CN105826516A - 一种锂离子电池及其负极极片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池及其负极极片，属于电池材料技术领域。解决的问题是如何同时提高压实密度、能量密度和放电容量保持率的效果。提供一种锂离子电池及其负极极片，该负极极片包括以下质量百分数的成分：活性成分泡沫炭：95wt％～98wt％；石墨烯：0.2wt％～0.5wt％；导电剂：0.5wt％～1.0wt％；粘结剂：1.0wt％～4.0wt％；且锂离子电池采用该负极极片作为负极。本发明具有较高的压实密度和提升电池的能量密度，压实密度能够达到1.9g/cm3以上，体积能量密度能够达到360Wh/L以上。同时，通过添加石墨烯后，还能够有利于电池低温、倍率等性能。

Description

一种锂离子电池及其负极极片
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池及其负极极片，属于电池材料技术领域。
背景技术
锂离子电池相比于传统的铅酸电池和镍镉电池，具有输出电压高、能量密度高、安全性能好和循环寿命长等优点，已被广泛应用于手机、笔记本电脑等小型移动设备。近年来也正向大型移动设备发展，例如电动汽车、混合动力型汽车等等。
而随着纯电动汽车行业的发展，对其储能装置-锂离子电池提出更高的要求，其中锂电池能量密度(含质量能量密度和体积能量密度)和成本等成为制约纯电动汽车商业化大量应用的阻碍。然而，对于已商业化的负极材料以及在开发中的负极材料均存在一些还无法解决的问题。如现有锂离子电池负极材料一般采用石墨类、硅碳类或钛酸锂等材料。其中，石墨类材料压实密度较低，一般只能做到1.6g/cm3，克容量340mAh/g，且由于颗粒的比表面积较大(一般为3～5m2/g)，反应活性强，易造成首次效率低(≤90％)，从而直接导致组装后的锂电池能量密度低；硅碳类负极目前还存在一系列问题待解决(如首次效率低、充电膨胀、循环差等)；钛酸锂克容量非常低，理论值仅为175mAh/g。同时，另一方面，现有的锂电池负极电极片采用的导电添加剂一般采用导电炭黑，其添加量在3％～5％之间，较高的添加量导致负极电极片中的活性材料占比降低，从而影响锂电池的能量密度，而如果直接降低导电炭黑导电剂的含量，则不利于电池性能(如倍率性能、功率性能、低温性能、快充性能等)。为了克服采用上述材料所存在的部分问题，现有的也有采用多孔炭作为负极极片的活性成分，但是，现有采用的多孔炭基本上采用比表面积较大的颗粒，其容易导致电池的首次效率过低和能量密度低的问题，同时，另一方面，由于其导电剂的添加量过高，达到了3％以上的添加剂，甚至达到10％的添加量，从而使活性成分的占比降低，影响锂电池的能量密度，而如果直接降低导电炭黑的含量，则又不利于电池的性能，如倍率性能和低温放电性能等。
发明内容
本发明针对以上现有技术中存在的问题，提供一种锂离子电池负极极片，解决的问题是如何同时提高压实密度、能量密度和放电容量保持率的效果。
本发明的目的之一是通过以下技术方案得以实现的，一种锂离子电池负极极片，该负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：95wt％～98wt％；石墨烯：0.2wt％～0.5wt％；导电剂：0.5wt％～1.0wt％；粘结剂：1.0wt％～4.0wt％。
由于泡沫炭具有良好的嵌/脱锂结构，通过采用泡沫炭作为主要活性成分，并通过添加石墨烯目的是为了提高活性成分泡沫炭的添加量，使活性成分泡沫炭的含量达到95wt％以上，从而实现具有较高的压实密度和提升电池的能量密度，压实密度能够达到1.9g/cm3以上，体积能量密度能够达到360Wh/L以上。同时，通过添加石墨烯后，还能够有利于电池低温、倍率等性能。另外，虽然大量的减少了导电剂的用量，但仍然能够保持材料的性能。在保证具有高压实密度和能量密度的同时仍具有较高的3C-Rate放电容量保持率。本锂离子电池负极极片具体可以采用铜箔作为极片，通过使上述成分涂覆在铜箔的表面而制成相应的负极极片。
在上述锂离子电池负极极片中，作为优选，所述活性成分泡沫炭的比表面积为1.5m2/g～2.0m2/g。采用较低比表面积的泡沫炭目的是为了在电池首次充电过程中降低锂离子嵌入时的反应活性，减少不可逆容量损失，从而提升电池的首放容量；同时，还为了使有效保证高压实密度和体积能量密度的效果。
在上述锂离子电池负极极片中，作为优选，所述石墨烯的质量百分数为0.3wt％～0.4wt％。能够更好的提升电池的低温及倍率等性能，同时也能够进一步提升活性成分泡沫炭的含量，提高压实密度和能量密度的效果。
在上述锂离子电池负极极片中，作为优选，所述活性成分泡沫炭为沥青基泡沫炭。由于沥青基泡沫炭具有明显的片层状结构，结合锂离子电池机理，更有利于适合锂离子的嵌入和脱出，可降低锂离嵌入和脱出时的阻抗，有利于锂电池性能的发挥。因此，作为更进一步的优选，所述泡沫炭为具有层状结构的泡沫炭。
在上述锂离子电池负极极片中，作为优选，所述活性成分泡沫炭的平均粒径为15μm～25μm。由于粒径过大，反而会使比表面积增大，从而影响电池的首放容量，而通过采用上述粒径的泡沫炭能够有效提升电池的首放容量的效果。
在上述锂离子电池负极极片中，作为优选，所述导电剂选自乙炔黑、导电石墨和导电炭黑中的一种或几种。能够保证电池的导电性能。
在上述锂离子电池负极极片中，作为优选所述粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇和甲基纤维素中的一种或几种。能够有效的使活性成分等材料粘结在极片上，使具有较好的粘结效果。
本发明的目的之二是通过以下技术方案得以实现的，一种锂离子电池，该锂离子电池的负极极片采用上述的锂离子电池负极极片；该锂离子电池的正极极片包括活性成分磷酸铁锂。
本发明的锂离子电池，通过采用上述的锂离子电池负极极片，能够实现具有高压实密度和能量密度的同时仍具有较高3C-Rate放电容量保持率；当然，本锂离子电池负极极片具体可以采用铜箔作为极片，通过使上述成分配制成浆料涂覆在铜箔的表面而制成相应的负极极片；其中，正极极片可以采用铝箔，通过在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂，当然还可以加入导电剂和粘结剂等基本成分。
综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的锂离子电池负极极片，具有较高的压实密度和提升电池的能量密度，压实密度能够达到1.9g/cm3以上，体积能量密度能够达到360Wh/L以上。同时，通过添加石墨烯后，还能够有利于电池低温、倍率等性能。
说明书附图
图1是本发明的活性成分泡沫炭的电镜图(SEM)照片。
图2是本发明实施例9得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电性能测试曲线。
图3是本发明实施例9得到的锂离子电池的倍率放电性能测试曲线图。
图4是本发明实施例9得到的锂离子电池的常温循环次数-容量曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。
以下实施例中采用如图1所示电镜图的活性成分泡沫炭，从图1中可以看出活性成分泡沫炭具有明显的片层状结构。该结构形态，非常适合锂离子的嵌入和脱出，能够降低锂离子嵌入和脱出的阻抗，有利于锂电池的性能发挥，因此，优选采用该材料的活性成分泡沫炭，且是沥青基泡沫炭。当然，也可以采用糠醛树脂基泡沫炭。
实施例1
本锂离子电池负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：98wt％；石墨烯：0.2wt％；导电炭黑：0.5wt％；粘结剂聚四氟乙烯：1.3wt％，其中，活性成分泡沫炭具体为沥青基泡沫炭。
该负极极片可以采用以下方法加工而成：
按照上述各成分的质量百分数称取原料，将原料泡沫炭、导电炭黑、石墨烯和粘结剂聚四氟乙烯混合均匀后，再加入溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)，搅拌混合后，使制成混合浆料，浆料的固含量为53wt％～58wt％，然后，将上述浆料均匀涂覆在铜箔的表面，干燥后，即得到锂离子电池的负极极片。
实施例2
本锂离子电池负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：95wt％；石墨烯：0.5wt％；导电炭黑：0.5wt％；粘结剂聚四氟乙烯：4.0wt％，其中，活性成分泡沫炭具体为沥青基泡沫炭。
该负极极片的加工方法具体与实施例1的方法一致，这里不再赘述。
实施例3
本锂离子电池负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：96wt％；石墨烯：0.3wt％；导电炭黑：0.7wt％；粘结剂聚四氟乙烯：3.0wt％，其中，活性成分泡沫炭具体为沥青基泡沫炭。
该负极极片的加工方法具体与实施例1的方法一致，这里不再赘述。
实施例4
本锂离子电池负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：97wt％；石墨烯：0.2wt％；导电石墨：0.8wt％；粘结剂聚偏氟乙烯：2.0wt％；其中，活性成分泡沫炭具体为沥青基泡沫炭，且活性成分泡沫炭的比表面积为1.5m2/g。
该负极极片的加工方法具体与实施例1的方法一致，这里不再赘述。
实施例5
本锂离子电池负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：95wt％；石墨烯：0.5wt％；导电石墨：1.0wt％；粘结剂聚偏氟乙烯：3.5wt％；其中，活性成分泡沫炭具体为沥青基泡沫炭，且活性成分泡沫炭的比表面积为2.0m2/g。
该负极极片的加工方法具体与实施例1的方法一致，这里不再赘述。
实施例6
本锂离子电池负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：97wt％；石墨烯：0.5wt％；导电石墨：0.5wt％；粘结剂聚偏氟乙烯：2.0wt％；其中，活性成分泡沫炭具体为沥青基泡沫炭，且活性成分泡沫炭的比表面积为1.8m2/g，且活性成分泡沫炭的平均粒径为15μm。
该负极极片的加工方法具体与实施例1的方法一致，这里不再赘述。
实施例7
本锂离子电池负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：96wt％；石墨烯：0.3wt％；乙炔黑：0.5wt％；粘结剂甲基纤维素：3.2wt％；其中，活性成分泡沫炭具体为沥青基泡沫炭，且活性成分泡沫炭的比表面积为1.6m2/g，同时活性成分泡沫炭的平均粒径为25μm。
该负极极片的加工方法具体与实施例1的方法一致，这里不再赘述。
实施例8
本锂离子电池负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：95wt％；石墨烯：0.2wt％；导电炭黑：0.8wt％；粘结剂聚乙烯醇：4.0wt％；其中，活性成分泡沫炭具体为沥青基泡沫炭，该沥青基泡沫炭具有层状结构，且活性成分泡沫炭的比表面积为1.6m2/g，同时活性成分泡沫炭的平均粒径为25μm。
该负极极片的加工方法具体与实施例1的方法一致，这里不再赘述。
实施例9
全电池组装锂离子电池，具体是以实施例1制得的负极极片作为负极，正极采用铝箔，且在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂的材料，也就是常规所说的磷酸铁锂正极极片，隔膜采用常规的隔膜即可，如PP/PE/PP隔膜，电解液采用常规的动力电池电解液，组装成锂离子电池。
实施例10
全电池组装锂离子电池，具体是以实施例2制得的负极极片作为负极，正极采用铝箔，且在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂的材料，也就是常规所说的磷酸铁锂正极极片，隔膜采用常规的隔膜即可，如PP/PE/PP隔膜，电解液采用常规的动力电池电解液，组装成锂离子电池。
实施例11
全电池组装锂离子电池，具体是以实施例3制得的负极极片作为负极，正极采用铝箔，且在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂的材料，也就是常规所说的磷酸铁锂正极极片，隔膜采用常规的隔膜即可，如PP/PE/PP隔膜，电解液采用常规的动力电池电解液，组装成锂离子电池。
实施例12
全电池组装锂离子电池，具体是以实施例4制得的负极极片作为负极，正极采用铝箔，且在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂的材料，也就是常规所说的磷酸铁锂正极极片，隔膜采用常规的隔膜即可，如PP/PE/PP隔膜，电解液采用常规的动力电池电解液，组装成锂离子电池。
实施例13
全电池组装锂离子电池，具体是以实施例5制得的负极极片作为负极，正极采用铝箔，且在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂的材料，也就是常规所说的磷酸铁锂正极极片，隔膜采用常规的隔膜即可，如PP/PE/PP隔膜，电解液采用常规的动力电池电解液，组装成锂离子电池。
实施例14
全电池组装锂离子电池，具体是以实施例6制得的负极极片作为负极，正极采用铝箔，且在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂的材料，也就是常规所说的磷酸铁锂正极极片，隔膜采用常规的隔膜即可，如PP/PE/PP隔膜，电解液采用常规的动力电池电解液，组装成锂离子电池。
实施例15
全电池组装锂离子电池，具体是以实施例7制得的任意负极极片作为负极，正极采用铝箔，且在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂的材料，也就是常规所说的磷酸铁锂正极极片，隔膜采用常规的隔膜即可，如PP/PE/PP隔膜，电解液采用常规的动力电池电解液，组装成锂离子电池。
实施例16
全电池组装锂离子电池，具体是以实施例8制得的任意负极极片作为负极，正极采用铝箔，且在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂的材料，也就是常规所说的磷酸铁锂正极极片，隔膜采用常规的隔膜即可，如PP/PE/PP隔膜，电解液采用常规的动力电池电解液，组装成锂离子电池。
比较例1
本锂离子电池负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：95wt％；导电炭黑：1.0wt％；粘结剂聚乙烯醇：4.0wt％；其中，活性成分泡沫炭具体为沥青基泡沫炭，该沥青基泡沫炭具有层状结构，且活性成分泡沫炭的比表面积为1.6m2/g，同时活性成分泡沫炭的平均粒径为25μm。
该负极极片的加工方法具体与实施例1的方法一致，这里不再赘述。
比较例2
活性成分泡沫炭：85wt％；导电炭黑：5wt％；粘结剂聚乙烯醇：10wt％；其中，活性成分泡沫炭具体为沥青基泡沫炭，该沥青基泡沫炭具有层状结构，且活性成分泡沫炭的比表面积为1.6m2/g，同时活性成分泡沫炭的平均粒径为25μm。
该负极极片的加工方法具体与实施例1的方法一致，这里不再赘述。
比较例3
全电池组装锂离子电池，具体是以比较例1制得的负极极片作为负极，正极采用铝箔，且在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂的材料，也就是常规所说的磷酸铁锂正极极片，隔膜采用常规的隔膜即可，如PP/PE/PP隔膜，电解液采用常规的动力电池电解液，组装成锂离子电池。
比较例4
全电池组装锂离子电池，具体是以比较例2制得的负极极片作为负极，正极采用铝箔，且在铝箔表面上涂覆含有活性成分磷酸铁锂的材料，也就是常规所说的磷酸铁锂正极极片，隔膜采用常规的隔膜即可，如PP/PE/PP隔膜，电解液采用常规的动力电池电解液，组装成锂离子电池。
随机选取上述实施例9-16和比较例3和4中得到的锂离子电池进行电池性能测试，其中图2、图3和图4是实施例9得到锂离子电池的相关测试性能，其它实施例和比较例的锂离子电池的相关性能测试条件与实施例9中的图2、图3和图4中的对应的条件相一致，具体测试结果表明：
实施例9得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电容量保持率达到63.2％；3C-Rate放电容量保持率达到97.5％，且图4中纵坐标方向从下到上依次为5C、4C、3C、2C、1C、0.5C和0.2C时所对应的曲线图；体积能量密度达380Wh/L；同时，电池的压实密度达到1.90g/cm3，首放容量达到350.1mAh/g，首次效率达到95.6％，且常温循环500次，容量保持率达到92.7％。
实施例10得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电容量保持率达64.2％；3C-Rate放电容量保持率达到97.8％；且体积能量密度达382.3Wh/L；同时，电池的压实密度达到1.92g/cm3，首放容量达到354.2mAh/g，首次效率达到96.2％，且常温循环500次，容量保持率达到92.8％。
实施例11得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电容量保持率达64.5％；3C-Rate放电容量保持率达到97.5％；且体积能量密度达385.3Wh/L；同时，电池的压实密度达到1.90g/cm3，首放容量达到355.2mAh/g，首次效率达到95.7％，且常温循环500次，容量保持率达到92.5％。
实施例12得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电容量保持率达65.1％；3C-Rate放电容量保持率达到98.5％；且体积能量密度达401.5Wh/L；同时，电池的压实密度达到1.96g/cm3，首放容量达到360.2mAh/g，首次效率达到96.7％，且常温循环500次，容量保持率达到93.5％。
实施例13得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电容量保持率达64.8％；3C-Rate放电容量保持率达到97.9％；且体积能量密度达392.5Wh/L；同时，电池的压实密度达到1.93g/cm3，首放容量达到359.4mAh/g，首次效率达到96.4％，且常温循环500次，容量保持率达到93.1％。
实施例14得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电容量保持率达65.5％；3C-Rate放电容量保持率达到98.7％；且体积能量密度达405.5Wh/L；同时，电池的压实密度达到1.97g/cm3，首放容量达到365.2mAh/g，首次效率达到97.4％，且常温循环500次，容量保持率达到93.7％。
实施例15得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电容量保持率达65.3％；3C-Rate放电容量保持率达到98.4％；且体积能量密度达403.2Wh/L；同时，电池的压实密度达到1.96g/cm3，首放容量达到362.2mAh/g，首次效率达到96.9％，且常温循环500次，容量保持率达到93.4％。
实施例16得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电容量保持率达65.0％；3C-Rate放电容量保持率达到98.1％；且体积能量密度达402.1Wh/L；同时，电池的压实密度达到1.95g/cm3，首放容量达到361.1mAh/g，首次效率达到96.3％，且常温循环500次，容量保持率达到93.4％。
比较例3得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电容量保持率达55.0％；3C-Rate放电容量保持率达到90.1％；且体积能量密度达361.4Wh/L；同时，电池的压实密度达到1.89g/cm3，首放容量达到345.6mAh/g，首次效率达到95.1％，且常温循环500次，容量保持率达到92.1％。
比较例4得到的锂离子电池的低温(-20℃)放电容量保持率达60.0％；3C-Rate放电容量保持率达到92.1％；且体积能量密度达350.4Wh/L；同时，电池的压实密度达到1.85g/cm3，首放容量达到340.6mAh/g，首次效率达到90.1％，且常温循环500次，容量保持率达到88.7％。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (9)

1.一种锂离子电池负极极片，其特征在于，该负极极片包括以下质量百分数的成分：
活性成分泡沫炭：95wt％～98wt％；石墨烯：0.2wt％～0.5wt％；导电剂：0.5wt％～1.0wt％；粘结剂：1.0wt％～4.0wt％。
2.根据权利要求1所述锂离子电池负极极片，其特征在于，所述活性成分泡沫炭的比表面积为1.5m2/g～2.0m2/g。
3.根据权利要求1所述锂离子电池负极极片，其特征在于，所述石墨烯的质量百分数为0.3wt％～0.4wt％。
4.根据权利要求1或2或3所述锂离子电池负极极片，其特征在于，所述活性成分泡沫炭为沥青基泡沫炭。
5.根据权利要求1或2或3所述锂离子电池负极极片，其特征在于，所述活性成分泡沫炭的平均粒径为15μm～25μm。
6.根据权利要求1或2或3所述锂离子电池负极极片，其特征在于，所述活性成分泡沫炭为具有层状结构的泡沫炭。
7.根据权利要求1或2或3所述锂离子电池负极极片，其特征在于，所述导电剂选自乙炔黑、导电石墨和导电炭黑中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述锂离子电池负极极片，其特征在于，所述粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇和甲基纤维素中的一种或几种。
9.一种锂离子电池，其特征在于，该锂离子电池的负极极片采用如权利要求1-8任意一项所述锂离子电池负极极片；该锂离子电池的正极极片包括活性成分磷酸铁锂。
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