CN106450433A - 一种高倍率、高安全性软包装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倍率、高安全性软包装锂离子电池及其制备方法，包括锂离子电池，所述锂离子电池上设置有负极极片、复合隔膜、正极极片、电解液及其铝塑膜组，其特征在于：所述负极极片和正极极片分别通过网状集流体涂覆浆料制得，所述复合隔膜设置有双面涂覆层，所述双面涂覆层的第一面涂覆含锂的无机锂化合物，所述双面涂覆层的另一面涂覆含有氧化铝及其功能性物质。本发明采用网孔状集流体的正负极和复合隔膜，降低极片与极片之间锂离子的传输距离，提高其倍率性能，具有倍率性能佳、安全性能高的特性。

Description

一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，尤其涉及到一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池及其制备方法。
背景技术
软包装锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命及其安全性能高等优势，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、储能等领域，但是随着数码产品的微型化及其对电动汽车续航里程及其快速充电要求的提高，要求锂离子电池具有更高的能量密度、高的倍率性能及其循环性能。
而提高锂离子电池倍率性能的方法主要有：1)采用倍率型的正负极材料，但是目前由于技术难度高，目前难以获得突破；2)采用导电率高的功能性电解液，按照目前的研发进度，难以有大的突破；3)采用集流体底涂技术，即在正负极集流体表面涂覆一层纳米导电碳，提高活性物质与集流体的接触面积，从而提高锂离子电池的倍率性能；4)采用改性隔膜，即在隔膜表面涂覆一层功能性物质提高锂离子电池的倍率性能和安全性能，比如专利(CN105591055A)公开了一种高倍率锂离子电池及其制造方法，其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，其隔膜表面涂覆有复合导电层，其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，在大倍率条件下，隔膜表面的电子导电传导性得到提高，但是其锂离子的传导速率并未改善，并未提高大倍率条件下锂离子的传输速率，同时由于在大倍率条件下，电池内部温度较高，容易造成隔膜融化造成安全隐患，从而降低锂离子电池的安全性能。因此开发一种在提高锂离子电池倍率性能的同时，锂离子电池的安全性能也得到提高显得非常必要。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种提高锂离子电池倍率性能和锂离子电池的安全性能的高倍率、高安全性软包装锂离子电池及其制备方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明包括锂离子电池，所述锂离子电池上设置有负极极片、复合隔膜、正极极片、电解液及其铝塑膜组，所述负极极片和正极极片分别通过网状集流体涂覆浆料制得，所述复合隔膜设置有双面涂覆层，所述双面涂覆层的第一面涂覆含锂的无机锂化合物，所述双面涂覆层的另一面涂覆含有氧化铝及其功能性物质。
具体地，所述网状集流体为铜网或铝网，其厚度为(15～30)μm，孔隙率为(40～60)％。
具体地，其特征在于，所述复合隔膜的涂覆厚度相同，每面涂覆厚度为(2～4)μm。
具体地，所述含锂的无机锂化合物包括无机锂化合物和粘结剂，其质量比为(60～80)：(20～40)。
具体地，所述无机锂化合物为六氟铝酸锂、六氟硅酸锂、六氟钛酸锂、六氟锆酸锂中的一种。
具体地，所述含有氧化铝及其功能性物质包括氧化铝、功能性物质和粘结剂，其质量比为(50～60)：(20～30)：(10～30)。
具体地，所述功能性物质为三聚氰胺氰尿酸盐、季戊四醇三聚氰胺磷酸酯、多聚磷酸铵、聚二甲基硅氧烷和三聚氰胺焦磷酸盐中的一种。
1、根据权利要求4或6所述的一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池，其特征在于，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯，羧甲基纤维素钠，聚丙烯酸、聚丙烯氰，聚乙烯醇，聚丙二醇中的一种；
本发明包括以下步骤：
1)将粘结剂添加到N-甲基吡咯烷酮中，所述粘结剂与所述N-甲基吡咯烷酮的质量比为(5～15)：100，搅拌均匀后添加份氧化铝、功能性物质，所述氧化铝和功能性物质与N-甲基吡咯烷酮的质量比为((25～30))：(10～15):100,再分散2h得到喷涂液A；
同时称取份粘结剂添加到N-甲基吡咯烷酮中，所述粘结剂与所述N-甲基吡咯烷酮的质量比为(10～20)：100，分散均匀后，再添加无机锂化合物再分散2h得到喷涂液B，所述粘结剂与所述N-甲基吡咯烷酮的质量比为(30～40)：100；
2)通过喷涂机将喷涂液A喷涂在待加工隔膜的第一面，干燥完毕后，再将喷涂液B喷涂在所述待加工隔膜的另一面，干燥完毕后得到复合隔膜；
3)之后将正极浆料涂覆在网状铝箔集流体上制备出正极极片；将负极浆料涂覆在网状铜箔集流体上制备出负极极片，采用叠片方式依次将负极极片、复合隔膜、正极极片、电解液及其铝塑膜组装成锂离子电池。
本发明的有益效果在于：
本发明利用其隔膜表面含锂化合物锂离子导电率高的特性，在大倍率条件下提高锂离子的传输速率，并利用隔膜另一面含氮或磷化合物的功能性物质，在电池温度过高时，吸收多余热量，作为反应熵，自发地响应化学反应，在活性物质表面形成钝化层，并及时将热量传递出去，防止局部温度过高，降低极片的热失控，提高其安全性能；
同时利用其网孔状集流体，降低极片与极片之间锂离子的传输距离，提高其倍率性能，其采用此复合隔膜及其网状集流体制备出的锂离子电池具有倍率性能佳、安全性能高的特性。
附图说明
图1、实施例1制备出的锂离子电池的倍率曲线图；
图2、对比例制备出的锂离子电池的倍率放电曲线图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本实施例1
1)称取20g聚偏氟乙烯添加到200g的N-甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀后添加55g氧化铝、25g的三聚氰胺氰尿酸盐，再分散2h得到喷涂液A；同时称取30g聚偏氟乙烯添加到200g的N-甲基吡咯烷酮中，分散均匀后，再添加70g的六氟铝酸锂，并再分散2h得到喷涂液B；
2)之后通过喷涂机将喷涂液A喷涂在厚度为20μm的PP隔膜的一面(涂覆厚度为3μm)，干燥完毕后，得到隔膜C，之后再将喷涂液B喷涂在隔膜C的另一面(涂覆厚度为3μm)，干燥完毕后得到复合隔膜D；
3)之后通过涂布机将磷酸铁锂正极浆料(质量比为，磷酸铁锂：导电剂SP：聚偏氟乙烯：N-甲基吡咯烷酮＝93:3:4:150)涂覆在网状铝箔集流体(厚度为25μm，网孔率为50％)上制备出正极极片(涂敷厚度为150μm)；同时将负极浆料(质量比为，人造石墨：导电剂SP：CMC：SBR：二次蒸馏水＝94:2:2.5:1.5:120)涂覆在网状铜箔集流体(厚度为20μm，网孔率50％)上制备出负极极片。
电解液采用采用LiPF6(1.0mol/L)为溶质，溶剂为20～30％碳酸乙烯酯，30～50％碳酸二甲酯，10～20％碳酸甲乙酯，1～2％碳酸亚乙烯酯组成，隔膜采用复合隔膜D，之后采用叠片方式，依次将负极极片、复合隔膜、正极极片、电解液及其铝塑膜组装成5Ah的软包装锂离子电池。
实施例2
1)称取10g羧甲基纤维素钠添加到200g的N-甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀后添加60g氧化铝、30g的季戊四醇三聚氰胺磷酸酯，再分散2h得到喷涂液A；同时称取20g羧甲基纤维素钠添加到200g的N-甲基吡咯烷酮中，分散均匀后，再添加80g六氟铝酸锂，并再分散2h得到喷涂液B；
2)之后通过喷涂机将喷涂液A喷涂在厚度为20μm的PP隔膜的一面(涂覆厚度为2μm)，干燥完毕后，得到隔膜C，之后再将喷涂液B喷涂在隔膜C的另一面(涂覆厚度为2μm)，干燥完毕后得到复合隔膜D；
3)之后通过涂布机将磷酸铁锂正极浆料(质量比为，磷酸铁锂：导电剂SP：聚偏氟乙烯：N-甲基吡咯烷酮＝93:3:4:150)涂覆在网状铝箔集流体(厚度为20μm，网孔率为40％)上制备出正极极片(涂敷厚度为150μm)；同时将负极浆料(质量比为，人造石墨：导电剂SP：CMC：SBR：二次蒸馏水＝94:2:2.5:1.5:120)涂覆在网状铜箔集流体(厚度为15μm，网孔率40％)上制备出负极极片。
电解液以LiPF6(1.0mol/L)为溶质，溶剂为20～30％碳酸乙烯酯，30～50％碳酸二甲酯，10～20％碳酸甲乙酯，1～2％碳酸亚乙烯酯组成，之后采用叠片方式，依次将负极极片、复合隔膜、正极极片、电解液及其铝塑膜组装成5Ah的软包装锂离子电池。
实施例3
1)称取30g聚丙烯酸添加到200g的N-甲基吡咯烷酮中，搅拌均匀后添加50g氧化铝、20g的多聚磷酸铵，再分散2h得到喷涂液A；同时称取40g聚丙烯酸添加到200g的N-甲基吡咯烷酮中，分散均匀后，再添加60g六氟钛酸锂，并再分散2h得到喷涂液B；
2)之后通过喷涂机将喷涂液A喷涂在厚度为20μm的PP隔膜的一面(涂覆厚度为4μm)，干燥完毕后，得到隔膜C，之后再将喷涂液B喷涂在隔膜C的另一面(涂覆厚度为4μm)，干燥完毕后得到复合隔膜D；
3)之后通过涂布机将磷酸铁锂正极浆料(质量比为，磷酸铁锂：导电剂SP：聚偏氟乙烯：N-甲基吡咯烷酮＝93:3:4:150)涂覆在网状铝箔集流体(厚度为30μm，网孔率为60％)上制备出正极极片(涂敷厚度为150μm)；同时将负极浆料(质量比为，人造石墨：导电剂SP：CMC：SBR：二次蒸馏水＝94:2:2.5:1.5:120)涂覆在网状铜箔集流体(厚度为30μm，网孔率60％)上制备出负极极片。
电解液以LiPF6(1.0mol/L)为溶质，溶剂为20～30％碳酸乙烯酯，30～50％碳酸二甲酯，10～20％碳酸甲乙酯，1～2％碳酸亚乙烯酯组成，之后采用叠片方式，依次将负极极片、复合隔膜、正极极片、电解液及其铝塑膜组装成5Ah的软包装锂离子电池。
对比例：
首先通过涂布机将磷酸铁锂正极浆料(质量比为，磷酸铁锂：导电剂SP：聚偏氟乙烯：N-甲基吡咯烷酮＝93:3:4:150)涂覆在铝箔集流体(厚度为25μm)上制备出正极极片(涂敷厚度为150μm)；
同时将负极浆料(质量比为，人造石墨：导电剂SP：CMC：SBR：二次蒸馏水＝94:2:2.5:1.5:120)涂覆在铜箔集流体(厚度为20μm)上制备出负极极片；
电解液采用采用LiPF6(1.0mol/L)为溶质，溶剂为50％碳酸乙烯酯，50％碳酸二甲酯组成；
隔膜采用厚度为20μm的PP隔膜，之后采用叠片方式，依次将负极极片、复合隔膜、正极极片、电解液及其铝塑膜组装成5Ah的软包装锂离子电池。
电化学性能测试：
取实施例1～3及对比例1中锂离子电池进行循环性能(1.0C/1.0C倍率，温度25±3℃)和能量密度测试，测试标准参见《QC/T743电动汽车用锂离子蓄电池》。
电池直流内阻的测定方法为：1)以0.2C5A恒流、4.2V限压，对锂离子电池进行标准充电；2)以0.2C5A恒流放电至10％DOD；3)用大电流对电池进行恒流充电(一般为1C5A)；4)重复步骤1)～3)，每次放电深度增加10％，直至放电深度为90％；5)以0.2C5A恒流放电至终止电压2.5V，使电池完全放电。
倍率性能测试：
测试方法为：以1.0C的倍率充电，并以0.5C、1.0C、2.0C、4.0C、8.0C的倍率放电；
电池安全性能的测试方法为：取实施例1～3及对比例1中锂电池各2个，充满电后用一个直径10mm的钉子穿透电池中心，并把钉子留在电池内部，观察电池情况，并测量电池温度。
测试结果见下表1～3。
表1实施例1～3及对比例1中锂离子电池的循环性能和能量密度
项目 循环性能(500次保持率) 能量密度(Wh/kg)
实施例1 95.9％ 135.5
实施例2 95.6％ 135.4
实施例3 95.1％ 133.9
对比例1 92.1％ 125.3
由表1可知，实施例1～3中锂离子电池的循环性能和能量密度均明显优于对比例1，分析原因在于：锂电池在循环过程中形成SEI膜消耗锂离子，使得电池内阻增大、锂离子传输速率的降低，而复合隔膜表面的补锂层能及时补充锂电池充放电过程消耗的锂离子，提高电池的循环性能并增大其能量密度和放电容量。
表2实施例1～3及对比例1中锂离子电池的直流内阻比较
由表2可知，在不同放电深度条件下，相较对比例，实施例1～3中锂离子电池的直流内阻较低，分析原因在于：电池中充足的锂离子能够提供大量的锂离子通道，加之网状集流体提供锂离子通道，降低锂离子的传输距离，更有利于降低电池的直流内阻。
表3、实施例与对比例的倍率性能比较
由表3可以看出，实施例1-3制备出的锂离子电池的倍率性能明显优于对比例，其原因为，隔膜表面涂覆无机锂化合物具有锂离子导电率高等特性，在锂离子电池大倍率充放电过程中提供充足的锂离子，从而提高其锂离子电池的倍率性能。
表4实施例1～3及对比例1中锂离子电池的温度及着火情况
由表4可知，实施例1～7中锂离子电池的温度均低于对比例，且未出现着火情况，安全系数较高，其原因是隔膜一面涂覆有氧化铝材料，提高材料的耐高温性能，同时隔膜表面涂覆有功能性物质，在电池温度过高时，吸收多余热量，作为反应熵，自发地响应化学反应，在活性物质表面形成钝化层，并及时将热量传递出去，防止局部温度过高，降低极片的热失控，提高其安全性能从而提高锂离子电池的安全性能。
以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池，包括锂离子电池，所述锂离子电池上设置有负极极片、复合隔膜、正极极片、电解液及其铝塑膜组，其特征在于：所述负极极片和正极极片分别通过网状集流体涂覆浆料制得，所述复合隔膜设置有双面涂覆层，所述双面涂覆层的第一面涂覆含锂的无机锂化合物，所述双面涂覆层的另一面涂覆含有氧化铝及其功能性物质。
2.根据权利要求1所述的一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池，其特征在于：所述网状集流体为铜网或铝网，其厚度为(15～30)μm，孔隙率为(40～60)％。
3.根据权利要求1所述的一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池，其特征在于：所述复合隔膜的涂覆厚度相同，每面涂覆厚度为(2～4)μm。
4.根据权利要求1所述的一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池，其特征在于：所述含锂的无机锂化合物包括无机锂化合物和粘结剂，其质量比为(60～80)：(20～40)。
5.根据权利要求4所述的一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池，其特征在于：所述无机锂化合物为六氟铝酸锂、六氟硅酸锂、六氟钛酸锂、六氟锆酸锂中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池，其特征在于：所述含有氧化铝及其功能性物质包括氧化铝、功能性物质和粘结剂，其质量比为(50～60)：(20～30)：(10～30)。
7.根据权利要求6所述的一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池，其特征在于：所述功能性物质为三聚氰胺氰尿酸盐、季戊四醇三聚氰胺磷酸酯、多聚磷酸铵、聚二甲基硅氧烷和三聚氰胺焦磷酸盐中的一种。
8.根据权利要求4或6所述的一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池，其特征在于：所述的粘结剂为聚偏氟乙烯，羧甲基纤维素钠，聚丙烯酸、聚丙烯氰，聚乙烯醇，聚丙二醇中的一种。
9.一种高倍率、高安全性软包装锂离子电池的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
1)将粘结剂添加到N-甲基吡咯烷酮中，所述粘结剂与所述N-甲基吡咯烷酮的质量比为(5～15)：100，搅拌均匀后添加份氧化铝、功能性物质，所述氧化铝和功能性物质与N-甲基吡咯烷酮的质量比为((25～30))：(10～15):100,再分散2h得到喷涂液A；
同时称取份粘结剂添加到N-甲基吡咯烷酮中，所述粘结剂与所述N-甲基吡咯烷酮的质量比为(10～20)：100，分散均匀后，再添加无机锂化合物再分散2h得到喷涂液B，所述粘结剂与所述N-甲基吡咯烷酮的质量比为(30～40)：100；
2)通过喷涂机将喷涂液A喷涂在待加工隔膜的第一面，干燥完毕后，再将喷涂液B喷涂在所述待加工隔膜的另一面，干燥完毕后得到复合隔膜；
3)之后将正极浆料涂覆在网状铝箔集流体上制备出正极极片；将负极浆料涂覆在网状铜箔集流体上制备出负极极片，采用叠片方式依次将负极极片、复合隔膜、正极极片、电解液及其铝塑膜组装成锂离子电池。
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