CN106784673A - 一种尖晶石型镍锰酸锂电池 - Google Patents

一种尖晶石型镍锰酸锂电池 Download PDF

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Abstract

一种尖晶石型镍锰酸锂电池，正极：镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4：92.0％～95.0％；聚偏氟乙烯：3.0％～6.0％；油性碳纳米管：1.5％～2.5％；SP型导电炭黑：0.5％～1.0％；负极：纳米级中间相碳微球：90.0％～94.0％；羧甲基纤维素钠：1.0％～2.0％；粘结剂：3.0％～6.0％；SP型导电炭黑：0.3％～1.0％；C45型导电炭黑：0.5％～1.8％；KS‑6型导电石墨：1.2％～2.4％。本发明之尖晶石型镍锰酸锂电池工作电压可达4.73V，室温5C连续充放电，1000次循环后容量保持率高于85％，满足小型电动工具、航空、航天及新能源汽车的使用要求。

Description

一种尖晶石型镍锰酸锂电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种尖晶石型镍锰酸锂电池。
背景技术
锂离子电池产品自上世纪90年代商业化以来，已经在数码相机、手机、便携式工具、电动工具等领域取得了巨大成功，但是当社会发展需要将这种成功扩大、普及到更多的应用领域时，现有锂离子电池关键材料及技术也不可避免的暴露出一系列的问题。针对锂离子电池现有的各种正极材料在实际应用的过程中出现的各种问题，以及在动力电池、储能电池、启动电池等领域对新一代锂离子电池材料的安全性、电化学性能、成本等方面提出苛刻的要求，高电位镍锰酸锂正极材料由于其独特的晶体结构和化学成分，是最有希望在锂离子电池技术领域取得革命性突破的。
镍锰酸锂具有尖晶石结构，属于热力学稳定结构，其放电平台可达4.7V左右，最高充电截止电压可达5.2V，因此常规电解液在此条件下的氧化分解问题较为明显，且负极区域的还原性环境增强，这也导致了镍锰酸锂匹配传统的石墨负极材料后，表面的SEI膜形成的动力学发生变化，不能形成有效的SEI去阻止电解液对负极材料的侵蚀，造成该类型锂离子电池的电化学性能和安全性能差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，解决现有尖晶石型镍锰酸锂电池电化学性能和安全性能差的问题，提供一种尖晶石型镍锰酸锂电池。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种尖晶石型镍锰酸锂电池，电池的制备工艺包括叠片和卷绕，电池的外壳种类包括铝壳、钢壳、软包及塑料壳。电池的关键材料包括正极、负极、隔膜、电解液及正负极导电剂。
所述电池的正极，浆料中使用的溶剂为N-甲基吡咯烷酮，且各固体物质质量百分比为：镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4：92.0％～95.0％；聚偏氟乙烯：3.0％～6.0％；油性碳纳米管：1.5％～2.5％；SP型导电炭黑：0.5％～1.0％，各物质的质量百分比的总和为100.0％。
所述电池的负极，浆料中使用的溶剂为去离子水，且各固体物质质量百分比为：纳米级中间相碳微球：90.0％～94.0％；羧甲基纤维素钠：1.0％～2.0％；粘结剂：3.0％～6.0％；SP型导电炭黑：0.3％～1.0％；C45型导电炭黑：0.5％～1.8％；KS-6型导电石墨：1.2％～2.4％；各物质的质量百分比的总和为100.0％。
所述粘结剂为丁苯橡胶乳液、LA132型水性粘合剂、LA133型水性粘合剂中的一种或几种。
所述电池的隔膜，涂覆有涂覆材料，涂覆材料为三氧化二铝、一水合氧化铝、硫酸钡、坡缕石中的一种或几种。
所述电池的电解液，为添加离子液体的六元体系功能材料，离子液体的浓度为0.5～0.8mol/L；电解液中的锂盐为六氟磷酸锂，在电解液中的浓度为0.8～1.2mol/L；电解液中溶剂的体积比为碳酸乙烯酯：碳酸甲乙酯：碳酸乙烯亚乙酯：1，4-丁烷磺内酯：七甲基二硅胺烷：联苯＝2.0～3.0：3.0～4.0：0.5～1.5：1.0～2.0：0.2～0.7：0.5～1.5。
所述的离子液体的阴离子化学结构如式(一)所示：
所述离子液体的阳离子包括季铵离子、哌啶离子、吡咯离子、季鏻离子、吡唑离子、咪唑离子中的一种或几种。所述季铵离子、哌啶离子、吡咯离子、季鏻离子、吡唑离子、咪唑离子的化学结构如式(二)所示：
其中，R1-R4和R18-R21分别独立的选择碳原子数为1-8的烷基或取代烷基；R5、R6、R12、R13、R26、R31分别独立的选择碳原子数为1-6的烷基；R7-R11、R14-R17、R22-R25、R27-R30分别独立的选择氢原子、卤素原子、或碳原子数为1-6的烷基或取代烷基。
本发明的有益效果：
本发明之尖晶石型镍锰酸锂电池，正极材料使用镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4，具有三维大隧道结构，放电平台高，导电性能好，有利于锂离子的扩散，且热力学结构非常稳定，安全性能好，浆料制备程序简单，可操作性强。负极材料使用纳米级中间相碳微球，堆积密度高、单位体积嵌锂容量大、且小球为层状结构，有利于锂离子的嵌入和脱嵌，在充放电过程中边界副反应少，循环性能好。电解液为添加离子液体的六元体系功能材料，具有阻燃性，且能够克服在高电压条件下电解液分解释放气体及固体电解质界面膜不稳定等问题，提高电池的安全性能及电化学性能。隔离膜为涂覆隔膜，具有高强度阻燃性，且对电解液的保液性高，安全性、高温性及循环性好。正极导电剂为油性碳纳米管、SP型导电炭黑的复合，负极导电剂为SP型导电炭黑、C45型导电炭黑及KS-6型导电石墨的复合，各导电剂的协同效应能够提高电池的电化学性能。
本发明之尖晶石型镍锰酸锂电池工作电压可达4.73V，经过新国标GB/T 31484-2015、GB/T 31485-2015、GB/T 31486-2015条件测试，安全性能合格，且在室温条件下，按照5C充放电制度连续充放电，1000次循环后容量保持率高于85％，可满足小型电动工具、航空、航天及新能源汽车的使用要求。
附图说明
图1为实施例1所得电池的循环性能数据结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
以下实施例中，除特别说明外，物质的配比为质量比或质量百分比。
实施例1
正极浆料：
镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4：聚偏氟乙烯：油性碳纳米管：SP型导电炭黑＝93.0％：4.5％：1.5％：1.0％。按计量比准备聚偏氟乙烯和正极浆料溶剂N-甲基吡咯烷酮，先加N-甲基吡咯烷酮再加聚偏氟乙烯，使聚偏氟乙烯浓度为5.0wt％；公转40rpm、自转300rpm搅拌15min刮料后进行正常搅拌，公转45rpm、自转2400rpm真空搅拌3h；按计量比加入油性碳纳米管和SP型导电炭黑，公转45rpm、自转500rpm搅拌20min刮料后，公转55rpm、自转2400rpm，真空搅拌2h；按计量比加入镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4，公转55rpm、自转2400rpm搅拌15min刮料后进行正常搅拌，公转65rpm、自转2600rpm搅拌150min。浆料搅拌好后调粘度，依据固含量由高到低顺序进行调整，每次调节时间为30min，公转35rpm，自转1200rpm；粘度要求6000～8000cp；参考固含量48～55wt％。合格浆料转移至上料系统，经涂布、干燥、辊压、模切、刷粉等程序制得满足技术要求的正极极片。
负极浆料：
纳米级中间相碳微球：羧甲基纤维素钠：丁苯橡胶乳液：SP型导电炭黑：C45型导电炭黑：KS-6型导电石墨＝91.5％：1.5％：4.5％：0.5％：0.5％：1.5％。按计量比准备羧甲基纤维素钠和去离子水，先加去离子水再加羧甲基纤维素钠，使羧甲基纤维素钠浓度为6wt％；公转45rpm、自转600rpm搅拌15min刮料后进行正常搅拌，公转35rpm、自转2600rpm、搅拌120分钟；加入丁苯橡胶乳液，公转45rpm、自转500rpm搅拌90分钟；按计量比加入SP型导电炭黑、C45型导电炭黑、KS-6型导电石墨和纳米级中间相碳微球，公转55rpm、自转800rpm搅拌30min刮料后进行正常搅拌，公转60rpm、自转2400rpm搅拌180min。浆料搅拌好后调粘度，依据固含量由高到低顺序进行调整，每次调节时间为30min，公转30rpm，自转800rpm；粘度要求2000～3500cp；参考固含量42～47wt％。合格浆料转移至上料系统，经涂布、干燥、辊压、模切、刷粉等程序制得满足技术要求的负极极片。
所述电池的隔膜，涂覆有涂覆材料，涂覆材料为硫酸钡。
所述电池的电解液，为添加离子液体的六元体系功能材料，离子液体的浓度为0.7mol/L；电解液中锂盐为六氟磷酸锂，在电解液中的浓度为0.9mol/L，电解液中溶剂的体积比为碳酸乙烯酯：碳酸甲乙酯：碳酸乙烯亚乙酯：1，4-丁烷磺内酯：七甲基二硅胺烷：联苯＝2.5：3.5：1.0：1.5：0.5：1.0。其中阴阳离子化学结构如式(三)和式(四)：
将制备合格的正极极片、负极极片与硫酸钡隔膜一起经过叠片机制备出额定容量为
10.0AH的电芯，并进行装配，注液、搁置、化成及分容等程序。检测电芯各项指标，合格后入库。对电池性能进行检测，检测结果如下表所示。所得电池的循环性能数据如图1所示。
电池相关性能测试方法要求按照GB/T 31484-2015、GB/T 31485-2015、GB/T31486-2015标准执行(以下同)。
电压 能量密度 内阻 穿刺、挤压、跌落、过充、鼓胀等试验
4.73V 245WH/Kg 0.42mΩ 有烟、不燃烧、不爆炸、不鼓胀
上面所述的实施例仅是对本发明的优先实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种尖晶石型镍锰酸锂电池，其特征在于，所述电池包括正极、负极、隔膜、电解液及正负极导电剂；
所述电池的正极，浆料中使用的溶剂为N-甲基吡咯烷酮，且各固体物质质量百分比为：镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4：92.0％～95.0％；聚偏氟乙烯：3.0％～6.0％；油性碳纳米管：1.5％～2.5％；SP型导电炭黑：0.5％～1.0％，各物质的质量百分比的总和为100.0％；
所述电池的负极，浆料中使用的溶剂为去离子水，且各固体物质质量百分比为：纳米级中间相碳微球：90.0％～94.0％；羧甲基纤维素钠：1.0％～2.0％；粘结剂：3.0％～6.0％；SP型导电炭黑：0.3％～1.0％；C45型导电炭黑：0.5％～1.8％；KS-6型导电石墨：1.2％～2.4％；各物质的质量百分比的总和为100.0％。
2.根据权利要求1所述的尖晶石型镍锰酸锂电池，其特征在于，所述粘结剂为丁苯橡胶乳液、LA132型水性粘合剂、LA133型水性粘合剂中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的尖晶石型镍锰酸锂电池，其特征在于，所述电池的隔膜，涂覆有涂覆材料，涂覆材料为三氧化二铝、一水合氧化铝、硫酸钡、坡缕石中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的尖晶石型镍锰酸锂电池，其特征在于，所述电池的电解液，为添加离子液体的六元体系功能材料，离子液体的浓度为0.5～0.8mol/L；电解液中的锂盐为六氟磷酸锂，在电解液中的浓度为0.8～1.2mol/L；电解液中溶剂的体积比为碳酸乙烯酯：碳酸甲乙酯：碳酸乙烯亚乙酯：1，4-丁烷磺内酯：七甲基二硅胺烷：联苯＝2.0～3.0：3.0～4.0：0.5～1.5：1.0～2.0：0.2～0.7：0.5～1.5。
5.根据权利要求4所述的尖晶石型镍锰酸锂电池，其特征在于，所述的离子液体的阴离子化学结构如式(一)所示：
所述离子液体的阳离子包括季铵离子、哌啶离子、吡咯离子、季鏻离子、吡唑离子、咪唑离子中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的尖晶石型镍锰酸锂电池，其特征在于，所述季铵离子、哌啶离子、吡咯离子、季鏻离子、吡唑离子、咪唑离子的化学结构如式(二)所示：
其中，R1-R4和R18-R21分别独立的选择碳原子数为1-8的烷基或取代烷基；R5、R6、R12、R13、R26、R31分别独立的选择碳原子数为1-6的烷基；R7-R11、R14-R17、R22-R25、R27-R30分别独立的选择氢原子、卤素原子、或碳原子数为1-6的烷基或取代烷基。
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