CN106252569B - 一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池及其制备方法，该电池包括锂离子电池外部壳体铝塑包装膜、正极极片、负极极片、隔离膜、电解液、正负极极耳；其中正极极片采用的导电剂为碳纳米管(CNTs)，隔离膜包括聚烯烃隔离膜基底及Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)混合涂层，所述聚烯烃隔离膜基底表面涂覆Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)的混合物。本发明所述的高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池不仅体积能量密度满足≥700Wh/L，且具有良好的电化学性能和安全性能，循环性能突出，常温寿命可达循环800次容量保持在80％以上。

Description

一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池及其制备方法。
背景技术
随着数码行业日新月异的发展，为缩小产品体系，不可拆卸式的手机及笔记本电脑应时而生，这类数码产品用户不能自行更换锂离子电池，因此需要提高锂离子电池的循环寿命来保证产品的生命周期满足要求。
提高电池能量密度有多个途径，例如选择高克容量正负极材料，选择薄型化辅材以及提高充电电压等，其中提高充电电压是提高锂离子电池体积能量密度的有效方法之一。因电解液在高电压下的氧化分解，以及高电压下正极材料的结构稳定性以及活性物质的溶解，导致随着充电电压的提高，电池的循环性能明显下降，同时体积能量密度的提升往往伴随着正负极涂布面密度和压实密度的提升，导致锂离子的扩散阻力变大，因而高能量密度锂离子电池的循环寿命偏差，无法保证数码产品的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种高电压高能量密度长寿命锂离子电池及其制备方法，该锂离子电池不仅体积能量密度满足≥700Wh/L，且具有良好的电化学性能和安全性能，循环性能突出，常温寿命可达循环800次容量保持在80％以上。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池，包括锂离子电池外部壳体铝塑包装膜、正极极片、负极极片、隔离膜、电解液、正负极极耳。该电池还包括绝缘胶带等辅材。
所述正极极片包括正极活性物质、正极导电剂、正极粘结剂和铝箔，所述正极活性物质、正极导电剂以及正极粘结剂的质量百分比分别为97～99.4％、0.3～1.5％、0.3～1.5％；所述正极导电剂为碳纳米管(CNTs)(具有高电导率的线状连接且高度有序排列)；
所述负极极片包括负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂和铜箔，所述负极粘结剂为羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)，所述负极活性物质、负极导电剂以及羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)的质量百分比分别为94.5～97.5％、0～1.5％(更优选为0.5～1.5％)、1～2％、1～2％；
所述隔离膜包括聚烯烃隔离膜基底及Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)混合涂层，所述聚烯烃隔离膜基底表面涂覆Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)的混合物；
所述电解液(高电压长寿命型)包括溶剂、六氟磷酸锂(LiPF6)和添加剂。
进一步，所述正极活性物质为改性钴酸锂，该改性钴酸锂采用掺杂或包覆工艺制备；所述正极粘结剂为一种分子量的聚偏氟乙烯(PVDF)或不同分子量的聚偏氟乙烯(PVDF)的混合物；所述铝箔为材质1235或1060的单面光或双面光铝箔，厚度在10～15μm；所述正极极片的涂布面密度为36～44mg/cm2，压实密度为4.1～4.3g/cm3。
进一步，所述负极活性物质为人造石墨、中间相石墨、天然石墨中的一种或两种的混合物；所述负极导电剂为点状连接的炭黑导电剂、线状连接的碳纳米管、片状连接的导电石墨中的一种或两种以上的混合物；所述铜箔为材质紫铜的单面光或双面光或双面毛的电解铜箔或压延铜箔，厚度为4～8μm；所述负极极片的涂布面密度为8～22mg/cm2，压实密度为1.6～1.8g/cm3。
进一步，所述Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)的混合物，以去离子水为溶剂，涂覆在聚烯烃隔离膜基底表面烘干，涂覆厚度为2～5μm，涂覆方式为双面涂覆或单面涂覆；所述聚烯烃隔离膜基底为单层聚乙烯(PE)材质、单层聚丙烯(PP)材质或三层聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)材质，制备方法为干法或湿法，厚度为4～20μm，隔离膜透气度在50～300s/100ml。
进一步，所述电解液中，溶剂的组分及各组分的质量百分比为：碳酸亚乙酯(EC)20～30％、碳酸异丙烯酯(PC)0～10％(更优选为5％～10％)、碳酸甲乙酯(EMC)20～40％、碳酸二乙酯(DEC)20～40％；六氟磷酸锂(LiPF6)的浓度为1.0～1.2mol/L；添加剂的组分及各组分占电解液总质量的质量百分比为：亚硫酸丙烯酯(PS)1～5％、乙烯基碳酸乙烯酯(VEC)0～2％、氟代碳酸乙烯酯(FEC)2～8％、丁二腈(SN)2～4％，己二腈(ADN)0～4％(更优选为2％～4％)。
进一步，所述正负极极耳选择金属带厚度0.06～0.1mm，正负极金属带材质分别为纯铝和纯镍。
进一步，所述锂离子电池外部壳体铝塑包装膜为聚丙烯(PP)层、铝层和尼龙层制成的三层铝塑膜或多层铝塑膜，厚度为60～120μm，为干法或热法制备。
本发明还提供了上述高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池的制备方法，该方法包括如下步骤：
a、将正极极片、负极极片、隔离膜和铝塑包装膜采用卷绕或叠片的形式制作成锂离子电池卷芯，外壳采用铝塑包装膜；
b、将所述步骤a制得的锂离子电池卷芯放在真空烘烤中进行高温真空烘烤，烘烤的参数为80～90℃，真空度为≤-80Kpa，烘烤时间为6～36h，烘烤期间每2h置换一次氮气，保证水含量≤100ppm；
c、待卷芯冷却至室温后，注入1.6～2.5g/Ah的电解液，得到所述锂离子电池；
d、将所述步骤c制备的电池放于20～65℃的环境下静置6～48h，然后进行高温夹住化成，温度为65～85℃，每个电芯所承受的面压力为0.3～1.5Mpa；
e、电芯化成后，待电芯冷却至室温后，对电池进行抽气，抽气后电池内电解液的保有量为1.4～2.2g/Ah。
进一步，所述电芯化成的步骤为：
I、搁置5分钟；
II、在恒流恒压状态下充电，充电电流为0.7C～1.5C，直至电压达到上限电压，终止电流为0.2C～0.5C；
III、搁置5分钟；
IV、在恒流状态下放电，此时电流为1.0C～1.5C，直至达电压达到下限电压；
V、搁置5分钟；
VI、在恒流恒压状态下充电，充电电流为0.2C～0.5C，直至荷电状态SOC为60％～70％，终止电流为0.02C～0.05C；
VII、搁置5分钟。
本发明的有益效果：
相对于现有技术，本发明所述的一种高电压高能量密度长寿命锂离子电池具有以下优势：
(1)所述高电压高体积能量密度长寿命型锂离子电池的循环寿命有明显提升，寿命可以达到800次以上，到800周循环后剩余容量≥80％；
(2)正极采用高导电性碳纳米管，使得正极具有较好的导电性，有利于锂离子的传输，减少电池充放电极化，提升循环性能；
(3)采用涂覆Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)混合物的隔离膜，可以防止聚乙烯(PE)材质隔离膜在高电压下的氧化，又可以使得极片与隔离膜粘接在一起，保证了界面的均匀性；
(4)采用高温夹住化成工艺，使得电池内的杂质在高温下反应完全，并形成稳定的SEI膜。
(5)相同体积下电池的能量密度有了很大的提升；
(6)提高了软包方形锂离子电池的能量密度和循环寿命，拓展了锂离子电池厂家产品的市场应用前景，具有重大的生产实践意义。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池在0.5C倍率下的循环寿命图；
图2为本发明实施例1所述的高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池与常规设计锂离子电池的在0.5C倍率下的循环对比图；
图3为本发明实施例2所述的高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池与常规设计锂离子电池的在0.5C倍率下的循环对比图。
具体实施方式
除非另外说明，本文中所用的术语均具有本领域技术人员常规理解的含义。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
实施例1：
(1)制备正极极片：将正极活性物质改性4.4V钴酸锂、正极导电剂碳纳米管(CNTs)、正极粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)分别按照质量百分比98.5％、0.5％、1.0％与溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合制成正极浆料，然后将其涂布在厚度为10μm、材质为1235的双面光铝箔上，涂布的面密度为41.4mg/cm2，涂布后进行辊压制成正极极片备用，压实密度为4.15g/cm3；
(2)制备负极极片：将负极活性物质人造石墨、负极导电剂导电炭黑Super P、负极粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)分别按照质量百分比96.8％、0.5％、1.5％、1.2％与溶剂去离子水混合制成负极浆料，然后将其涂布在厚度为6μm的单面光电解铜箔上，涂布的面密度为22.0mg/cm2，涂布后进行辊压制成负极极片备用，压实密度为1.72g/cm3；
(3)制备隔离膜：聚烯烃隔离膜基底采用厚度为7μm的湿法聚乙烯(PE)，以单面处理Al2O3+聚偏氟乙烯(PVDF)作为涂层，其中Al2O3与聚偏氟乙烯(PVDF)的质量百分比分别为30％、70％，以去离子水为溶剂，涂覆在聚烯烃隔离膜基底表面烘干，Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)涂层的厚度为3μm，涂覆后总厚度为10μm，涂覆后隔离膜的透气度为110s/100ml；
(4)制备电解液：将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸异丙烯酯(PC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)分别按照质量百分比25％、5％、40％、30％混合得到溶剂，将浓度为1.1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)加入溶剂中，再将添加剂亚硫酸丙烯酯(PS)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、丁二腈(SN)分别按照其占电解液总质量的质量百分比2％、5％、2.5％加到溶剂中，即得到电解液；
(5)正负极极耳采用0.08mm厚度的金属带，正负极金属带材质分别为纯铝和纯镍；
(6)铝塑包装膜为热法制备的聚丙烯(PP)层、铝层和尼龙层的三层铝塑膜，其厚度为76μm；
(7)将正极极片、负极极片、隔离膜和铝塑包装膜采用卷绕的形式制作成锂离子电池卷芯，外壳采用铝塑包装膜；
(8)将所述步骤(7)制得的锂离子电池卷芯放在真空烘烤中进行高温真空烘烤，烘烤的温度为90℃，真空度为-90Kpa，烘烤时间为12h，烘烤期间每2h置换一次氮气，保证水含量≤100ppm；
(9)待卷芯冷却至室温后，注入2.2g/Ah的电解液，得到所述锂离子电池；
(10)将所述步骤(9)制备的电池放于45℃的环境下静置24h，然后进行高温夹住化成，温度为80℃，每个电芯所承受的面压力为0.4Mpa；
(11)电芯化成后，待电芯冷却至室温后，对电池进行抽气，抽气后电池内电解液的保有量为1.6g/Ah。
所述步骤(10)中电芯化成的步骤为：
I、搁置5分钟；
II、在恒流恒压状态下充电，充电电流为0.8C，直至电压达到上限电压，终止电流为0.4C；
III、搁置5分钟；
IV、在恒流状态下放电，此时电流为1.0C，直至达电压达到下限电压；
V、搁置5分钟；
VI、在恒流恒压状态下充电，充电电流为0.5C，直至荷电状态SOC为70％，终止电流为0.02C；
VII、搁置5分钟。
按照上述方法制备的锂离子电池，其长寿命放电性能与常规设计锂离子电池的长寿命放电性能对比如图2所示。
实施例2：
(1)制备正极极片：将正极活性物质改性4.4V钴酸锂、正极导电剂碳纳米管(CNTs)、正极粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)分别按照质量百分比97.7％、0.8％、1.5％与溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合制成正极浆料，然后将其涂布在厚度为10μm、材质为1235的双面光铝箔上，涂布的面密度为40.4mg/cm2，涂布后进行辊压制成正极极片备用，压实密度为4.2g/cm3；
(2)制备负极极片：将人造石墨与天然石墨以重量比1:1混合得到负极活性物质，之后将该负极活性物质、负极导电剂导电炭黑Super P、负极粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)分别按照质量百分比96.0％、1.0％、1.5％、1.5％与溶剂去离子水混合制成负极浆料，然后将其涂布在厚度为6μm的单面光电解铜箔上，涂布的面密度为20.4mg/cm2，涂布后进行辊压制成负极极片备用，压实密度为1.70g/cm3；
(3)制备隔离膜：聚烯烃隔离膜基底采用厚度为5μm的湿法聚乙烯(PE)，以双面处理Al2O3+聚偏氟乙烯(PVDF)作为涂层，其中Al2O3与PVDF的质量百分比分别为30％、70％，以去离子水为溶剂，涂覆在聚烯烃隔离膜基底表面烘干，Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)涂层的厚度为3μm，涂覆后总厚度为8μm，涂覆后隔离膜的透气度为180s/100ml；
(4)制备电解液：将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)分别按照质量百分比30％、40％、30％的比例混合得到溶剂，将浓度为1.15mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)加入溶剂中，再将添加剂亚硫酸丙烯酯(PS)、乙烯基碳酸乙烯酯(VEC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、丁二腈(SN)、己二腈(ADN)分别按照其占电解液总质量的质量百分比2％、1％、5％、2％、2％加到溶剂中，即得到电解液；
(5)正负极极耳采用0.08mm厚度的金属带，正负极金属带材质分别为纯铝和纯镍；
(6)铝塑包装膜为热法制备的聚丙烯(PP)层、铝层和尼龙层的三层铝塑膜，其厚度为76μm；
(7)将正极极片、负极极片、隔离膜和铝塑包装膜采用卷绕的形式制作成锂离子电池卷芯，外壳采用铝塑包装膜；
(8)将所述步骤(7)制得的锂离子电池卷芯放在真空烘烤中进行高温真空烘烤，烘烤的温度为90℃，真空度为-90Kpa，烘烤时间为24h，烘烤期间每2h置换一次氮气，保证水含量≤100ppm；
(9)待卷芯冷却至室温后，注入2.4g/Ah的电解液，得到所述锂离子电池；
(10)将所述步骤(9)制备的电池放于25℃的环境下静置48h，然后进行高温夹住化成，温度为80℃，每个电芯所承受的面压力为0.6Mpa；
(11)电芯化成后，待电芯冷却至室温后，对电池进行抽气，抽气后电池内电解液的保有量为1.6g/Ah。
所述步骤(10)中电芯化成的步骤为：
I、搁置5分钟；
II、在恒流恒压状态下充电，充电电流为1C，直至电压达到上限电压，终止电流为0.4C；
III、搁置5分钟；
IV、在恒流状态下放电，此时电流为1C，直至达电压达到下限电压；
V、搁置5分钟；
VI、在恒流恒压状态下充电，充电电流为0.5C，直至荷电状态SOC为70％，终止电流为0.02C；
VII、搁置5分钟。
按照上述方法制备的锂离子电池，其长寿命放电性能与常规设计锂离子电池的长寿命放电性能对比如图3所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池的制备方法，其特征在于：该电池包括锂离子电池外部壳体铝塑包装膜、正极极片、负极极片、隔离膜、电解液、正负极极耳；
所述正极极片包括正极活性物质、正极导电剂、正极粘结剂和铝箔，所述正极活性物质、正极导电剂以及正极粘结剂的质量百分比分别为97～99.4％、0.3～1.5％、0.3～1.5％；所述正极导电剂为碳纳米管(CNTs)；
所述负极极片包括负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂和铜箔，所述负极粘结剂为羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)，所述负极活性物质、负极导电剂以及羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)的质量百分比分别为94.5～98％、0～1.5％、1～2％、1～2％；
所述隔离膜包括聚烯烃隔离膜基底及Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)混合涂层，所述聚烯烃隔离膜基底表面涂覆Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)的混合物；
所述电解液包括溶剂、六氟磷酸锂(LiPF6)和添加剂；
该方法包括如下步骤：
a、将正极极片、负极极片、隔离膜采用卷绕的形式制作成锂离子电池卷芯，外壳采用铝塑包装膜；
b、将所述步骤a制得的锂离子电池卷芯放在真空烘烤箱中进行高温真空烘烤，烘烤的参数为80～90℃，真空度为≤-80Kpa，烘烤时间为6～36h，烘烤期间每2h置换一次氮气，保证水含量≤100ppm；
c、待卷芯冷却至室温后，注入1.6～2.5g/Ah的电解液，得到所述锂离子电池；
d、将所述步骤c制备的电池放于20～65℃的环境下静置6～48h，然后进行高温夹住化成，温度为65～85℃，每个电芯所承受的面压力为0.3～1.5Mpa；
e、电芯化成后，待电芯冷却至室温后，对电池进行抽气，抽气后电池内电解液的保有量为1.4～2.2g/Ah；
所述电芯化成的步骤为：
I、搁置5分钟；
II、在恒流恒压状态下充电，充电电流为0.7C～1.5C，直至电压达到上限电压，终止电流为0.2C～0.5C；
III、搁置5分钟；
IV、在恒流状态下放电，此时电流为1.0C～1.5C，直至电压达到下限电压；
V、搁置5分钟；
VI、在恒流恒压状态下充电，充电电流为0.2C～0.5C，直至荷电状态SOC为60％～70％，终止电流为0.02C～0.05C；
VII、搁置5分钟。
2.根据权利要求1所述的一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极活性物质为改性钴酸锂，该改性钴酸锂采用掺杂或包覆工艺制备；所述正极粘结剂为一种分子量的聚偏氟乙烯(PVDF)或不同分子量的聚偏氟乙烯(PVDF)的混合物；所述铝箔为材质1235或1060的单面光或双面光铝箔，厚度在10～15μm；所述正极极片的涂布面密度为36～44mg/cm2，压实密度为4.1～4.3g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述负极活性物质为人造石墨、中间相石墨、天然石墨中的一种或两种的混合物；所述负极导电剂为点状连接的炭黑导电剂、线状连接的碳纳米管、片状连接的导电石墨中的一种或两种以上的混合物；所述铜箔为材质紫铜的单面光或双面光或双面毛的电解铜箔或压延铜箔，厚度为4～8μm；所述负极极片的涂布面密度为8～22mg/cm2，压实密度为1.6～1.8g/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述Al2O3和聚偏氟乙烯(PVDF)的混合物，以去离子水为溶剂，涂覆在聚烯烃隔离膜基底表面烘干，涂覆厚度为2～5μm，涂覆方式为双面涂覆或单面涂覆；所述聚烯烃隔离膜基底为单层聚乙烯(PE)材质、单层聚丙烯(PP)材质或三层聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)材质，制备方法为干法或湿法，厚度为4～20μm，隔离膜透气度在50～300s/100ml。
5.根据权利要求1所述的一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述电解液中，溶剂的组分及各组分的质量百分比为：碳酸亚乙酯(EC)20～30％、碳酸异丙烯酯(PC)0～10％、碳酸甲乙酯(EMC)20～40％、碳酸二乙酯(DEC)20～40％；六氟磷酸锂(LiPF6)的浓度为1.0～1.2mol/L；添加剂的组分及各组分占电解液总质量的质量百分比为：亚硫酸丙烯酯(PS)1～5％、乙烯基碳酸乙烯酯(VEC)0～2％、氟代碳酸乙烯酯(FEC)2～8％、丁二腈(SN)2～4％，己二腈(ADN)0～4％。
6.根据权利要求1所述的一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正负极极耳选择金属带厚度0.06～0.1mm，正负极金属带材质分别为纯铝和纯镍。
7.根据权利要求1所述的一种高电压高体积能量密度长寿命锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述锂离子电池外部壳体铝塑包装膜为聚丙烯(PP)层、铝层和尼龙层制成的三层铝塑膜或多层铝塑膜，厚度为60～120μm，为干法或热法制备。
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