CN106784992A - 一种动力钛酸锂电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力钛酸锂电池及其制备方法，动力钛酸锂电池包括正极片、负极片、电解液、壳体和隔膜，制作所述正极片的正极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：三元材料96.8‑98.1％，碳纳米管1‑2％，聚偏氟乙烯0.9‑1.2％；制作所述负极片的负极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：钛酸锂93‑97％，碳纳米管1‑3％，聚偏氟乙烯2‑4％。本发明的动力钛酸锂电池提升了锂离子电池的功率密度和安全性，能够百分之百通过针刺，提升高倍率充放电性能，并且可以在‑20℃下充电，不会影响电池性能。

Description

一种动力钛酸锂电池及其制备方法
技术领域
本发明属于电池制作领域，具体涉及一种动力钛酸锂电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是目前手机、笔记本电脑、新能源汽车、储能等现代数码及动力产品中应用最广泛的电池，而钛酸锂电池作为锂离子电池中的一种，由于其的高安全性、高倍率性、充放电环境温度适应性好(-30-70℃)、长寿命和绿色环保的特点，当前已经被广泛应用在二次电池中，当今现有的正极镍钴锰酸锂、负极钛酸锂电池能量密度低，电压平台低，正极镍钴锰酸锂、负极石墨/硅碳电池产品的安全性能、高倍率充放电环境温度适应性、循环性能差，比如基本通过不了针刺，电池的热稳定性差，内部短路后容易热扩散，爆炸起火，循环性能1C充放5C低于1000周，重量充电比功率低于200WH/Kg，低温(零度以下)不能充电或者出现安全问题，如此种种问题限制了锂电池的发展。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种动力钛酸锂电池，该动力钛酸锂电池提升了正极镍钴锰酸锂(或镍钴铝酸锂)、负极钛酸锂电池的使用电压平台，改善正极镍钴锰酸锂(或镍钴铝酸锂)、负极石墨/硅碳电池功率密度和安全性能，能够百分之百通过针刺，提升高倍率充放电性能、长循环性能，并且可以在-20℃下充电，不会影响电池性能。
实现本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种动力钛酸锂电池，包括正极片、负极片、电解液、壳体和隔膜，其特征在于，制作所述正极片的正极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：三元材料96.8-98.1％，碳纳米管1-2％，聚偏氟乙烯0.9-1.2％；制作所述负极片的负极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：钛酸锂93-97％，碳纳米管1-3％，聚偏氟乙烯2-4％。
优选地，三元材料为镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂中的一种。
优选地，所述镍钴锰酸锂中镍、钴、锰的元素质量比例为8：1：1，其中，镍钴锰酸锂中镍、钴、锰的比例分别可以在80-90％、8-15％、2-10％这一比例范围内进行调节，调节合适的配比为止。
优选地，所述镍钴铝酸锂中镍、钴、铝的元素质量比例为8.2：1.5：0.3，其中，镍钴铝酸锂中镍、钴、铝的比例分别可以在80-90％、8-15％、2-10％这一比例范围内进行调节，调节合适的配比为止。
优选地，正极片制作步骤如下：
1-1)按配比将三元材料、聚偏氟乙烯倒入打浆机中，先以25r/min的转速公转40min，然后加入碳纳米管的浆料及N-甲基吡咯烷酮，再以48r/min转速的公转、以1700r/min的转速自转，共转动90min，得到第一浆料；
1-2)再将第一浆料用高速分散机进行分散，分散的转速为3000-4000r/min，分散粘度达到3000-7000mPa·s，分散完毕；
1-3)然后用喷涂设备将分散后的第一浆料按照75-90g/㎡的面密度涂覆在14-20μm厚的铝箔上，烘干得到第一极片；
1-4)最后，将第一极片按压3.4-3.7g/mm3的压实密度进行滚压，得到正极片。
优选地，负极片制作步骤如下：
2-1)按配比将钛酸锂、聚偏氟乙烯倒入打浆机中，以25r/min的转速公转60min，然后加入碳纳米管的浆料，再加入占原重量四分之三的N-甲基吡咯烷酮，再以48r/min转速的公转、以1500r/min的转速自转，共转动90min，再加入剩余的四分之一重量的N-甲基吡咯烷酮，继续以公转48r/min转速的公转、1700r/min转速的自转打制30min，得到第二浆料；
2-2)再将第二浆料用高速分散机进行分散，分散的转速为3000-5000r/min，分散粘度达到3000-7000mPa·s，分散完毕；
2-3)然后用喷涂设备将分散后的第二浆料按照90-110g/㎡的面密度涂覆在14-20μm厚的铝箔上，烘干得到第二极片；
2-4)最后，将第二极片按压1.8-2.1g/mm3的压实密度进行滚压，得到负极片。
本发明还提供一种动力钛酸锂电池的制备方法，包括以下步骤：
1)准备正极片、负极片；
2)然后将步骤1)得到的正极片和负极片分别进行烘烤除湿；
3)再在湿度为≦1％RH，温度为22-28℃条件下，对正极片和负极片按所需尺寸进行裁剪；
4)裁剪后，将正极片和负极片用隔膜隔离后，放入真空烤箱中，将真空烤箱内抽真空后，充入氮气，进行烘烤，得到卷芯；
5)将卷芯放入壳体中，向壳体内注入电解液，密封，得到电芯；
6)在温度为35-45℃条件下，将电芯活化24-72h，然后置于化成柜中，化成至电压为2.65-2.85V结束；
7)再将化成后的电芯放置于温度为35-45℃的条件下，老化5天，然后对电芯进行电压内阻筛选，将筛选合格的电芯在温度为35-45℃的条件下，继续老化5天；
8)最后通过配组机，将电芯筛选成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、FQC外观全检合格后的电芯，OQC全检合格后出货。
优选地，步骤4)中烘烤的温度为75-95℃，压力为-40至-90MPa，烘烤10-36h，使卷芯中的水分含量≤150PPM。
优选地，步骤5)中向壳体内注入电解液的条件为温度20-25℃，露点≦-35℃。
优选地，步骤7)中合格电芯的标准为分容单充电压控制在2.0-2.6V。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的动力钛酸锂电池正极配方中使用了包覆的新型三元镍钴锰酸锂/镍钴铝酸锂作为正极活性物，因为其比能量大，电压电位为4.2-4.4V，高于常规的4.2V，同时负极使用新型的钛酸锂，提高了钛酸锂的高克容量，导电剂使用碳纳米管优良的导电性能，及网状导电性能，解决了钛酸锂作为负极使用时活性物占比少，电池比能量低的问题，同时将负极中粘结剂的含量减少1/3的使用量，将活性物比例进一步提升，涂布过程中面密度的降低减少了PVDF粘结剂的使用，能更好的增强导电性，并提升活性物比例及电芯综合性能；同时因为负极使用了高容的钛酸锂，正极的活性物使用了综合性能更好的包覆的新型三元镍钴锰酸锂/镍钴铝酸锂材料，将电池的使用电压平台提高，提升安全性、充放电倍率，尤其是突破锂离子电池低温不能充电的问题及循环性能提升到新的高度，综合性能完全超过国家标准要求；
2、本发明的制备方法制备得到的动力钛酸锂电池提升了正极镍钴锰酸锂、负极钛酸锂电池的使用电压平台，改善正极镍钴锰酸锂、负极石墨/硅碳电池功率密度和安全性能，能够百分之百通过针刺，提升高倍率充放电性能，并且可以在-20℃下充电，不会影响电池性能；
3、本发明的制备方法制备得到的动力钛酸锂电池可以通过GBT31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求，包括：过充电、过放电、短路、跌落、加热、挤压、针刺、海水浸泡、温度循环、低气压等安全测试要求，循环性能10C充10C放循环10000周容量保持率>80％(现有的产品为1C充10C放1500周，容量保持率<80％)、重量充电比功率高为780WH/Kg(现有产品为200WH/Kg)。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述：
实施例1
一种动力钛酸锂电池，包括正极片、负极片、电解液、壳体和隔膜，制备正极片所需的正极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：镍钴锰酸锂98％，碳纳米管1％，聚偏氟乙烯1％，其中，镍钴锰酸锂中镍、钴、锰的元素质量比例为80％：10％：10％；制备负极片所需的负极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：钛酸锂95％，碳纳米管2％，聚偏氟乙烯3％。
该动力钛酸锂电池的制备方法如下：
1)制作正极片：
1-1)按配比将三元材料、聚偏氟乙烯倒入打浆机中，先以25r/min的转速公转40min，然后加入碳纳米管的浆料及N-甲基吡咯烷酮，再以48r/min转速的公转、以1700r/min的转速自转，共转动90min，得到第一浆料；
1-2)再将第一浆料用高速分散机进行分散，分散的转速为3000r/min，分散粘度达到3000mPa·s，分散完毕；
1-3)然后用喷涂设备将分散后的第一浆料按照75g/㎡的面密度涂覆在14μm厚的铝箔上，烘干得到第一极片；
1-4)最后，将第一极片按压3.4g/mm3的压实密度进行滚压，得到正极片；
2)制作负极片：
2-1)按配比将钛酸锂、聚偏氟乙烯倒入打浆机中，以25r/min的转速公转60min，然后加入碳纳米管的浆料，再加入占原重量四分之三的N-甲基吡咯烷酮，再以48r/min转速的公转、以1500r/min的转速自转，共转动90min，再加入剩余的四分之一重量的N-甲基吡咯烷酮，继续以公转48r/min转速的公转、1700r/min转速的自转打制30min，得到第二浆料；
2-2)再将第二浆料用高速分散机进行分散，分散的转速为3000r/min，分散粘度达到3000mPa·s，分散完毕；
2-3)然后用喷涂设备将分散后的第二浆料按照90g/㎡的面密度涂覆在14μm厚的铝箔上，烘干得到第二极片；
2-4)最后，将第二极片按压1.9g/mm3的压实密度进行滚压，得到负极片；
3)然后将步骤1)得到的正极片和步骤2)得到的负极片分别进行烘烤除湿；
4)再在湿度为≦1％RH，温度为22℃条件下，对正极片和负极片按所需尺寸进行裁剪；
5)裁剪后，将正极片和负极片用隔膜隔离后，放入真空烤箱中，将真空烤箱内抽真空后，充入氮气，进行烘烤，烘烤的温度为75℃，压力为-90MPa，烘烤13h，使卷芯中的水分含量≤150PPM，得到卷芯；
6)将卷芯放入壳体中，在条件为温度20℃，露点-35℃以下，向壳体内注入电解液，密封，得到电芯；
7)在温度为35℃条件下，将电芯活化24h，然后置于化成柜中，化成至电压为2.8V结束；
8)再将化成后的电芯放置于温度为35℃的条件下，老化5天，然后对电芯进行电压内阻筛选，将筛选合格的电芯即分容单充电压控制在2.3-2.5V的电芯，在温度为35℃的条件下，继续老化5天；
9)最后通过配组机，将电芯筛选成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、FQC外观全检合格后的电芯，OQC全检合格后出货。
实施例2
一种动力钛酸锂电池，包括正极片、负极片、电解液、壳体和隔膜，制作正极片所需的正极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：镍钴铝酸锂97.5％，碳纳米管1.5％，聚偏氟乙烯1％，其中，镍钴铝酸锂中镍、钴、铝的元素质量比例为85％：10％：5％；制作负极片所需的负极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：钛酸锂95.5％，碳纳米管2％，聚偏氟乙烯2.5％。
该动力钛酸锂电池的制备方法如下：
1)制作正极片：
1-1)按配比将三元材料、聚偏氟乙烯倒入打浆机中，先以25r/min的转速公转40min，然后加入碳纳米管的浆料及N-甲基吡咯烷酮，再以48r/min转速的公转、以1700r/min的转速自转，共转动90min，得到第一浆料；
1-2)再将第一浆料用高速分散机进行分散，分散的转速为3500r/min，分散粘度达到5000mPa·s，分散完毕；
1-3)然后用喷涂设备将分散后的第一浆料按照80g/㎡的面密度涂覆在18μm厚的铝箔上，烘干得到第一极片；
1-4)最后，将第一极片按压3.5g/mm3的压实密度进行滚压，得到正极片；
2)制作负极片：
2-1)按配比将钛酸锂、聚偏氟乙烯倒入打浆机中，以25r/min的转速公转60min，然后加入碳纳米管的浆料，再加入占原重量四分之三的N-甲基吡咯烷酮，再以48r/min转速的公转、以1500r/min的转速自转，共转动90min，再加入剩余的四分之一重量的N-甲基吡咯烷酮，继续以公转48r/min转速的公转、1700r/min转速的自转打制30min，得到第二浆料；
2-2)再将第二浆料用高速分散机进行分散，分散的转速为4000r/min，分散粘度达到5000mPa·s，分散完毕；
2-3)然后用喷涂设备将分散后的第二浆料按照90-110g/㎡的面密度涂覆在18μm厚的铝箔上，烘干得到第二极片；
2-4)最后，将第二极片按压2g/mm3的压实密度进行滚压，得到负极片；
3)然后将步骤1)得到的正极片和步骤2)得到的负极片分别进行烘烤除湿；
4)再在湿度为≦1％RH，温度为25℃条件下，对正极片和负极片按所需尺寸进行裁剪；
5)裁剪后，将正极片和负极片用隔膜隔离后，放入真空烤箱中，将真空烤箱内抽真空后，充入氮气，进行烘烤，烘烤的温度为80℃，压力为-70MPa，烘烤28h，使卷芯中的水分含量≤150PPM，得到卷芯；
6)将卷芯放入壳体中，在条件为温度22℃，露点-40℃以下，向壳体内注入电解液，密封，得到电芯；
7)在温度为40℃条件下，将电芯活化48h，然后置于化成柜中，化成至电压为2.8V结束；
8)再将化成后的电芯放置于温度为40℃的条件下，老化5天，然后对电芯进行电压内阻筛选，将筛选合格的电芯即分容单充电压控制在2.1-2.4V的电芯，在温度为40℃的条件下，继续老化5天；
9)最后通过配组机，将电芯筛选成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、FQC外观全检合格后的电芯，OQC全检合格后出货。
实施例3
一种动力钛酸锂电池，包括正极片、负极片、电解液、壳体和隔膜，制作正极片所需的正极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：镍钴铝酸锂96.8％，碳纳米管2％，聚偏氟乙烯1.2％，其中，镍钴铝酸锂中镍、钴、铝的元素质量比例为82％:15％:3％；制作负极片所需的负极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：钛酸锂97％，碳纳米管3％，聚偏氟乙烯4％。
该动力钛酸锂电池的制备方法如下：
1)制作正极片：
1-1)按配比将三元材料、聚偏氟乙烯倒入打浆机中，先以25r/min的转速公转40min，然后加入碳纳米管的浆料及N-甲基吡咯烷酮，再以48r/min转速的公转、以1700r/min的转速自转，共转动90min，得到第一浆料；
1-2)再将第一浆料用高速分散机进行分散，分散的转速为3000-4000r/min，分散粘度达到7000mPa·s，分散完毕；
1-3)然后用喷涂设备将分散后的第一浆料按照90g/㎡的面密度涂覆在20μm厚的铝箔上，烘干得到第一极片；
1-4)最后，将第一极片按压3.55g/mm3的压实密度进行滚压，得到正极片；
2)制作负极片：
2-1)按配比将钛酸锂、聚偏氟乙烯倒入打浆机中，以25r/min的转速公转60min，然后加入碳纳米管的浆料，再加入占原重量四分之三的N-甲基吡咯烷酮，再以48r/min转速的公转、以1500r/min的转速自转，共转动90min，再加入剩余的四分之一重量的N-甲基吡咯烷酮，继续以公转48r/min转速的公转、1700r/min转速的自转打制30min，得到第二浆料；
2-2)再将第二浆料用高速分散机进行分散，分散的转速为5000r/min，分散粘度达到7000mPa·s，分散完毕；
2-3)然后用喷涂设备将分散后的第二浆料按照110g/㎡的面密度涂覆在20μm厚的铝箔上，烘干得到第二极片；
2-4)最后，将第二极片按压2.1g/mm3的压实密度进行滚压，得到负极片；
3)然后将步骤1)得到的正极片和步骤2)得到的负极片分别进行烘烤除湿；
4)再在湿度为≦1％RH，温度为28℃条件下，对正极片和负极片按所需尺寸进行裁剪；
5)裁剪后，将正极片和负极片用隔膜隔离后，放入真空烤箱中，将真空烤箱内抽真空后，充入氮气，进行烘烤，烘烤的温度为95℃，压力为-80MPa，烘烤36h，使卷芯中的水分含量≤150PPM，得到卷芯；
6)将卷芯放入壳体中，在条件为温度25℃，露点-45℃以下，向壳体内注入电解液，密封，得到电芯；
7)在温度为45℃条件下，将电芯活化72h，然后置于化成柜中，化成至电压为2.75V结束；
8)再将化成后的电芯放置于温度为45℃的条件下，老化5天，然后对电芯进行电压内阻筛选，将筛选合格的电芯即分容单充电压控制在2.0-2.3V的电芯，在温度为45℃的条件下，继续老化5天；
9)最后通过配组机，将电芯筛选成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、FQC外观全检合格后的电芯，OQC全检合格后出货。
对比例1
正极干粉料配方为镍钴锰酸锂95.5％、碳纳米管1％、导电石墨1.5％、聚偏氟乙烯2％；负极干粉料配方为：石墨95.5％、导电炭黑1％、羧甲基纤维素钠1.5％、丁苯橡胶2％。按照常规的电池制作工艺，制作得到锂离子电池A。
对比例2
正极干粉料配方为镍钴锰酸锂93％、导电炭黑3％、导电石墨1％、聚偏氟乙烯3％；负极干粉料配方为钛酸锂92％、导电炭黑4％、聚偏氟乙烯4％。按照常规的电池制作工艺，制作得到锂离子电池B。测试例
根据GBT 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求，对实施例1-3以及对比例1-2的电池进行性能检测，检测结果如下：
表1电池性能检测表
由上表可见，对比例1-2的锂离子电池针刺性能不能百分百通过，且重量充电比功率高大，低温不能充电尤其零下气温严禁充电，循环性能差，终止电压高，电池的放电平台高，比能量高，而实施例1-3的钛酸锂电池的放电平台低，提升安全性、充放电倍率，尤其是突破锂离子电池低温不能充电的问题，循环性能提升到新的高度，综合性能完全超过国家标准要求，是高电压、高安全、高倍率充放，长寿命型的动力钛酸锂锂离子电池。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动力钛酸锂电池，包括正极片、负极片、电解液、壳体和隔膜，其特征在于，制作所述正极片的正极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：三元材料96.8-98.1％，碳纳米管1-2％，聚偏氟乙烯0.9-1.2％；制作所述负极片的负极干粉是由以下质量百分含量的组分制备而成：钛酸锂93-97％，碳纳米管1-3％，聚偏氟乙烯2-4％。
2.根据权利要求1所述的动力钛酸锂电池，其特征在于，三元材料为镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂中的一种。
3.根据权利要求2所述的动力钛酸锂电池，其特征在于，所述镍钴锰酸锂中镍、钴、锰的比例为8：1：1。
4.根据权利要求2所述的动力钛酸锂电池，其特征在于，所述镍钴铝酸锂中镍、钴、铝的比例为8.2：1.5：0.3。
5.根据权利要求1所述的动力钛酸锂电池，其特征在于，所述正极片制作的步骤如下：
1-1)按配比将三元材料、聚偏氟乙烯倒入打浆机中，先以25r/min的转速公转40min，然后加入碳纳米管的浆料及N-甲基吡咯烷酮，再以48r/min转速的公转、以1700r/min的转速自转，共转动90min，得到第一浆料；
1-2)再将第一浆料用高速分散机进行分散，分散的转速为3000-4000r/min，分散粘度达到3000-7000mPa·s，分散完毕；
1-3)然后用喷涂设备将分散后的第一浆料按照75-90g/㎡的面密度涂覆在14-20μm厚的铝箔上，烘干得到第一极片；
1-4)最后，将第一极片按压3.4-3.7g/mm3的压实密度进行滚压，得到正极片。
6.根据权利要求1所述的动力钛酸锂电池，其特征在于，所述负极片制作的步骤如下：
2-1)按配比将钛酸锂、聚偏氟乙烯倒入打浆机中，以25r/min的转速公转60min，然后加入碳纳米管的浆料，再加入占原重量四分之三的N-甲基吡咯烷酮再以48r/min转速的公转、以1500r/min的转速自转，共转动90min，再加入剩余的四分之一重量的N-甲基吡咯烷酮，继续以公转48r/min转速的公转、1700r/min转速的自转打制30min，得到第二浆料；
2-2)再将第二浆料用高速分散机进行分散，分散的转速为3000-5000r/min，分散粘度达到3000-7000mPa·s，分散完毕；
2-3)然后用喷涂设备将分散后的第二浆料按照90-110g/㎡的面密度涂覆在14-20μm厚的铝箔上，烘干得到第二极片；
2-4)最后，将第二极片按压1.8-2.1g/mm3的压实密度进行滚压，得到负极片。
7.根据权利要求1-6任一项所述的动力钛酸锂电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备正极片、负极片；
2)然后将步骤1)得到的正极片和负极片分别进行烘烤除湿；
3)再在湿度为≦1％RH，温度为22-28℃条件下，对正极片和负极片按所需尺寸进行裁剪；
4)裁剪后，将正极片和负极片用隔膜隔离后，放入真空烤箱中，将真空烤箱内抽真空后，充入氮气，进行烘烤，得到卷芯；
5)将卷芯放入壳体中，向壳体内注入电解液，密封，得到电芯；
6)在温度为35-45℃条件下，将电芯活化24-72h，然后置于化成柜中，化成至电压为2.65-2.85V结束；
7)再将化成后的电芯放置于温度为35-45℃的条件下，老化5天，然后对电芯进行电压内阻筛选，将筛选合格的电芯在温度为35-45℃的条件下，继续老化5天；
8)最后通过配组机，将电芯筛选成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、FQC外观全检合格后的电芯，OQC全检合格后出货。
8.根据权利要求7所述的动力钛酸锂电池的制备方法，其特征在于，步骤4)中烘烤的温度为75-95℃，压力为-40至-90MPa，烘烤10-36h，使卷芯中的水分含量≤150PPM。
9.根据权利要求7所述的动力钛酸锂电池的制备方法，其特征在于，步骤5)中向壳体内注入电解液的条件为温度20-25℃，露点≦-35℃。
10.根据权利要求7所述的动力钛酸锂电池的制备方法，其特征在于，步骤7)中合格电芯的标准为分容单充电压控制在2.0-2.6V。
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