CN105591055A - 一种高倍率锂离子电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高倍率锂离子电池及其制造方法。所述锂离子电池包括正极片、负极片、复合隔膜、电解液，所述隔膜表面涂覆有复合导电层；所述复合导电层由粘结剂、导电剂和微孔组成；正、负极片均为全极耳结构。其制备方法是将涂覆有复合导电层的隔膜与正极片、负极片经卷绕工序制备卷芯，卷芯经封装、烘烤、注液、热冷压、化成、分容工序制备出高倍率锂离子电池。本发明通过改善隔膜与正负极膜片界面特性及优化电池结构设计，改善隔膜与正负极片接触界面粘结性能，减少锂离子在不同界面之间的传输阻力，增强极片的电子导电性，改善复合隔膜的孔隙率和透气度，增强电解液对隔膜的润湿，改善电池内部电解液保有能力，而极大改善锂离子电池高倍率性能，大倍率放电容量保持率比现有技术提升10％以上，适于工业化生产。

Description

一种高倍率锂离子电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，尤其是涉及一种高倍率锂离子电池，本发明还涉及该高倍率锂离子电池的制造方法，属于锂离子电池制备技术领域。
背景技术
锂离子二次电池如今已成为主流的化学电源，广泛应用于绝大部分移动终端设备，相较于镍氢镍镉铅酸电池它具有工作电压高、比能量高和循环寿命长等优点。近几年，随着电动工具，航模，无人机等迅速发展，无人设备的应用领域也在不断扩大，例如农用无人机对农作物喷洒农药，无人船监控水质情况等，这些设备的应用对电池的输出功率要求越来越高，如小型航模需要5-10C的倍率持续放电，但目前商品化锂离子电池大部分较难满足高倍率的放电。
在其它条件一定的前提下，电池的内阻是制约锂离子电池大倍率放电的关键因素。电池内阻主要由电池内部集流体，活性材料，电解液的导电能力共同决定，电池在高倍率放电时，锂离子从负极活性材料中快速脱出穿过隔膜与正极活性材料发生嵌锂反应，在这个过程中，锂离子的移动的速度也就决定了电池的倍率性能，为了减小锂离子的扩散路径，必须尽可能减少隔膜两侧与正负极片之间的界面距离，当前商用的锂离子电池通常是在隔膜上涂覆一层聚偏氟乙烯作为隔膜与正负极片之间的粘接剂，由于聚偏氟乙烯膜的孔隙率比较小，且聚偏氟乙烯层是绝缘体，这在一定程度上降低了锂离子在这两个界面上的传输，也就降低了电池的大电流放电性能。同时，当前的电池大多采用超声焊接极耳的结构，这种极耳不能承受大电流放电。因此，研究开发一种高孔隙率且能极大改善隔膜与正负极膜片之间界面特性的隔膜和优化电池结构设计对提高锂离子电池倍率性能具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种结构合理、大倍率放电容量保持率高的高倍率锂离子电池。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种制造该高倍率锂离子电池的方法。
为了解决上述第一个技术问题，本发明一种高倍率锂离子电池，包括：正极片、负极片、隔膜、电解液，所述正极片包括正极集流体和分布在正极集流体上的正极活性物质，所述负极片包括负极集流体和分布在负极集流体上的负极活性物质，所述隔膜表面涂覆有复合导电层。
本发明一种高倍率锂离子电池，所述复合导电层由粘结剂、导电剂和微孔组成。
本发明一种高倍率锂离子电池，所述复合导电层中，粘结剂与导电剂的质量比为1：1-9。
本发明一种高倍率锂离子电池，所述复合导电层中，微孔尺寸为0.05-10微米。
本发明一种高倍率锂离子电池，所述复合导电层总厚度为2-30μm。
本发明一种高倍率锂离子电池，复合导电层中的导电剂选自超导碳黑(Super-P)、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的至少一种。
本发明一种高倍率锂离子电池，复合导电层中的粘结剂为聚偏氟乙烯。
本发明一种高倍率锂离子电池，所述的正极活性物质选自过渡金属嵌锂氧化物、磷酸盐正极材料中的至少一种；所述的负极活性物质选自人造石墨，天然石墨，Si/C复合材料中的一种或几种。
本发明一种高倍率锂离子电池，所述过渡金属嵌锂氧化物选自LiCoO2、LiMn2O4、LiCo1-x-yNixMnyO2中的至少一种，其中LiCo1-x-yNixMnyO2中的x、y，要求x+y＜1；
所述磷酸盐正极材料选自LiFePO4、Li3V2(PO4)3、LiVPO4F、LiVPO4O中的至少一种。
本发明一种高倍率锂离子电池，正极片与负极片均为全极耳结构。
为了解决上述第二个技术问题，本发明一种高倍率锂离子电池的制造方法，包括下述步骤：
第一步，按常规工艺制备正极片，负极片；
第二步，复合导电层浆料的制备
按设计的复合导电层中粘结剂、导电剂的质量配比，分别称取粘结剂、导电剂，先将粘结剂溶解到溶剂NMP(N，N-二甲基吡咯烷酮)中，得到粘接剂溶液，然后，将导电剂加入粘接剂溶液中搅拌均匀，得到混合液，向混合液中添加造孔剂并搅拌均匀，得到复合导电层浆料；
第三步，隔膜表面涂覆复合导电层浆料
将步骤二得到的复合导电层浆料涂覆至隔膜表面并干燥，得到表面涂覆有复合导电层的隔膜；
第四步，锂离子电池成型
将正负极极片和表面涂覆有复合导电层的隔膜经卷绕工序制备出卷芯，卷芯经封装、烘烤、注液、热冷压、化成、分容工序制备出高倍率锂离子电池。
本发明一种高倍率锂离子电池的制造方法，第二步中，粘结剂与溶剂NMP配置成的溶液的质量百分浓度为2-6％。
本发明一种高倍率锂离子电池的制造方法，第二步中，粘结剂与导电剂按质量比1：1-9匹配；粘结剂为聚偏氟乙烯，导电剂选自碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种或者两种的混合物；造孔剂按混合液质量的5-20％添加。
本发明一种高倍率锂离子电池的制造方法，造孔剂为碳酸铵或者碳酸氢铵。
本发明一种高倍率锂离子电池的制造方法，第三步中，复合导电层浆料涂覆至隔膜表面选用转移式涂布、凹版印刷式涂布、高速喷涂或浸涂的方式实现；其中转移式涂布、凹版印刷式涂布、高速喷涂均采用先在隔膜一侧涂覆、烘干后，再涂敷另一侧并烘干；浸涂时，隔膜两侧表面同时涂覆并干燥。
本发明一种高倍率锂离子电池的制造方法，表面涂覆有复合导电层浆料的隔膜；干燥后，复合导电层中含有微孔。
本发明一种高倍率锂离子电池的制造方法，第四步中，卷芯经封装、烘烤、注液后进行热冷压，以提高隔膜与正负极片的粘合性，热冷压工艺参数为80℃热压3min，10℃冷压2min。
本发明采用上述技术方案的高倍率锂离子电池及其制造方法，通过改善隔膜与正负极膜片界面特性及优化电池结构设计，相对于现有技术，具有以下积极效果：
(1)本发明在隔膜两侧涂覆一层导电层，可以有效改善隔膜与正负极片的界面特性，降低锂离子在界面传输阻力，并且在两侧的导电涂层与正负极融合及渗入正负极后，有效提高正负极颗粒之间的电子导电性；
(2)本发明在隔膜表面涂覆的导电层中加入造孔剂，使其在隔膜烘干过程中受热分解挥发并造孔，改善了复合隔膜的孔隙率，降低了锂离子穿过隔膜的阻力，增加了电解液的保有量，同时改善了电解液对隔膜与正负极片之间界面的润湿性。
(3)本发明对电池极片采用全极耳结构设计，最大限度降低了集流体电阻，改善电池大电流放电能力。
(4)本发明对电池化成前采用热冷压工艺，使隔膜与正负极片之间的界面接触更加紧密，使隔膜涂覆层和正负极膜片融合在一起，进一步减小锂离子传输阻力。
通过上述方式，使得本发明中的高倍率锂离子电池可在15C下持续放电，相对于1C放电容量保持率达96％以上，相对于现有技术放电容量保持率提升10％。
附图说明
附图1为本发明高倍率锂离子电池中隔膜与复合导电层结构示意图。
图中：1为复合导电层，2为隔膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
对比例：
以LiCoO2作为锂离子电池正极活性物质，与聚偏二氟乙烯、Super-P、NMP等混合配制成LiCoO2正极浆料，然后将正极浆料涂覆在复合正极集流体上经干燥、辊轧、分切、焊接极耳等工序得到得到正极片。
以人造石墨作为锂离子电池负极活性物质，与CMC、SBR(丁苯橡胶)、Super-P和去离子水混合配制成石墨负极浆料。然后将负极浆料涂覆在铜箔上经干燥、辊轧、分切、焊接极耳等得到负极片。
将正负极极片和常规隔膜(材质为聚丙烯)经卷绕工序制备出卷芯，卷芯正负极耳分别在卷芯两侧，卷芯最外层为一圈隔膜；卷芯经封装、烘烤、注液、热冷压、化成、分容等工序制备出高倍率锂离子电池。
制作的电池型号为503449PL(厚度5.0mm，宽度34mm，长度49mm)，标称容量900mAh。所得电池在室温下1C放电容量为928mAh，以15C倍率放电容量为796mAh，是1C放电容量的85.8％。
实施例1：
将称量好的聚偏二氟乙烯和NMP(N，N-二甲基吡咯烷酮)依次加到搅拌罐中真空搅拌2h直至聚偏二氟乙烯完全溶解成透明溶液，溶液浓度为2％，再将称量好的碳纤维缓慢加入搅拌罐中，其中聚偏二氟乙烯与碳纤维的质量比为1:1，搅拌4h后，加入混合浆料质量5％的造孔剂碳酸铵，继续搅拌2h形成均匀稳定的涂层浆料，将涂层浆料使用凹版印刷的方式均匀的涂覆在隔膜两侧并干燥制备出复合多孔隔膜，单面涂层厚度1μm，双面涂层厚度为2μm。如附图1所示，1为复合涂层，2为隔膜基体。
以LiCoO2作为锂离子电池正极活性物质，与聚偏二氟乙烯、Super-P、NMP等混合配制成LiCoO2正极浆料，然后将正极浆料涂覆在复合正极集流体上经干燥、辊轧、分切、焊接极耳等工序得到得到正极片。
以人造石墨作为锂离子电池负极活性物质，与CMC、SBR(丁苯橡胶)、Super-P和去离子水混合配制成石墨负极浆料。然后将负极浆料涂覆在铜箔上经干燥、辊轧、分切、焊接极耳等得到负极片。
将正负极极片和复合隔膜经卷绕工序制备出卷芯，卷芯正负极耳分别在卷芯两侧，卷芯最外层为一圈隔膜；卷芯经封装、烘烤、注液、热冷压、化成、分容等工序制备出高倍率锂离子电池。
制作的电池型号为503449PL(厚度5.0mm，宽度34mm，长度49mm)，标称容量900mAh。所得电池在室温下1C放电容量为921mAh，以15C倍率放电容量为892mAh，是1C放电容量的96.9％。
本实施例制备的电池型号与对比例一直，在室温下1C放电容量与现有技术相当，但以15C电流放电时，本发明制备的高倍率锂离子电池容量保持率提升11.1％。
实施例2：
将称量好的聚偏二氟乙烯和NMP(N，N-二甲基吡咯烷酮)依次加到搅拌罐中真空搅拌2h直至聚偏二氟乙烯完全溶解成透明溶液，溶液浓度为4％，再将称量好的纳米碳管缓慢加入搅拌罐中，其中聚偏二氟乙烯与碳纤维的质量比为1:4，搅拌4h后，加入混合浆料质量10％的造孔剂碳酸氢铵，继续搅拌2h形成均匀稳定的涂层浆料，将涂层浆料使用转移式涂布的方式均匀的涂覆在隔膜两侧并干燥制备出复合多孔隔膜，单面涂层厚度14μm，双面涂层厚度为28μm。
以LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2作为锂离子电池正极活性物质，与聚偏二氟乙烯、Super-P、NMP等混合配制成LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2正极浆料，然后将正极浆料涂覆在复合正极集流体上经干燥、辊轧、分切、焊接极耳等工序得到得到正极片。
以人造石墨作为锂离子电池负极活性物质，与CMC、SBR(丁苯橡胶)、Super-P和去离子水混合配制成石墨负极浆料。然后将负极浆料涂覆在铜箔上经干燥、辊轧、分切、焊接极耳等得到负极片。
将正负极极片和复合隔膜经卷绕工序制备出卷芯；卷芯经封装、烘烤、注液、热冷压、化成、分容等工序制备出高倍率锂离子电池。
制作的电池型号为3553125PL(厚度3.5mm，宽度53mm，长度125mm)，标称容量2500mAh。所得电池在室温下1C放电容量为2545mAh，以15C倍率放电容量为2476mAh，是1C放电容量的97.3％。
同型号现有技术制备的电池在室温下1C放电容量为2563mAh，以15C倍率放电容量为2202mAh，实施例制备的电池在室温下1C放电容量与现有技术相当，但以15C电流放电时，本发明制备的高倍率锂离子电池容量保持率提升11.4％。
实施例3：
将称量好的聚偏二氟乙烯和NMP(N，N-二甲基吡咯烷酮)依次加到搅拌罐中真空搅拌2h直至聚偏二氟乙烯完全溶解成透明溶液，溶液浓度为6％，再将称量好的石墨烯缓慢加入搅拌罐中，其中聚偏二氟乙烯与碳纤维的质量比为1:9，搅拌4h后，加入混合浆料质量20％的造孔剂碳酸氢铵，继续搅拌2h形成均匀稳定的涂层浆料，将涂层浆料使用高速喷涂的方式均匀的涂覆在隔膜两侧并干燥制备出复合多孔隔膜，单面涂层厚度7μm，双面涂层厚度为14μm。
以LiFePO4作为锂离子电池正极活性物质，与聚偏二氟乙烯、Super-P、NMP等混合配制成LiFePO4正极浆料，然后将正极浆料涂覆在复合正极集流体上经干燥、辊轧、分切、焊接极耳等工序得到得到正极片。以天然石墨作为锂离子电池负极活性物质，与CMC、SBR(丁苯橡胶)、Super-P和去离子水混合配制成石墨负极浆料。然后将负极浆料涂覆在铜箔上经干燥、辊轧、分切、焊接极耳等得到负极片。
将正负极极片和复合隔膜经卷绕工序制备出卷芯；卷芯经封装、烘烤、注液、热冷压、化成、分容等工序制备出高倍率锂离子电池。
制作的电池型号为3455131PL(厚度3.4mm，宽度55mm，长度131mm)，标称容量1600mAh。所得电池在室温下1C放电容量为1682mAh，以15C倍率放电容量为1654mAh，是1C放电容量的98.3％。
同型号现有技术制备的电池在室温下1C放电容量为1698mAh，以15C倍率放电容量为1433mAh，本实施例制备的电池在室温下1C放电容量与现有技术相当，但以15C电流放电时，本发明制备的高倍率锂离子电池容量保持率提升13.9％。
实施例4：
将称量好的聚偏二氟乙烯和NMP(N，N-二甲基吡咯烷酮)依次加到搅拌罐中真空搅拌2h直至聚偏二氟乙烯完全溶解成透明溶液，溶液浓度为5％，再将称量好的超导炭黑缓慢加入搅拌罐中，其中聚偏二氟乙烯与碳纤维的质量比为1:7，搅拌4h后，加入混合浆料质量8％的造孔剂碳酸铵，继续搅拌2h形成均匀稳定的涂层浆料，将涂层浆料使用高速喷涂的方式均匀的涂覆在隔膜两侧并干燥制备出复合多孔隔膜，单面涂层厚度7μm，双面涂层厚度为14μm。
以LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和LiMn2O4作为锂离子电池正极活性物质，与聚偏二氟乙烯、Super-P、NMP等混合配制成正极浆料，然后将正极浆料涂覆在复合正极集流体上经干燥、辊轧、分切、焊接极耳等工序得到得到正极片。以人造石墨Si/C复合材料(深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司生产，代号为N1)作为锂离子电池负极活性物质，与CMC、SBR(丁苯橡胶)、Super-P和去离子水混合配制成石墨负极浆料。然后将负极浆料涂覆在铜箔上经干燥、辊轧、分切、焊接极耳等得到负极片。
将正负极极片和复合隔膜经卷绕工序制备出卷芯；卷芯经封装、烘烤、注液、热冷压、化成、分容等工序制备出高倍率锂离子电池。
制作的电池型号为3455131PL(厚度3.4mm，宽度55mm，长度131mm)，标称容量2300mAh。所得电池在室温下1C放电容量为2394mAh，以15C倍率放电容量为2326mAh，是1C放电容量的97.2％。
同型号现有技术制备的电池在室温下1C放电容量为2405mAh，以15C倍率放电容量为2078mAh，本实施例制备的电池在室温下1C放电容量与现有技术相当，但以15C电流放电时，本发明制备的高倍率锂离子电池容量保持率提升10.8％。
根据以上实施例与对比例的数据，可以看出：本发明所制备的高倍率锂离子电池在室温下1C放电容量与现有技术相当，但以15C电流放电时，本发明制备的高倍率锂离子电池容量保持率提升10％以上。

Claims (10)

1.一种高倍率锂离子电池，所述锂离子电池包括正极片、负极片、隔膜、电解液，所述正极片包括正极集流体和分布在正极集流体上的正极活性物质，所述负极片包括负极集流体和分布在负极集流体上的负极活性物质，其特征在于：所述隔膜表面涂覆有复合导电层；所述复合导电层由粘结剂、导电剂和微孔组成。
2.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池，其特征在于：所述复合导电层中，粘结剂与导电剂的质量比为1：1-9。
3.根据权利要求1所述的一种高倍率锂离子电池，其特征在于：所述复合导电层中，微孔尺寸为0.05-10微米。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种高倍率锂离子电池，其特征在于：所述复合导电层总厚度为2-30μm。
5.根据权利要求4所述的一种高倍率锂离子电池，其特征在于：复合导电层中的导电剂选自超导碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的至少一种；粘结剂为聚偏氟乙烯。
6.根据权利要求5所述的一种高倍率锂离子电池，其特征在于：所述的正极活性物质选自过渡金属嵌锂氧化物、磷酸盐正极材料中的至少一种；具体是：
过渡金属嵌锂氧化物选自LiCoO2、LiMn2O4、LiCo1-x-yNixMnyO2中的至少一种，其中LiCo1-x-yNixMnyO2中的x、y，要求x+y＜1；
磷酸盐正极材料选自LiFePO4、Li3V2(PO4)3、LiVPO4F、LiVPO4O中的至少一种；
所述的负极活性物质选自人造石墨，天然石墨，Si/C复合材料中的一种或几种。
7.根据权利要求5所述的一种高倍率锂离子电池，其特征在于：正极片与负极片均为全极耳结构。
8.一种高倍率锂离子电池的制造方法，包括下述步骤：
第一步，按常规工艺制备正极片，负极片；
第二步，复合导电层浆料的制备
按设计的复合导电层中粘结剂、导电剂的质量配比，分别称取粘结剂、导电剂，先将粘结剂溶解到溶剂NMP中，得到粘接剂溶液，然后，将导电剂加入粘接剂溶液中搅拌均匀，得到混合液，向混合液中添加造孔剂并搅拌均匀，得到复合导电层浆料；
第三步，隔膜表面涂覆复合导电层浆料
将步骤二得到的复合导电层浆料涂覆至隔膜表面并干燥，得到表面涂覆有复合导电层的隔膜；
第四步，锂离子电池成型
将正负极极片和表面涂覆有复合导电层的隔膜经卷绕工序制备出卷芯，卷芯经封装、烘烤、注液、热冷压、化成、分容工序制备出高倍率锂离子电池。
9.根据权利要求8所述的一种高倍率锂离子电池的制造方法，其特征在于：第二步中，粘接剂溶液的质量百分浓度为2-6％；
混合液中，粘结剂与导电剂按质量比1：1-9匹配；粘结剂为聚偏氟乙烯，导电剂选自碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种或者两种的混合物；
造孔剂按混合液质量的5-20％添加；造孔剂为碳酸铵或者碳酸氢铵。
10.根据权利要求9所述的一种高倍率锂离子电池的制造方法，其特征在于：第三步中，复合导电层浆料涂覆至隔膜表面选用转移式涂布、凹版印刷式涂布、高速喷涂或浸涂的方式实现；干燥后，复合导电层中含有微孔。
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