CN106684458B - 一种改善低温充放电性能的锂离子电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种改善低温充放电性能的锂离子电池及其制备方法，该锂离子电池包括由正极片、隔离膜和负极片依次层叠后沿同一方向卷绕而成的裸电芯，及其电解液，正极片包括正极集流体及涂覆在正极集流体上的正极膜片，负极片包括负极集流体及涂覆在负极集流体上的负极膜片，正极集流体的一端设有第一留白区，第一留白区焊接有第一导电端子，负极集流体的一端设有第二留白区，第二留白区焊接有第二导电端子；正极集流体和/或负极集流体的另一端还设有第三留白区，第三留白区设有第三导电端子。本发明在极片上设置第三导电端子，在低温下用于对电池进行加热，使电池保持在正常温度，有利于改善电池低温下的充放电性能。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种改善低温充放电性能的锂离子电池及其制备方法。
背景技术
随着新能源技术的发展，要求能源储能设备能够适应更加苛刻的外界环境。因此对于能源存储设备在低温环境中的适用性受到越来越多的关注。锂离子电池能量密度大，倍率性能和安全性能好，绿色环保，被广泛应用于电子和新能源汽车领域，但锂离子电池低温性能较差，尤其是锂离子电池低温充电性能较差。低温下(0℃以下)，锂离子电池电解液电导率低，充电过程中欧姆极化、浓差极化和电化学极化加大，导致金属锂沉积，使得电解液分解，导致电极表面SEI膜增厚，电池充电容量损失加大(如：-20℃时的充电时间要延长十倍以上，充一次电要耗时数十小时)，充电时间大幅度延长(有关数据显示：目前常用的C/LiCoO2系锂离子电池在0～5℃时容量损失大约为4～5％；在-20℃时容量损失30％以上)；也就是说，电池在长期的低温环境下充电极大地影响了电池的电化学性能，缩短了电池的使用寿命，甚至严重时，沉积的金属锂刺穿隔膜产生安全隐患。锂离子电池超低温下无法充电，制约了其在特殊环境领域的应用，因此改善锂离子电池的低温性能已成为广大锂离子电池科研者以及锂离子电池生产企业急需解决的一个难题。
其中，申请号为200610155724.9的中国专利公开了一种适用于低温环境的锂离子电池，该锂离子电池包括电池外壳，紧贴电池外壳的隔热保温层，电芯设置在电池外壳内，还有由温控开关、控制电路组成的控制组件，发热组件、导热组件组成供热组件。其不足之处在于，当电池处于低温状态时，必须通过牺牲锂离子电池的部分电量使供热组件运行进行供热，这样便会大大降低电池的电容量，在持续低温的情况下，电池的电量很快会被耗尽。
因此，如何通过对电池内部加热，让电池内部恢复到室温后再继续进行充放电，是改善锂离子电池低温性能的方向。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种在低温状态下，能降低电池内阻，减少电池容量损失，改善电池低温充放电性能的锂离子电池。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种改善低温充放电性能的锂离子电池，包括由正极片、隔离膜和负极片依次层叠后沿同一方向卷绕而成的裸电芯，及其电解液，所述正极片包括正极集流体及涂覆在所述正极集流体上的正极膜片，所述负极片包括负极集流体及涂覆在所述负极集流体上的负极膜片，所述正极集流体的一端设置有第一留白区，所述第一留白区焊接有第一导电端子，所述负极集流体的一端设置有第二留白区，所述第二留白区焊接有第二导电端子；所述正极集流体和/或负极集流体的另一端还设置有第三留白区，所述第三留白区设置有第三导电端子。
其中，由于正/负极片本身就相当于一个加热内阻，因此，完全可以通过接通正/负极片上的导电端子对锂离子电池进行加热。
低温下充放电之前，先接通第一导电端子和第三导电端子，或者接通第二导电端子和第三导电端子，通过外部电源对锂离子电池加热，电池内部温度升高，当温度高于常温时，断开外部电源，然后接通第一导电端子和第二导电端子，进行正常的充放电。此外，还可以给锂离子电池配备超级电容器，预先对超级电容器充电使其存储电量，这样在低温下，利用超级电容器中的电能对电池进行加热。
作为本发明改善低温充放电性能的锂离子电池的一种改进，所述第三留白区还设置有加热电阻，所述第三导电端子焊接于所述加热电阻。通过设置加热电阻，一方面，便于对锂离子电池进行快速加热；另一方面便于按需调控，例如可以根据需要任意调整阻值大小。
作为本发明改善低温充放电性能的锂离子电池的一种改进，所述加热电阻为电阻丝或者电阻片。
作为本发明改善低温充放电性能的锂离子电池的一种改进，所述加热电阻的阻值大小为0.5Ω～50kΩ，优选为50～500Ω。其中，电阻阻值需根据电池容量进行合理匹配，只要能满足加热需求，又不影响电池性能即可。
作为本发明改善低温充放电性能的锂离子电池的一种改进，所述加热电阻的厚度为0.01～100μm，优选为1～50μm。在该厚度范围内，加热电阻既能够满足使用需求，又不会占用过多空间而影响电池能量密度。
作为本发明改善低温充放电性能的锂离子电池的一种改进，所述加热电阻为正温度系数热敏电阻，所述正温度系数热敏电阻的响应温度为20～30℃，优选为22～28℃，更优选为25℃。
其中，本发明所述的热敏电阻是指以微量稀土元素掺杂而半导化的陶瓷，其在室温至一定温度范围电阻很小，到一定温度(居里温度)后电阻急剧上升，电阻变化可达104～107，这一特性称为正温热敏电阻效应(PTC效应)，用该陶瓷制成的元件称为PTC热敏电阻。若添加相变位移剂，其突变温度可以调整到更宽的范围。
因此，本发明的加热电阻优选为热敏电阻，此时加热电阻便相当于一个受温度控制的开关。当电池温度高于热敏电阻的响应温度时，热敏电阻的阻值迅速上升，此时外加热电路相当于断路，停止加热；当电池温度低于热敏电阻的响应温度时，热敏电阻的阻值降低，此时外加热电路接通，继续加热。这样可以使得电池温度始终维持在常温，从而改善电池的充放电性能。
作为本发明改善低温充放电性能的锂离子电池的一种改进，所述电池的表面设置有隔热保温层。在电池外表面的设置一层隔热保温层，可减小电池内部热量散失，同时节约电量。
本发明的目的之二在于：提供几种改善低温充放电性能的锂离子电池的制备方法。
第一种改善低温充放电性能的锂离子电池的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一、正极片的制备，在正极集流体上涂覆正极活性浆料，然后在正极集流体的一端焊接第一导电端子，在正极集流体的另一端焊接加热电阻，并在加热电阻上焊接第三导电端子，制得正极片；
步骤二、负极片的制备，在负极集流体上涂覆负极活性浆料，然后在负极集流体的一端焊接第二导电端子，制得负极片；
步骤三、将步骤一制得的正极片、隔离膜、以及步骤二制得的负极片依次层叠后沿同一方向卷绕成裸电芯；然后封装并注入电解液即得到所述的锂离子电池。
第二种改善低温充放电性能的锂离子电池的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一、正极片的制备，在正极集流体上涂覆正极活性浆料，然后在正极集流体的一端焊接第一导电端子，制得正极片；
步骤二、负极片的制备，在负极集流体上涂覆负极活性浆料，然后在负极集流体的一端焊接第二导电端子，在负极集流体的另一端焊接加热电阻，并在加热电阻上焊接第三导电端子，制得负极片；
步骤三、将步骤一制得的正极片、隔离膜、以及步骤二制得的负极片依次层叠后沿同一方向卷绕成裸电芯；然后封装并注入电解液即得到所述的锂离子电池。
第三种改善低温充放电性能的锂离子电池的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一、正极片的制备，在正极集流体上涂覆正极活性浆料，然后在正极集流体的一端焊接第一导电端子，在正极集流体的另一端焊接加热电阻，并在加热电阻上焊接第三导电端子，制得正极片；
步骤二、负极片的制备，在负极集流体上涂覆负极活性浆料，然后在负极集流体的一端焊接第二导电端子，在负极集流体的另一端焊接加热电阻，并在加热电阻上焊接第三导电端子，制得负极片；
步骤三、将步骤一制得的正极片、隔离膜、以及步骤二制得的负极片依次层叠后沿同一方向卷绕成裸电芯；然后封装并注入电解液即得到所述的锂离子电池。
本发明的有益效果在于：本发明通过在电极片上设置第三导电端子，在低温下用于对锂离子电池进行加热，使电池保持在正常温度，缩短电池在低温环境中的充电时间，减小电池容量损失，提高电池在低温环境中的充放电循环寿命；同时本发明结构简单，易生产制造，生产成本较低，适于企业规模化生产。
附图说明
图1为本发明中正极片的结构示意图之一。
图2为本发明中正极片的结构示意图之二。
图3为本发明中负极片的结构示意图之一。
图4为本发明中负极片的结构示意图之二。
图5为本发明的结构示意图之一。
图6为本发明的结构示意图之二。
图7为本发明的结构示意图之三。
图8为本发明的结构示意图之四。
图中：1-正极片；11-正极集流体；111-第一留白区；112-第三留白区；12-正极膜片；13-第一导电端子；14-第三导电端子；15-加热电阻；2-负极片；21-负极集流体；211-第二留白区；22-负极膜片；23-第二导电端子；3-隔离膜。
具体实施方式
如图1至8所示，一种改善低温充放电性能的锂离子电池，包括由正极片1、隔离膜3和负极片2依次层叠后沿同一方向卷绕而成的裸电芯，及其电解液，正极片1包括正极集流体11及涂覆在正极集流体11上的正极膜片12，负极片2包括负极集流体21及涂覆在负极集流体21上的负极膜片22，正极集流体11的一端设置有第一留白区111，第一留白区111焊接有第一导电端子13，负极集流体21的一端设置有第二留白区211，第二留白区211焊接有第二导电端子23；正极集流体11和/或负极集流体21的另一端还设置有第三留白区112，第三留白区112设置有第三导电端子14。
优选的，第三留白区112还设置有加热电阻15，第三导电端子14焊接于加热电阻15，加热电阻15为电阻丝或者电阻片。通过设置加热电阻15，一方面，便于对锂离子电池进行快速加热；另一方面便于按需调控，例如可以根据需要任意调整阻值大小。
优选的，电池的表面设置有隔热保温层。在电池外表面的设置一层隔热保温层，可减小电池内部热量散失，同时节约电量。
优选的，加热电阻15的阻值大小为0.5Ω～50kΩ，更优选为50～500Ω。其中，电阻阻值需根据电池容量进行合理匹配，只要能满足加热需求，又不影响电池性能即可。
优选的，加热电阻15的厚度为0.01～100μm，更优选为1～50μm。在该厚度范围内，加热电阻15既能够满足使用需求，又不会占用过多空间而影响电池能量密度。
优选的，加热电阻15为正温度系数热敏电阻，正温度系数热敏电阻的响应温度为20～30℃，更优选为22～28℃，最佳为25℃。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种改善低温充放电性能的锂离子电池，包括由正极片1、隔离膜3和负极片2依次层叠后沿同一方向卷绕而成的裸电芯，及其电解液，正极片1包括正极集流体11及涂覆在正极集流体11上的正极膜片12，负极片2包括负极集流体21及涂覆在负极集流体21上的负极膜片22，正极集流体11的一端设置有第一留白区111，第一留白区111焊接有第一导电端子13，负极集流体21的一端设置有第二留白区211，第二留白区211焊接有第二导电端子23；正极集流体11的另一端还设置有第三留白区112，第三留白区112焊接有第三导电端子14。
该锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
步骤一、正极片1的制备：将镍钴锰酸锂、导电碳、聚偏氟乙烯按质量比96：2：2在N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合均匀制成正极活性浆料，然后将其涂布在正极集流体11铝箔上，在正极集流体11铝箔的一端焊接第一导电端子13，在正极集流体11铝箔的另一端焊接第三导电端子14，制得正极片1。
步骤二、负极片2的制备：将石墨、导电碳、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶按质量比96：1.5：1.5：1在去离子水中混合均匀制成负极活性浆料，然后将其涂布在负极集流体21铜箔上，在负极集流体21铜箔的一端焊接第二导电端子23，制得负极片2。
步骤三、隔离膜3的制备：隔离膜3为12μm的聚乙烯/聚丙烯复合微孔薄膜。
步骤四、电解液的制备：将六氟磷酸锂溶于体积比为1：2：1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯以及碳酸甲乙酯组成的混合溶剂中，得到浓度为1mol/L的电解液。
步骤五、将上述制得的正极片1、隔离膜3、负极片2依次层叠后沿同一方向卷绕成裸电芯；然后封装并注入电解液即得到所述的锂离子电池。
实施例2
一种改善低温充放电性能的锂离子电池，包括由正极片1、隔离膜3和负极片2依次层叠后沿同一方向卷绕而成的裸电芯，及其电解液，正极片1包括正极集流体11及涂覆在正极集流体11上的正极膜片12，负极片2包括负极集流体21及涂覆在负极集流体21上的负极膜片22，正极集流体11的一端设置有第一留白区111，第一留白区111焊接有第一导电端子13，负极集流体21的一端设置有第二留白区211，第二留白区211焊接有第二导电端子23；负极集流体21的另一端还设置有第三留白区112，第三留白区112焊接有第三导电端子14。
该锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
步骤一、正极片1的制备：将镍钴锰酸锂、导电碳、聚偏氟乙烯按质量比96：2：2在N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合均匀制成正极活性浆料，然后将其涂布在正极集流体11铝箔上，在正极集流体11铝箔的一端焊接第一导电端子13，制得正极片1。
步骤二、负极片2的制备：将石墨、导电碳、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶按质量比96：1.5：1.5：1在去离子水中混合均匀制成负极活性浆料，然后将其涂布在负极集流体21铜箔上，在负极集流体21铜箔的一端焊接第二导电端子23，在负极集流体21铜箔的另一端焊接第三导电端子14，制得负极片2。
步骤三、隔离膜3的制备：隔离膜3为12μm的聚乙烯/聚丙烯复合微孔薄膜。
步骤四、电解液的制备：将六氟磷酸锂溶于体积比为1：2：1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯以及碳酸甲乙酯组成的混合溶剂中，得到浓度为1mol/L的电解液。
步骤五、将上述制得的正极片1、隔离膜3、负极片2依次层叠后沿同一方向卷绕成裸电芯；然后封装并注入电解液即得到所述的锂离子电池。
实施例3
与实施例1不同的是，负极集流体21铜箔的另一端也设置有第三留白区112，且第三留白区112也焊接有第三导电端子14。其余同实施例1，这里不再赘述。
实施例4
一种改善低温充放电性能的锂离子电池，包括由正极片1、隔离膜3和负极片2依次层叠后沿同一方向卷绕而成的裸电芯，及其电解液，正极片1包括正极集流体11及涂覆在正极集流体11上的正极膜片12，负极片2包括负极集流体21及涂覆在负极集流体21上的负极膜片22，正极集流体11的一端设置有第一留白区111，第一留白区111焊接有第一导电端子13，负极集流体21的一端设置有第二留白区211，第二留白区211焊接有第二导电端子23；正极集流体11的另一端还设置有第三留白区112，第三留白区112焊接有加热电阻片，加热电阻片焊接有第三导电端子14。
该锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
步骤一、正极片1的制备：将镍钴锰酸锂、导电碳、聚偏氟乙烯按质量比96：2：2在N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合均匀制成正极活性浆料，然后将其涂布在正极集流体11铝箔上，在正极集流体11铝箔的一端焊接第一导电端子13，在正极集流体11铝箔的另一端焊接有加热电阻片，加热电阻片焊接有第三导电端子14，制得正极片1。
步骤二、负极片2的制备：将石墨、导电碳、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶按质量比96：1.5：1.5：1在去离子水中混合均匀制成负极活性浆料，然后将其涂布在负极集流体21铜箔上，在负极集流体21铜箔的一端焊接第二导电端子23，制得负极片2。
步骤三、隔离膜3的制备：隔离膜3为12μm的聚乙烯/聚丙烯复合微孔薄膜。
步骤四、电解液的制备：将六氟磷酸锂溶于体积比为1：2：1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯以及碳酸甲乙酯组成的混合溶剂中，得到浓度为1mol/L的电解液。
步骤五、将上述制得的正极片1、隔离膜3、负极片2依次层叠后沿同一方向卷绕成裸电芯；然后封装并注入电解液即得到所述的锂离子电池。
实施例5
一种改善低温充放电性能的锂离子电池，包括由正极片1、隔离膜3和负极片2依次层叠后沿同一方向卷绕而成的裸电芯，及其电解液，正极片1包括正极集流体11及涂覆在正极集流体11上的正极膜片12，负极片2包括负极集流体21及涂覆在负极集流体21上的负极膜片22，正极集流体11的一端设置有第一留白区111，第一留白区111焊接有第一导电端子13，负极集流体21的一端设置有第二留白区211，第二留白区211焊接有第二导电端子23；负极集流体21的另一端还设置有第三留白区112，第三留白区112焊接有加热电阻丝，加热电阻丝焊接有第三导电端子14。
该锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
步骤一、正极片1的制备：将镍钴锰酸锂、导电碳、聚偏氟乙烯按质量比96：2：2在N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合均匀制成正极活性浆料，然后将其涂布在正极集流体11铝箔上，在正极集流体11铝箔的一端焊接第一导电端子13，制得正极片1。
步骤二、负极片2的制备：将石墨、导电碳、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶按质量比96：1.5：1.5：1在去离子水中混合均匀制成负极活性浆料，然后将其涂布在负极集流体21铜箔上，在负极集流体21铜箔的一端焊接第二导电端子23，在负极集流体21铜箔的另一端焊接有加热电阻丝，加热电阻丝焊接有第三导电端子14，制得负极片2。
步骤三、隔离膜3的制备：隔离膜3为12μm的聚乙烯/聚丙烯复合微孔薄膜。
步骤四、电解液的制备：将六氟磷酸锂溶于体积比为1：2：1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯以及碳酸甲乙酯组成的混合溶剂中，得到浓度为1mol/L的电解液。
步骤五、将上述制得的正极片1、隔离膜3、负极片2依次层叠后沿同一方向卷绕成裸电芯；然后封装并注入电解液即得到所述的锂离子电池。
实施例6
与实施例4不同的是，负极集流体21铜箔的另一端也设置有第三留白区112，且第三留白区112也焊接有加热电阻片，加热电阻片也焊接有第三导电端子14。其余同实施例4，这里不再赘述。
实施例7
与实施例4不同的是，正极集流体11铝箔的第三留白区112焊接的导热电阻为正温度系数热敏电阻，其响应温度为20～30℃。其余同实施例4，这里不再赘述。
实施例8
与实施例6不同的是，正极集流体11铝箔和负极集流体21铜箔的第三留白区112焊接的导热电阻均为正温度系数热敏电阻，响应温度为20～30℃。其余同实施例6，这里不再赘述。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (7)
1.一种改善低温充放电性能的锂离子电池，包括由正极片、隔离膜和负极片依次层叠后沿同一方向卷绕而成的裸电芯，及其电解液，所述正极片包括正极集流体及涂覆在所述正极集流体上的正极膜片，所述负极片包括负极集流体及涂覆在所述负极集流体上的负极膜片，其特征在于：所述正极集流体的一端设置有第一留白区，所述第一留白区焊接有第一导电端子，所述负极集流体的一端设置有第二留白区，所述第二留白区焊接有第二导电端子；所述正极集流体和/或负极集流体的另一端还设置有第三留白区，所述第三留白区设置有第三导电端子，所述第三留白区还设置有加热电阻，所述第三导电端子焊接于所述加热电阻，所述加热电阻的厚度为0.01~100μm，所述加热电阻为正温度系数热敏电阻，所述正温度系数热敏电阻的响应温度为20~30℃。
2.根据权利要求1所述的改善低温充放电性能的锂离子电池，其特征在于：所述加热电阻为电阻丝或电阻片。
3.根据权利要求1所述的改善低温充放电性能的锂离子电池，其特征在于：所述加热电阻的阻值大小为0.5Ω~50kΩ。
4.根据权利要求1所述的改善低温充放电性能的锂离子电池，其特征在于：所述电池的表面设置有隔热保温层。
5.一种根据权利要求1所述的改善低温充放电性能的锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、正极片的制备，在正极集流体上涂覆正极活性浆料，然后在正极集流体的一端焊接第一导电端子，在正极集流体的另一端焊接加热电阻，并在加热电阻上焊接第三导电端子，制得正极片；
步骤二、负极片的制备，在负极集流体上涂覆负极活性浆料，然后在负极集流体的一端焊接第二导电端子，制得负极片；
步骤三、将步骤一制得的正极片、隔离膜、以及步骤二制得的负极片依次层叠后沿同一方向卷绕成裸电芯；然后封装并注入电解液即得到所述的锂离子电池。
6.一种根据权利要求1所述的改善低温充放电性能的锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、正极片的制备，在正极集流体上涂覆正极活性浆料，然后在正极集流体的一端焊接第一导电端子，制得正极片；
步骤二、负极片的制备，在负极集流体上涂覆负极活性浆料，然后在负极集流体的一端焊接第二导电端子，在负极集流体的另一端焊接加热电阻，并在加热电阻上焊接第三导电端子，制得负极片；
步骤三、将步骤一制得的正极片、隔离膜、以及步骤二制得的负极片依次层叠后沿同一方向卷绕成裸电芯；然后封装并注入电解液即得到所述的锂离子电池。
7.一种根据权利要求1所述的改善低温充放电性能的锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、正极片的制备，在正极集流体上涂覆正极活性浆料，然后在正极集流体的一端焊接第一导电端子，在正极集流体的另一端焊接加热电阻，并在加热电阻上焊接第三导电端子，制得正极片；
步骤二、负极片的制备，在负极集流体上涂覆负极活性浆料，然后在负极集流体的一端焊接第二导电端子，在负极集流体的另一端焊接加热电阻，并在加热电阻上焊接第三导电端子，制得负极片；
步骤三、将步骤一制得的正极片、隔离膜、以及步骤二制得的负极片依次层叠后沿同一方向卷绕成裸电芯；然后封装并注入电解液即得到所述的锂离子电池。
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Denomination of invention: A lithium-ion battery and its preparation method for improving low-temperature charging and discharging performance Granted publication date: 20190917 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Zhuzhou branch Pledgor: HUNAN LIFANG NEW ENERGY SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980042821 |