CN106252572A - 一种高比能量锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高比能量锂离子电池及其制备方法，正极采用富锂层状活性材料制得极片，材料的比容量大于200mAh/g；负极采用硅与碳材料的复合材料极片，材料的比容量大于600mAh/g，隔膜为无纺布耐高温隔膜超薄隔膜，将正极、负极极片与无纺布耐高温隔膜按次序卷绕成螺旋状，装入铝制壳体内，加注电解液，封口化成电池。本发明通过富锂层状活性材料和硅与碳材料的复合材料负极材料以及无纺布耐高温隔膜，大大提高电池的比能量密度，达到350Wh/kg，其比能量远高于目前常规的锂离子电池，隔膜材料也有效提高锂离子电池在滥用条件下的安全性。

Description

一种高比能量锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种高比能量锂离子电池及其制备方法。
背景技术
新能源和可再生能源技术被公认是21世纪最重要的高新技术产业，其中电化学储能体系的发展方向为高比能量、高功率和长寿命。锂离子电池体系是近些年出现的新型储能体系，具有重量轻、储能大、功率大、安全性能好、寿命长、自放电系数小等优点，是目前具有最高比能量的二次电池体系。随着新能源和消费电子市场的飞速发展，电池的耐用性越来越收到关注，迫切需要提高目前锂离子电池体系的能量密度，现有的锂离子电池体系主要是过渡金属氧化物和传统石墨体系，其比能量一般不超过250 Wh/kg，比能量较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种高比能量锂离子电池及其制备方法，比能量密度大大提高，能够达到350Wh/kg，有效提高锂离子电池在滥用条件下的安全性，以解决现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种高比能量锂离子电池，包括正极和负极以及隔膜，正极和负极均采用高性能活性材料，隔膜采用耐高温无纺布材料，电池的比能量超过350Wh/kg。
优选的，上述正极采用活性物质为富锂锰基材料，提供超过200mAh/g的比容量。
优选的，上述负极采用活性物质为硅碳复合材料，提供超过600mAh/g的比容量。
优选的，上述隔膜为无纺布耐高温隔膜超薄隔膜。
优选的，上述正极固体活性材料的重量百分比配比范围:
富锂锰基正极 67%-90%
碳黑(Super-P ) 5%-10%
石墨(KS-6 ) 0%-10%
偏氟乙烯类聚合物(PVDF) 5%-10%。
优选的，上述负极固体活性材料的重量百分比配比范围:
硅碳复合材料 85%-90%
碳黑 1%-5%
梭甲基纤维素钠 2%-5%
丁苯橡胶 2%-5%。
一种高比能量锂离子电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）正极极片制作:将正极固体活性材料中富锂锰基材料、炭黑和石墨按配比混合研磨、烘干预混、制成正极粉末，将混好的正极粉末与配比的偏氟乙烯类聚合物(PVDF)的非水溶液混合，制成浆料；
采用转移涂布或喷涂的工艺将浆料涂覆于铝箔的两面，铝箔厚度为0.008-0.012mm；在80℃-150℃下干燥后，辊压，得到正极极片；
（2）负极极片制作: 将负极固体活性材料硅中碳复合材料,碳黑按配比混合研磨、烘干预混，制成负极粉末，将混好的负极粉末与配比的梭甲基纤维素钠、丁苯橡胶的水溶液粘结剂混合，制成浆料；
将浆料均匀地涂覆于铜箔的两面，铜箔厚度为0.005-0.010mm；在80℃-150℃下干燥后，辊压，得到负极片；
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）中正极极片、负极极片与无纺布耐高温隔膜按次序卷绕成螺旋状，装入铝制壳体内，加注电解液，封口化成，制得成品电池。
目前限制锂离子电池比能量发展的最大瓶颈就是锂离子电池正极材料，正极材料的改进提高以及新型正极材料的开发对于锂离子电池比能量的飞跃发展至关重要。下一代锂离子电池正极材料需要具备更高的能量密度，更低的成本，更好的热力学稳定性，具有上述优点的新型富锂层状正极材料开始崭露头脚。
目前商用锂离子电池大部分采用石墨及改性石墨作为负极材料,其理论容量较低。高容量负极材料是必不可少的。硅(Si)具有4200mAh/g 的理论嵌锂容量，现已成为目前研究的主要负极材料之一。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
（1） 本发明正极和负极均采用高性能活性材料，隔膜采用耐高温无纺布材料，提高电池的比能量。采用本申请的方法制备的锂离子电池，其比能量远高于目前常规的锂离子电池，达到350Wh/kg的水平；
（2）电池正负极采用高容量的活性材料，使用超薄无纺布耐高温隔膜，厚度不超过20μm，使得制备的单体电池比能量达到350Wh/kg的水平；
（3） 锂离子电池采用了无纺布耐高温隔膜，该隔膜基材由PET无纺布组成，无纺布两面涂布一层Al2O3和SiO2的涂层，从而使该隔膜具有高的融化温度和几乎不收缩性能，有效提高锂离子电池在滥用条件下的安全性，隔膜厚度不超过20μm。
（4）与传统层状正极材料相比，富锂层状正极材料不但成本更低、更环保，而且其结构中的Li2MnO3成分起到了稳定层状材料结构的作用，通过表面包覆、金属离子掺杂和制备复合材料等方法，使得材料的比容量大于200mAh/g；
（5）负极材料通过硅与碳材料的复合，形成硅碳复合材料，使硅碳复合材料达到实用化，提高实用化，硅碳复合材料的比容量可以达到600mAh/g的比容量。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
一种高比能量锂离子电池，包括正极和负极以及隔膜，正极和负极均采用高性能活性材料，隔膜采用耐高温无纺布材料，电池的比能量超过350Wh/kg；正极采用活性物质为富锂锰基材料，提供超过200mAh/g的比容量，保证整个电池的高比能量；负极采用活性物质为硅碳复合材料，提供超过600mAh/g的比容量，保证整个电池的高比能量。
优选的，上述隔膜为无纺布耐高温隔膜超薄隔膜，该隔膜基材由PET无纺布组成，无纺布两面涂布一层Al2O3和SiO2的涂层，从而使该隔膜具有高的融化温度和几乎不收缩性能，有效提高锂离子电池在滥用条件下的安全性。隔膜厚度不超过20μm。
优选的，上述正极固体活性材料的重量百分比配比范围:
富锂锰基正极 67%-90%
碳黑(Super-P ) 5%-10%
石墨(KS-6 ) 0%-10%
偏氟乙烯类聚合物(PVDF) 5%-10%。
优选的，上述负极固体活性材料的重量百分比配比范围:
硅碳复合材料 85%-90%
碳黑 1%-5%
梭甲基纤维素钠 2%-5%
丁苯橡胶 2%-5%。
实施例1：一种高比能量锂离子电池，正极固体活性材料的重量百分比配比范围:
富锂锰基正极 85%
碳黑(Super-P ) 7%
石墨(KS-6 ) 1%
偏氟乙烯类聚合物(PVDF) 7%；
负极固体活性材料的重量百分比配比范围:
硅碳复合材料 89%
碳黑 3%
梭甲基纤维素钠 4%
丁苯橡胶 3%；
隔膜为无纺布耐高温隔膜超薄隔膜；
上述该电池的制备方法包括以下步骤：
（1）正极极片制作: 为了保证各部分组分中各物质混合的均匀性和颗粒大小尺寸的均匀性，对不同组分的材料首先需要进行混合分散；将正极固体活性材料中富锂锰基材料、炭黑和石墨按配比混合研磨、烘干预混、制成正极粉末，将混好的正极粉末与配比的偏氟乙烯类聚合物(PVDF)的非水溶液混合，制成浆料；
采用转移涂布或喷涂的工艺将浆料涂覆于铝箔的两面，铝箔厚度为0.01mm；在120℃下干燥后，辊压，得到正极极片；
（2）负极极片制作: 将负极固体活性材料硅中碳复合材料,碳黑按配比混合研磨、烘干预混，制成负极粉末，将混好的负极粉末与配比的梭甲基纤维素钠、丁苯橡胶的水溶液粘结剂混合，制成浆料；
将浆料均匀地涂覆于铜箔的两面，铜箔厚度为0.007mm；在120℃下干燥后，辊压，得到负极片；
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）中正极极片、负极极片与无纺布耐高温隔膜按次序卷绕成螺旋状，装入铝制壳体内，加注电解液，封口化成，制得成品电池。
实施例2：一种高比能量锂离子电池，正极固体活性材料的重量百分比配比范围:
富锂锰基正极 80%
碳黑(Super-P ) 7.5%
石墨(KS-6 ) 5%
偏氟乙烯类聚合物(PVDF) 7.5%；
负极固体活性材料的重量百分比配比范围:
硅碳复合材料 88%
碳黑 4%
梭甲基纤维素钠 4%
丁苯橡胶 4%；
隔膜为无纺布耐高温隔膜超薄隔膜；
上述该电池的制备方法包括以下步骤：
（1）正极极片制作:将正极固体活性材料中富锂锰基材料、炭黑和石墨按配比混合研磨、烘干预混、制成正极粉末，将混好的正极粉末与配比的偏氟乙烯类聚合物(PVDF)的非水溶液混合，制成浆料；
采用转移涂布或喷涂的工艺将浆料涂覆于铝箔的两面，铝箔厚度为0.01mm；在115℃下干燥后，辊压，得到正极极片；
（2）负极极片制作: 将负极固体活性材料硅中碳复合材料,碳黑按配比混合研磨、烘干预混，制成负极粉末，将混好的负极粉末与配比的梭甲基纤维素钠、丁苯橡胶的水溶液粘结剂混合，制成浆料；
将浆料均匀地涂覆于铜箔的两面，铜箔厚度为0.007mm；在115℃下干燥后，辊压，得到负极片；
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）中正极极片、负极极片与无纺布耐高温隔膜按次序卷绕成螺旋状，装入铝制壳体内，加注电解液，封口化成，制得成品电池。
实施例3：一种高比能量锂离子电池，正极固体活性材料的重量百分比配比范围:
富锂锰基正极 70%
碳黑(Super-P ) 10%
石墨(KS-6 ) 10%
偏氟乙烯类聚合物(PVDF) 10%；
负极固体活性材料的重量百分比配比范围:
硅碳复合材料 85%
碳黑 5%
梭甲基纤维素钠 5%
丁苯橡胶 5%；
隔膜为无纺布耐高温隔膜超薄隔膜；
上述该电池的制备方法包括以下步骤：
（1）正极极片制作:将正极固体活性材料中富锂锰基材料、炭黑和石墨按配比混合研磨、烘干预混、制成正极粉末，将混好的正极粉末与配比的偏氟乙烯类聚合物(PVDF)的非水溶液混合，制成浆料；
采用转移涂布或喷涂的工艺将浆料涂覆于铝箔的两面，铝箔厚度为0.008mm；在80℃下干燥后，辊压，得到正极极片；
（2）负极极片制作: 将负极固体活性材料硅中碳复合材料,碳黑按配比混合研磨、烘干预混，制成负极粉末，将混好的负极粉末与配比的梭甲基纤维素钠、丁苯橡胶的水溶液粘结剂混合，制成浆料；
将浆料均匀地涂覆于铜箔的两面，铜箔厚度为0.005mm；在80℃下干燥后，辊压，得到负极片；
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）中正极极片、负极极片与无纺布耐高温隔膜按次序卷绕成螺旋状，装入铝制壳体内，加注电解液，封口化成，制得成品电池。
实施例4：一种高比能量锂离子电池，正极固体活性材料的重量百分比配比范围:
富锂锰基正极 90%
碳黑(Super-P ) 5%
石墨(KS-6 ) 0%
偏氟乙烯类聚合物(PVDF) 5%；
负极固体活性材料的重量百分比配比范围:
硅碳复合材料 90%
碳黑 1%
梭甲基纤维素钠 4%
丁苯橡胶 5%；
隔膜为无纺布耐高温隔膜超薄隔膜；
上述该电池的制备方法包括以下步骤：
（1）正极极片制作:将正极固体活性材料中富锂锰基材料、炭黑和石墨按配比混合研磨、烘干预混、制成正极粉末，将混好的正极粉末与配比的偏氟乙烯类聚合物(PVDF)的非水溶液混合，制成浆料；
采用转移涂布或喷涂的工艺将浆料涂覆于铝箔的两面，铝箔厚度为0.012mm；在150℃下干燥后，辊压，得到正极极片；
（2）负极极片制作: 将负极固体活性材料硅中碳复合材料,碳黑按配比混合研磨、烘干预混，制成负极粉末，将混好的负极粉末与配比的梭甲基纤维素钠、丁苯橡胶的水溶液粘结剂混合，制成浆料；
将浆料均匀地涂覆于铜箔的两面，铜箔厚度为0.010mm；在150℃下干燥后，辊压，得到负极片；
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）中正极极片、负极极片与无纺布耐高温隔膜按次序卷绕成螺旋状，装入铝制壳体内，加注电解液，封口化成，制得成品电池。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高比能量锂离子电池，其特征在于：包括正极和负极以及隔膜，正极和负极均采用高性能活性材料，隔膜采用耐高温无纺布材料。
2.根据权利要求1所述的一种高比能量锂离子电池，其特征在于：正极采用活性物质为富锂锰基材料。
3.根据权利要求1所述的一种高比能量锂离子电池，其特征在于：负极采用活性物质为硅碳复合材料。
4.根据权利要求1所述的一种高比能量锂离子电池，其特征在于：隔膜为无纺布耐高温隔膜超薄隔膜。
5.根据权利要求1所述的一种高比能量锂离子电池，其特征在于：正极固体活性材料的重量百分比配比范围:
富锂锰基正极 67%-90%
碳黑(Super-P ) 5%-10%
石墨(KS-6 ) 0%-10%
偏氟乙烯类聚合物(PVDF) 5%-10%。
6.根据权利要求1所述的一种高比能量锂离子电池，其特征在于：负极固体活性材料的重量百分比配比范围:
硅碳复合材料 85%-90%
碳黑 1%-5%
梭甲基纤维素钠 2%-5%
丁苯橡胶 2%-5%。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种高比能量锂离子电池的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）正极极片制作:将正极固体活性材料中富锂锰基材料、炭黑和石墨按配比混合研磨、烘干预混、制成正极粉末，将混好的正极粉末与配比的偏氟乙烯类聚合物(PVDF)的非水溶液混合，制成浆料；
采用转移涂布或喷涂的工艺将浆料涂覆于铝箔的两面，铝箔厚度为0.008-0.012mm；在80℃-150℃下干燥后，辊压，得到正极极片；
（2）负极极片制作: 将负极固体活性材料硅中碳复合材料,碳黑按配比混合研磨、烘干预混，制成负极粉末，将混好的负极粉末与配比的梭甲基纤维素钠、丁苯橡胶的水溶液粘结剂混合，制成浆料；
将浆料均匀地涂覆于铜箔的两面，铜箔厚度为0.005-0.010mm；在80℃-150℃下干燥后，辊压，得到负极片；
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）中正极极片、负极极片与无纺布耐高温隔膜按次序卷绕成螺旋状，装入铝制壳体内，加注电解液，封口化成，制得成品电池。
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