸乙烯酯(FEC);所述的锂盐为LiPF6,浓度为0.9Mol/L~1.1Mol/L;所述的溶剂为碳酸甲基乙基酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合物,按质量百分比计碳酸甲基乙基酯(EMC):碳酸乙烯酯(EC):碳酸二乙酯(DEC)=(20%~30%):(40%~35%):(40%~35%)。
上述的动力锂离子电池,其中,所述的电解液溶液中按质量百分比计,包含5%~10%的二氟草酸硼酸锂、2%~3%的碳酸亚乙烯酯为,以及3%~4%的氟代碳酸乙烯酯。在常规电解液体系中,添加的LiDFOB、VC、FEC可以同时在正极活性物质LiFePO4和Li(NixCOyMnz)O2(其中0<x≤0.8,0<y≤0.4,0≤z≤0.4,且x+y+z=1)的表面形成优良的SEI膜(固体电解质界面膜,solidelectrolyteinterface膜),使电解液对两种不同正极材料均具有兼容性,从而保证锂离子电池的长循环性能。
本发明提供的动力锂离子电池、其正极片及制备方法具有以下优点:
正极片中包含安全性能优良的正极活性物质磷酸铁锂,安全性能较差的正极活性物质镍钴锰三元材料。正极活性物质镍钴锰三元材料为动力锂离子电池提供高能量密度需求,而磷酸铁锂则为动力电池提供安全性设计需求。
磷酸铁锂颗粒为亚微米级大小,富集在微米级镍钴锰三元材料颗粒周围,形成了较为致密的覆盖层,在电池过热时,即便隔膜收缩导致正负极片接触,高氧化活性的镍钴锰三元处于磷酸铁锂包围之中,不会与高还原活性的负极直接接触,形成大面积内部短路,从而避免电池发生进一步的热失控。同时正极片表面的磷酸铁锂由于导电性不高,热稳定性优良,高温下不析氧,即使与负极直接接触,也不存在起火爆炸的风险。纳米级磷酸铝包覆在磷酸铁锂表面,可提高电池在3.65V~4.2V之间正常充电时磷酸铁锂的晶体结构的稳定性,从而保证电池的长循环寿命不受影响。
活性物质镍钴锰三元材料和磷酸铁锂在充、放电过程中相反的晶胞体积变化特性有利于消除极片反复膨胀引起的粘结力下降不良,同时磷酸铁锂小颗粒对镍钴锰三元大颗粒可形成一定的机械支撑作用,从而有效改善锂离子电池的长循环性能。
该动力锂离子电池还具有便于SOC(StateofCharge,荷电状态也叫剩余电量)计量的优点,该动力锂离子电池的SOC曲线平滑,没有突然的下降,便于计量和控制。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的动力锂离子电池正极片,该正极片的涂覆浆料中包含两种活性物质,分别为能量密度较低但安全性能优异的磷酸铁锂LiFePO4和能量密度较高但安全性较差的镍钴锰三元材料Li(NixCOyMnz)O2;Li(NixCOyMnz)O2中0<x≤0.8,0<y≤0.4,0≤z≤0.4,且x+y+z=1;按质量百分比计LiFePO4占活性物质总量的10%~50%,Li(NixCOyMnz)O2占活性物质总量的50%~90%。
LiFePO4表面包覆有磷酸铝AlPO4颗粒。AlPO4的包覆量为LiFePO4质量的1%~5%。
AlPO4颗粒粒径为纳米级,平均粒径D50范围为10nm-50μm。LiFePO4颗粒粒径为亚微米级,平均粒径D50范围为500nm-1μm。Li(NixCOyMnz)O2颗粒粒径为微米级,平均粒径D50范围为10μm~20μm。
该正极片的涂覆浆料中还包含导电剂、粘结剂以及有机溶剂。涂覆浆料中包覆有AlPO4的LiFePO4与Li(NixCOyMnz)O2预先混合成复合式活性物质;复合式活性物质与导电剂、粘结剂的质量百分比为(92%~94%):(4%~2%):(4%~2%)。导电剂优选为碳纳米管(CNT),粘结剂优选为聚偏氟乙烯(PVDF),有机溶剂优选为剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
本发明也提供了上述的动力锂离子电池正极片的制备方法,包含:
步骤1,将纳米级的AlPO4颗粒对亚微米级LiFePO4进行表面包覆,然后将经表面包覆AlPO4的LiFePO4与微米级Li(NixCOyMnz)O2采用干混的方式预混均匀,使亚微米级的包覆AlPO4的LiFePO4颗粒富集在微米级Li(NixCOyMnz)O2颗粒周围,形成复合式活性物质;Li(NixCOyMnz)O2中0<x≤0.8,0<y≤0.4,0≤z≤0.4,且x+y+z=1。
步骤2,将经过预混处理后的复合式活性物质、导电剂、粘结剂以(92%~94%):(4%~2%):(4%~2%)的质量比混合在一起,采用有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)为分散介质,混合物中固含量为50%~60%,通过机械混合高速搅拌,公转速度30~40rpm,自转速度2000~3000rpm,制备成粘度为8000±1000mPa·s的均匀浆料后,涂覆在金属箔材表面,金属箔材优选为铝箔,然后经烘干、辊压、分切和冲裁,最终制得所述的动力锂离子电池正极片。
本发明还提供了包含上述的动力锂离子电池正极片的动力锂离子电池。
该动力锂离子电池中的电解液溶液包含锂盐、溶剂,以及二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、碳酸亚乙烯酯(VC)和氟代碳酸乙烯酯(FEC);锂盐为LiPF6,浓度为0.9Mol/L~1.1Mol/L;溶剂为碳酸甲基乙基酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合物,按质量百分比计碳酸甲基乙基酯(EMC):碳酸乙烯酯(EC):碳酸二乙酯(DEC)=(20%~30%):(40%~35%):(40%~35%)。
电解液溶液中按质量百分比计,包含5%~10%的二氟草酸硼酸锂、2%~3%的碳酸亚乙烯酯为,以及3%~4%的氟代碳酸乙烯酯。在常规电解液体系中,添加的LiDFOB、VC、FEC可以同时在正极活性物质LiFePO4和Li(NixCOyMnz)O2(其中0<x≤0.8,0<y≤0.4,0≤z≤0.4,且x+y+z=1)的表面形成优良的SEI膜(固体电解质界面膜,solidelectrolyteinterface膜),使电解液对两种不同正极材料均具有兼容性,从而保证锂离子电池的长循环性能。
下面结合实施例对本发明做更进一步描述。
实施例1
将3%的纳米级磷酸铝AlPO4对亚微米级磷酸铁锂LiFePO4进行表面化学包覆处理,然后将经表面包覆磷酸铝AlPO4的磷酸铁锂LiFePO4和镍钴锰三元材料Li(Ni1/3CO1/3Mn1/3)O2以15%:85%的比例采用干混方式预混均匀,使亚微米级AlPO4包覆磷酸铁锂颗粒富集在微米级镍钴锰三元材料颗粒周围,形成复合式活性物质。将经过预混处理后得到的复合式活性物质、导电剂碳纳米管、粘结剂PVDF以93%:3%:4%的比例混合在一起,以有机溶剂NMP为分散介质,经高速搅拌制备成一定粘度的浆料,涂覆在铝箔表面。然后经烘干、辊压、分切和冲裁,形成正极片。
将正极片、隔膜、负极片依次叠放并采用叠片式结构制成电芯,分别焊接正、负极极耳后,再经入壳、激光焊接、注液、化成和分容工序后,制作成铝壳锂离子电池。负极片所用活性材料为石墨,隔膜为PP/PE/PP聚烯烃三层复合微孔,电解液为以LiPF6为锂盐,EMC(碳酸甲基乙基酯)、EC(碳酸乙烯酯)和DEC(碳酸二乙酯)为溶剂的有机溶液,添加8%的LiDFOB(二氟草酸硼酸锂)、2.5%的VC(碳酸亚乙烯酯)、3.5%的FEC(氟代碳酸乙烯酯)。
实施例2
将3%的纳米级磷酸铝AlPO4对亚微米级磷酸铁锂LiFePO4进行表面化学包覆处理,然后将经表面包覆磷酸铝AlPO4的磷酸铁锂LiFePO4和镍钴锰三元材料Li(Ni0.4CO0.2Mn0.4)O2以15%:85%的比例采用干混方式预混均匀,使亚微米级AlPO4包覆磷酸铁锂颗粒富集在微米级镍钴锰三元材料颗粒周围,形成复合式活性物质。将经过预混处理后得到的复合式活性物质、导电剂碳纳米管、粘结剂PVDF以93%:3%:4%的比例混合在一起,以有机溶剂NMP为分散介质,经高速搅拌制备成一定粘度的浆料,涂覆在铝箔表面。然后经烘干、辊压、分切和冲裁,形成正极片。
电池组装方式同实施例1。
实施例3
将3%的纳米级磷酸铝AlPO4对亚微米级磷酸铁锂LiFePO4进行表面化学包覆处理,然后将经表面包覆磷酸铝AlPO4的磷酸铁锂LiFePO4和Li(Ni0.5CO0.2Mn0.3)O2以45%:55%的比例采用干混方式预混均匀,使亚微米级AlPO4包覆磷酸铁锂颗粒富集在微米级镍钴锰三元材料颗粒周围,形成复合式活性物质。将经过预混处理后得到的复合式活性物质、导电剂碳纳米管、粘结剂PVDF以93%:3%:4%的比例混合在一起,以有机溶剂NMP为分散介质,经高速搅拌制备成一定粘度的浆料,涂覆在铝箔表面。然后经烘干、辊压、分切和冲裁,形成正极片。
电池组装方式同实施例1。
同时,制备对比例如下所述。
对比例1
将3%的纳米级磷酸铝AlPO4对亚微米级磷酸铁锂LiFePO4进行表面化学包覆处理,然后将经表面包覆磷酸铝AlPO4的磷酸铁锂LiFePO4和Li(Ni1/3CO1/3Mn1/3)O2以8%:92%的比例采用干混方式预混均匀,使亚微米级AlPO4包覆磷酸铁锂颗粒富集在微米级镍钴锰三元材料颗粒周围,形成复合式活性物质。将经过预混处理后得到的复合式活性物质、导电剂碳纳米管、粘结剂PVDF以93%:3%:4%的比例混合在一起,以有机溶剂NMP为分散介质,经高速搅拌制备成一定粘度的浆料,涂覆在铝箔表面。然后经烘干、辊压、分切和冲裁,形成正极片。
将正极片、隔膜、负极片依次叠放并采用叠片式结构制成电芯,分别焊接正、负极极耳后,再经入壳、激光焊接、注液、化成和分容工序后,制作成铝壳锂离子电池。负极片所用活性材料为石墨,隔膜为PP/PE/PP聚烯烃三层复合微孔,电解液为以LiPF6为锂盐,EMC(碳酸甲基乙基酯)、EC(碳酸乙烯酯)和DEC(碳酸二乙酯)为溶剂的有机溶液。
对比例2
将镍钴锰三元材料Li(Ni1/3CO1/3Mn1/3)O2、导电剂碳纳米管、粘结剂PVDF以93%:3%:4%的比例混合在一起,以有机溶剂NMP为分散介质,经高速搅拌制备成一定粘度的浆料,涂覆在铝箔表面。然后经烘干、辊压、分切和冲裁,形成正极片。
电池组装方式同对比例1。
将实施例1~3和对比例1~2的动力锂离子电池均按以下方法测试循环性能和安全性能。
循环性能:在室温25℃,将电池1C恒流充电至4.2V,然后恒压充电,截止电流为0.05C;随后将电池1C倍率恒流放电至2.75V,得到电池的初始放电容量C0,然后按照上述充放电制度对电池进行充放电循环,得到电池的电容量为Cd,按照L=Cd/C0×100%的方法计算循环后电池的放电容量保持率。
过充安全性能:将电池以CC-CV的方式充满电至4.2V后,以1C倍率的电流恒流充电至8.4V后停止。
针刺安全能:将电池以CC-CV的方式充满电至4.2V后,用Φ3mm~Φ8mm的耐高温钢针,以10mm/s~40mm/s的速度,从垂直于蓄电池极板的方向贯穿,钢针停留在电池中1h。
短路安全性能:将电池以CC-CV的方式充满电至4.2V后,采用内阻<5mΩ的外部线路短接10min。
定义安全性能测试的结果,“未冒烟未起火未爆炸”为“优秀”,“冒烟,有火星,未爆炸”为“一般”,“起火爆炸”为“差”。
实施例1~3和对比例1~2的动力锂离子电池测试结果如表1所示:
表1:动力锂离子电池测试结果。
由表1对比例3可见,用镍钴锰三元Li(Ni1/3CO1/3Mn1/3)O2所制备的动力锂离子电池,过充和针刺均反应激烈,发生起火爆炸的现象,安全性能很差。而从对比例1和2可见,正极活性材料磷酸铁锂与镍钴锰三元材料配合使用且磷酸铁锂LiFePO4比例低于10%的情况下,在电池在过充和针刺时也会发生不完全燃烧,出现冒烟和火花现象,并不能有效解决动力锂离子电池的安全问题。本发明实施例1~3通过在正极活性材料镍钴锰三元中,搭配不低于10%的磷酸铁锂LiFePO4,电池经过充和针刺后不冒烟不起火不爆炸,反应温和,安全性能得到明显改善,表现优秀。
由表1可见,对比例2电池循环500周后容量保持率为92.1%,对比例1电池循环500周后容量保持率为93%~94%,实施例1~3电池循环500周后容量保持率为95%~96%,这说明采用本发明的技术改进方案后,动力锂离子电池的循环性能也得到了一定程度提高。
本发明提供的动力锂离子电池、其正极片及制备方法,兼顾高能量密度和高安全性,能够有效改善电池的长循环性能,起到提高电动汽车的续航里程和使用寿命的作用,还具有便于SOC计量的优点。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。