CN106784614A - 一种高安全性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制备领域，具体的说是一种高安全性锂离子电池及其制备方法，其主要通过在负极极片表面涂覆安全性涂覆层以提高负极极片的安全性能，其涂覆层是由：锂盐、功能性物质、导电高分子、聚合物组成。其功能性物质为链状磷酸酯，在电池温度过高时，链状磷酸酯发生开环聚合，使其涂覆层膨胀造成其内阻增大，同时在正常状况下具有与电解液较好的相容性，而锂盐具有锂离子导电性高的特点，为大倍率充放电过程中提供充足的锂离子，避免负极极片析锂造成安全隐患，而聚合物材料和高分子材料具有较好的粘结性，降低其材料的界面电阻及其利用导电高分子材料的导电性及其热塑性，提高其材料的加工性能及其在材料变形条件下仍然发挥其材料的各项电化学性能，其最终制备的锂离子电池的安全性能。

Description

一种高安全性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制备领域，具体的说是一种高安全性锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是近几年发展起来的一种新型储能装置，并以其能量密度高、循环性能好、环境友好及其安全性能佳等优点而广泛应用于电动汽车等领域，但是随着人们对电动汽车等要求的提高，即要求具有更高的续航里程、更高的安全性能及其更宽泛的使用环境，从而要求电动汽车所用锂离子电池具有在具有高的能量密度的同时，安全性能也要求得到保证。由于影响锂离子电池的安全因素主要是来自锂离子电池的热失控及其负极析锂产生的着火、爆炸等危险源，而降低负极极片表面析锂则可以从根本上降低锂离子电池带来的安全隐患。
负极极片涂覆技术是近几年发展起来一种新型技术，即在负极极片表面涂覆一种安全性涂覆层，降低锂离子电池表面析锂带来的安全风险并降低其热时空发生的机率。目前国内大多在负极极片表面涂覆阻燃性的高分子聚合物，以在锂离子电池出现热失控时，降低锂离子电池着火等安全因素发生的机率，比如专利（CN104332588A）公开了一种高安全性锂离子电池负极极片、制备方法和应用，其主要在负极极片表面涂覆一层隔离层，起隔离层中含有粘结剂0.02～0.2份、导电剂 A0.02～0.2份、有机锂化合物0.01～0.1 份、成膜剂0.01～0.1份、溶剂A1份，虽然有机锂化合物可以降低锂析出产生枝晶刺破隔膜的机率，但是由于有机锂属于有机化合物，虽然可以提高锂离子的传输速率避免产生极片析锂，但是存在着火点低，易燃烧等缺点，在小于250℃的可以提高锂离子的安全性能，但是在锂离子电池温度瞬间达到300℃甚至更高的时候，其安全性能并未得到改善，甚至出现安全性能更低的后果。因此开发出阻燃温度更高的负极极片涂覆层显得非常必要，并改善锂离子电池的安全性能。
发明内容
针对目前高能量密度锂离子电池安全性能差等方面存在的不足，本发明的目的是通过制备出阻燃温度高、锂离子传输速率高的无机锂/阻燃剂复合浆料，并涂敷在负极极片上，在降低大倍率条件下极片析锂发生的概率条件下，还可以提高极片的阻燃性能，并因此提高锂离子电池的安全性能。
一种高安全性锂离子电池及其制备方法，其特征在于，锂离子电池是由三元正极材料、复合负极极片、功能性电解液及其陶瓷隔膜组成。其复合负极极片是由负极活性物质层及其涂敷在表面的涂覆层组成，其涂覆层是由：锂盐、功能性物质、导电高分子、聚合物组成。其制备过程为：
1）首先将（5～10）份的聚合物溶于有机溶剂中，搅拌均匀后，并在（0～4）℃的低温条件下添加（1～3）份导电高分子单质，之后再添加（60～80）份的功能性物质并超声分散均匀后，再添加（5～10）份锂盐，并搅拌均匀得到混合溶液；
2）之后采用电化学沉积法，以石墨负极极片为工作电极、铂电极为对电极，在其负极极片表面沉积涂覆层，之后采用0.1mol/L的碳酸甲乙酯清洗表面，干燥最后得到高致密度的复合负极极片。
所述的锂盐为偏铝酸锂、锆酸锂、铌酸锂、钼酸锂、钽酸锂和钨酸锂中的一种；
所述的功能性物质为链状磷酸酯，即磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三丙酯、磷酸三丁酯、磷酸三芳酯中的一种；
所述的导电高分子为聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯中的一种；
所述的聚合物是由（50～70）份聚偏氟乙烯、（10～30）份聚二氟乙烯、（10～30）份聚丙二醇、（10～20）份羧甲基纤维素组成的复合聚合物；
所述的步骤（1）中的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲亚砜、四甲基脲中的一种。
所述的步骤（2）电化学沉积法采用循环伏安法、恒压法、恒流法中的一种。
有益效果：
1）在负极极片表面采用电化学沉积法沉积锂盐、阻燃聚合物及其高分子材料，较采用化学法，具有在负极极片沉积致密、均匀及其过程可控等优点，且粘结剂在高电压下具有稳定性等优点，同时与采用化学法相比，沉积厚度更薄，对提高极片能量密度更有益。
2）采用在无机锂盐中掺杂阻燃聚合物材料，不但可以利用无机锂盐锂离子导电率高的特性提高了锂离子电池的传导速率，降低了锂离子电池析锂产生的枝晶刺破隔膜的机率，提高其安全性能，同时在大倍率条件下，为锂离子的传输提供充足的锂离子，提高其倍率性能，从而提高其锂离子电池的快充快放性能，并可以提高大倍率条件下锂离子的传输速率。阻燃剂聚合物在温度过高时，形成保护膜，增大内阻，降低其锂离子电池热失控发生的机率。
附图说明
图1、实施例1制备出的极片的SEM电镜图；
图2、实施例1制备出的锂离子电池的倍率放电曲线图；
图3、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
石墨负极极片制备方法：称取90g人造石墨、5g碳纳米管、5gLA132粘结剂添加到150ml的二次蒸馏水中搅拌均匀得到负极浆料，之后经过涂布、辊切得到负极极片。
实施例1
聚合物粉末配制：将60g的聚偏氟乙烯、20g的聚二氟乙烯、10g的聚丙二醇、10g羧甲基纤维素混合后得到聚合物混合粉末。
1）称取8g的聚合物混合粉末溶于100ml的N-甲基吡咯烷酮有机溶剂中，搅拌均匀后，并在0℃的低温条件下添加2g苯胺单质，之后再添加70g的链状磷酸酯并超声分散均匀后，再添加8g偏铝酸锂，并搅拌均匀得到混合溶液A；
2）之后循环伏安法（电压-2V-2V，扫描速度0.5mV/s，扫描20周），以石墨负极极片为工作电极、铂电极为对电极，电解液为步骤（1）中的混合溶液A，在其负极极片表面沉积涂覆层，之后采用0.1mol/L的碳酸甲乙酯清洗表面，干燥最后得到高致密度的复合负极极片。
实施例2
聚合物粉末配制:称取由50g的聚偏氟乙烯、10g的聚二氟乙烯、30g的份聚丙二醇、10g的羧甲基纤维素混合均匀得到复合聚合物
1）首先将5g的聚合物溶于500ml的二甲基甲酰胺有机溶剂中，搅拌均匀后，并在4℃的低温条件下添加1g吡咯单质，之后再添加60g的磷酸三乙酯并超声分散均匀后，再添加5g锆酸锂，并搅拌均匀得到混合溶液A；
2）之后采用恒压法（电压2V，时间10min），以石墨负极极片为工作电极、铂电极为对电极，电解液为步骤（1）中的混合溶液A，在其负极极片表面沉积涂覆层，之后采用0.1mol/L的碳酸甲乙酯清洗表面，干燥最后得到高致密度的复合负极极片。
实施例3
聚合物粉末配制：称取70g的聚偏氟乙烯、10g的聚二氟乙烯、10的聚丙二醇、10g的羧甲基纤维素混合均匀后得到复合聚合物；
1）首先将10g的复合聚合物溶于500ml的二甲基乙酰胺有机溶剂中，搅拌均匀后，并在2℃的低温条件下添加3g的聚噻吩单质，之后再添加80g的磷酸三丙酯功能性物质并超声分散均匀后，再添加10g铌酸锂，并搅拌均匀得到混合溶液A；
2）之后采用恒流法（电流密度50mA/cm2，时间10min），以石墨负极极片为工作电极、铂电极为对电极，电解液为步骤（1）中的混合溶液A,在其负极极片表面沉积涂覆层，之后采用0.1mol/L的碳酸甲乙酯清洗表面，干燥最后得到高致密度的复合负极极片。
对比例1：以石墨负极极片作为对比例；
1）电化学性能测试：
实验例
本实验例对实施例1-3和对比例1所得复合正极片的性能进行测试。
以实施例1-3和对比例所得复合负极片和对比例所得负极片为负极，以磷酸铁锂为正极，LiPF6/EC+DEC（体积比1:1，1.3mol/L）为电解液，Celgard 2400膜为隔膜，分别制备出5Ah软包电池A1、A2、A3及其软包电池B。
（1）物化性能测试
对实施例1的复合负极片及对比例的负极片进行扫描电镜测试；图2为对比例的负极片的SEM图。从图1可以看出，实施例1所得复合负极片的表面粗糙，孔隙率明显增加。
（2）电化学性能测试
直流内阻测试：测试方法参考《FreedomCAR电池测试手册》，结果见下表1。
针刺短路试验：测试方法见UL2054安全标准测试标准，结果见下表1。
表1 采用实施例的复合负极片及对比例的负极片的锂离子电池性能比较
从表1可以看出，相对于对比例，采用实施例1-3的复合负极片的锂离子电池具有较低的直流内阻、高的安全性系数和循环容量保持率。原因在于：本发明的复合负极片具有功能性涂层物质，提高了锂离子电池的安全系数；锂离子电池在短路等非正常使用情况时，电池局部温度过高，功能性涂层物质具有较高的耐高温和散热性能，提高了电池的安全性能；同时，由于复合负极片中具有提高电子传输率锂沉积层，提高了锂离子电池的循环性能并降低了电池内阻。
B）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：
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，负极极片表面沉积的锂盐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，同时采用电化学法沉积锂盐具有致密度高、稳定性强等特点，从而提高其锂离子电池的倍率性能。

Claims (7)

1.一种高安全性锂离子电池及其制备方法，其特征在于，锂离子电池是由三元正极材料、复合负极极片、功能性电解液及其陶瓷隔膜组成，其复合负极极片是由负极活性物质层及其涂敷在表面的涂覆层组成，其涂覆层是由：锂盐、功能性物质、导电高分子、聚合物组成，其制备过程为：首先将（5～10）份的聚合物溶于有机溶剂中，搅拌均匀后，并在（0～4）℃的低温条件下添加（1～3）份导电高分子单质，之后再添加（60～80）份的功能性物质并超声分散均匀后，再添加（5～10）份锂盐，并搅拌均匀得到混合溶液；2）之后采用电化学沉积法，以石墨负极极片为工作电极、铂电极为对电极，在其负极极片表面沉积涂覆层，之后采用0.1mol/L的碳酸甲乙酯清洗表面，干燥最后得到高致密度的复合负极极片。
2.根据权利要求1所述的一种高安全性锂离子电池及其制备方法，其特征在于，所述的锂盐为偏铝酸锂、锆酸锂、铌酸锂、钼酸锂、钽酸锂和钨酸锂中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种高安全性锂离子电池及其制备方法，其特征在于，所述的功能性物质为链状磷酸酯，即磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三丙酯、磷酸三丁酯、磷酸三芳酯中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种高安全性锂离子电池及其制备方法，其特征在于，所述的导电高分子为聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种高安全性锂离子电池及其制备方法，其特征在于，所述的聚合物是由（50～70）份聚偏氟乙烯、（10～30）份聚二氟乙烯、（10～30）份聚丙二醇、（10～20）份羧甲基纤维素组成的复合聚合物。
6.根据权利要求1所述的一种高安全性锂离子电池及其制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲亚砜、四甲基脲中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种高安全性锂离子电池及其制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）电化学沉积法采用循环伏安法、恒压法、恒流法中的一种。
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