CN107195885A - 一种碳纳米管聚合物锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管聚合物锂离子电池及其制备方法，正极材料包括如下重量份数的组分：三元材料96.5‑98.5份、碳纳米管0.3‑0.8份、导电炭黑0.3‑0.8份、PVDF 1‑2份；负极材料包括如下重量份数的组分：石墨94.5‑96份、增稠剂1‑2份、导电炭黑0.5‑1.5份、粘结剂1‑3份；制备方法包括极片制备和电池制备，极片制备包括浆料涂覆、烘干、辊压、分切及制片工序，电池制备包括电芯制备、极耳超焊、装配、注液、化成、老化、包装等工序。该方案的锂离子电池中，导电剂导电性能好，可有效提高电极中的活性物质含量、电池的体积能量密度及循环性能，同时，该电池的制作方法可有效控制电池厚度反弹，电池体积利用率高。

Description

一种碳纳米管聚合物锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体的涉及一种碳纳米管聚合物锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有输出电压高、能量密度高、放电电压平稳、循环寿命长的优点，被广泛用于各类3C产品。由于3C产品，如手机、移动电源等产品越来越追求产品的轻薄美观，对电池的单位体积能量密度要求越来越高，这就要求电池设计时，要提高电池的体积利用率，以适应现代产品的需求。
导电剂是在电池极片制作过程中加入的导电物质，在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用，保证电极具有良好的充放电性能，从而提高电极的充放电效率，现有技术中，导电剂多为导电炭黑或导电石墨，电池电极配方中导电剂含量较多，造成活性物质含量较少，电池体积能量密度较低，循环性能差；另外，现有的化成工艺，存在电池厚度反弹的现状，影响了电池的体积利用率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种碳纳米管聚合物锂离子电池及其制备方法，该方案的锂离子电池中，导电剂导电性能好，可有效提高电极中的活性物质含量、电池的体积能量密度及循环性能，同时，该电池的制作方法可有效控制电池厚度反弹，电池体积利用率高。
为解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：一种碳纳米管聚合物锂离子电池，包括正极材料和负极材料，正极材料包括如下重量份数的组分：三元材料96.5-98.5份、碳纳米管0.3-0.8份、导电炭黑0.3-0.8份、PVDF(聚偏氟乙烯)1-2.5份；所述负极材料包括如下重量份数的组分：石墨94.5-96份、增稠剂1-2份、导电炭黑0.5-1.5份、粘结剂1-3份，正极材料导电剂选用碳纳米管和导电炭黑，其中碳纳米管的导电性能更优，与现有技术相比，可降低导电剂含量，提高活性物质——三元材料(镍钴锰酸锂)的含量，进而提高电池的体积能量密度及体积利用率，同时还能改善电池循环性能。另外，三元材料体系的锂电池与常规锂电池相比，能量密度更高，且电池循环次数、安全性能均较优。
作为优选，所述正极材料包括如下重量份数的组分：三元材料97.5份、碳纳米管0.5份、导电炭黑0.5份、PVDF 1.5份；所述负极材料包括如下重量份数的组分：石墨95.5份、增稠剂1.5份、导电炭黑1.0份、粘结剂2.0份。
作为优选，所述负极材料组分中的增稠剂为羟甲基纤维素钠，粘结剂为丁苯橡胶。
本发明的目的之二是提供一种碳纳米管聚合物锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)正极片制备：按重量份数将三元材料、碳纳米管、导电炭黑和PVDF混合，以NMP(N-甲基吡咯烷酮)为分散剂制备浆料，将浆料涂覆于铝箔上，之后经过烘干、辊压、分切及制片工序，得到正极片；
(2)负极片制备：按重量份数将石墨、增稠剂、导电炭黑和粘结剂混合，加入去离子水制备浆料，将浆料涂覆于铜箔上，之后经过烘干、辊压、分切及制片工序，得到负极片；
(3)电池制备：将正极片和负极片采用卷绕方式制成电芯，之后经极耳超焊、装配、注液、化成、老化、包装工序制备出锂离子电池。
作为优选，所述步骤(1)中，浆料涂覆后，涂覆层的双面面密度为422-438g/m2；所述步骤(2)中，浆料涂覆后，涂覆层的双面面密度为204-220g/m2。
作为优选，所述铝箔的厚度为16um，铜箔的厚度为8um。
作为优选，所述步骤(3)中的化成工序采用高温高压化成工艺，所述化成温度为65℃-75℃，所述化成气压为0.3MPa-0.5MPa。该化成工艺可有效控制电池成膜及脱嵌锂反应造成的电池厚度反弹，电池厚度反弹有效控制在小于1.06倍的范围内，进一步增加了电池的体积利用率。
作为优选，所述老化时间不低于48小时。
作为优选，所述注液工序中的电解液包括电解质盐、有机溶剂和添加剂。
作为优选，所述电解质盐为六氟磷酸锂，所述有机溶剂为有机碳酸酯，所述添加剂为磷酸脂、磷腈和氟代碳酸乙烯酯的混合物。
本发明的有益效果是：本方案中碳纳米管聚合物锂离子电池正极选取比现有锂电池常用导电剂，如导电炭黑、导电石墨，具有更加优异导电性能的碳纳米管作为导电剂，并通过对正负极配料配方的优化，有效提高了三元材料活性物质的含量，提高了碳纳米管三元体系电池的体积利用率，实验数据显示，该方案的三元体系电池可将电池体积能量密度由490Wh/L提高到530Wh/L，提高10％左右，提高了体积利用率，还能明显改善电池循环性能，电池0.5C循环400周容量保持率大于85％；另外，高温高压的化成工艺可有效控制电池成膜及脱嵌锂反应造成的电池厚度反弹，电池厚度反弹有效控制在小于1.06倍的范围内，进一步增加了电池的体积利用率。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
本实施例中，本方案的碳纳米管聚合物锂离子电池的实验组正极材料包括如下重量份数的组分：三元材料97.5份、碳纳米管0.5份、导电炭黑0.5份、PVDF 1.5份；负极材料包括如下重量份数的组分：石墨95.5份、增稠剂1.5份、导电炭黑1.0份、粘结剂2.0份。
按如下步骤制备碳纳米管聚合物锂离子电池：
(1)正极片制备：按重量份数将三元材料、碳纳米管、导电炭黑和PVDF混合，以NMP为分散剂制备浆料，将浆料涂覆于铝箔上，之后经过烘干、辊压、分切及制片工序，得到正极片；铝箔的厚度为16um，涂覆层的双面面密度为430±8g/m2；
(2)负极片制备：按重量份数将石墨、增稠剂、导电炭黑和粘结剂混合，加入去离子水制备浆料，将浆料涂覆于铜箔上，之后经过烘干、辊压、分切及制片工序，得到负极片；铜箔的厚度为8um，涂覆层的双面面密度为212±8g/m2；
(3)电池制备：将正极片和负极片采用卷绕方式制成电芯，之后经极耳超焊、装配、注液、化成、老化、包装工序制备出锂离子电池。注液工序中的电解液包括电解质盐、有机溶剂和添加剂，电解质盐为六氟磷酸锂，有机溶剂为有机碳酸酯，添加剂为磷酸脂、磷腈和氟代碳酸乙烯酯的混合物。化成工序采用高温高压化成工艺，化成温度为65℃-75℃，化成气压为0.3MPa-0.5MPa，老化时间不低于48小时。
本实施例中对比组正极材料包括如下重量份数的组分：三元材料97.5份、导电石墨0.8份、导电炭黑0.6份、PVDF 1.1份；负极材料配方及电池制备方法与本实施例实验组相同。
碳纳米管锂离子电池的正极配料表及电池性能测试结果如下：
表1电池配料表(wt％)
批次 三元材料 碳纳米管 导电石墨 导电炭黑 PVDF 固含量
实验组 97.5 0.5 —— 0.5 1.5 72％
对比组 97.5 —— 0.8 0.6 1.1 68％
表1数据显示，在电池正极配料时，实验组的浆料固含量明显高于对比组，配料时所用NMP的量较少，固含量较高。
表2电池基本性能测试
批次 平均厚度超厚率 电池平均体积能量密度
实验组 -4.83％ 532Wh/L
对比组 -6.93％ 491Wh/L
表2测试数据显示，两组电池均为超厚，碳纳米管导电剂的掺加可使电池体积能量密度提高约10％左右。
表3电池0.5C循环性能测试
表3测试数据显示，实验组电池正极材料掺加碳纳米管后可以明显改善电池循环性能，电池0.5C循环400周容量保持率均大于89％。
实施例2
本实施例中，碳纳米管聚合物锂离子电池的实验组正极材料包括如下重量份数的组分：三元材料96.5份、碳纳米管0.3份、导电炭黑0.7份、PVDF 2.5份。
负极材料配方及电池制备步骤与实施例1相同，测试结果如下表。
表4电池配料表(wt％)
批次 三元材料 碳纳米管 导电石墨 导电炭黑 PVDF 固含量
实验组 96.5 0.3 —— 0.8 2.5 70％
对比组 96.5 —— 0.8 0.6 2.1 67％
表4数据显示，在电池正极配料时，实验组的浆料固含量高于对比组。
表5电池基本性能测试
批次 平均厚度超厚率 电池平均体积能量密度
实验组 -5.21％ 520Wh/L
对比组 -6.06％ 484Wh/L
表5测试数据显示，两组电池均为超厚，碳纳米管导电剂的掺加可使电池体积能量密度提高约10％左右。
表6电池0.5C循环性能测试
表6测试数据显示，实验组电池正极材料掺加碳纳米管后可以明显改善电池循环性能，电池0.5C循环400周容量保持率均大于87％。
实施例3
本实施例中的，碳纳米管聚合物锂离子电池的实验组正极材料包括如下重量份数的组分：三元材料98份、碳纳米管0.7份、导电炭黑0.3份、PVDF 2份。
负极材料配方及电池制备步骤与实施例1相同，测试结果如下表。
表7电池配料表(wt％)
批次 三元材料 碳纳米管 导电石墨 导电炭黑 PVDF 固含量
实验组 98 0.7 —— 0.3 1 72％
对比组 98 —— 0.5 0.5 1 69％
表7数据显示，在电池正极配料时，实验组的浆料固含量明显高于对比组，配料时所用NMP的量较少，固含量较高。
表8电池基本性能测试
批次 平均厚度超厚率 电池平均体积能量密度
实验组 -4.05％ 526Wh/L
对比组 -5.92％ 484Wh/L
表8测试数据显示，两组电池均为超厚，碳纳米管导电剂的掺加可使电池体积能量密度提高约10％左右。
表9电池0.5C循环性能测试
表9测试数据显示，实验组电池正极材料掺加碳纳米管后可以明显改善电池循环性能，电池0.5C循环400周容量保持率均大于89％。
综上，通过向锂离子电池中掺加导电性能更好的碳纳米管及优化制备工艺后，可有效提高电池的体积能量密度及循环性能，同时，可有效控制电池厚度反弹，提高了电池体积利用率。
本发明的保护范围不仅限于上述实例，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种同原理的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种碳纳米管聚合物锂离子电池，包括正极材料和负极材料，所述正极材料包括如下重量份数的组分：三元材料96.5-98.5份、碳纳米管0.3-0.8份、导电炭黑0.3-0.8份、PVDF1-2.5份；所述负极材料包括如下重量份数的组分：石墨94.5-96份、增稠剂1-2份、导电炭黑0.5-1.5份、粘结剂1-3份。
2.如权利要求1所述的碳纳米管聚合物锂离子电池，其特征在于：所述正极材料包括如下重量份数的组分：三元材料97.5份、碳纳米管0.5份、导电炭黑0.5份、PVDF 1.5份；所述负极材料包括如下重量份数的组分：石墨95.5份、增稠剂1.5份、导电炭黑1.0份、粘结剂2.0份。
3.如权利要求1所述的碳纳米管聚合物锂离子电池，其特征在于：所述负极材料组分中的增稠剂为羟甲基纤维素钠，粘结剂为丁苯橡胶。
4.一种碳纳米管聚合物锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）正极片制备：按重量份数将三元材料、碳纳米管、导电炭黑和PVDF混合，以NMP为分散剂制备浆料，将浆料涂覆于铝箔上，之后经过烘干、辊压、分切及制片工序，得到正极片；
（2）负极片制备：按重量份数将石墨、增稠剂、导电炭黑和粘结剂混合，加入去离子水制备浆料，将浆料涂覆于铜箔上，之后经过烘干、辊压、分切及制片工序，得到负极片；
（3）电池制备：将正极片和负极片采用卷绕方式制成电芯，之后经极耳超焊、装配、注液、化成、老化、包装工序制备出锂离子电池。
5.如权利要求4所述的碳纳米管聚合物锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，浆料涂覆后，涂覆层的双面面密度为422-438g/m2；所述步骤（2）中，浆料涂覆后，涂覆层的双面面密度为204-220g/m2。
6.如权利要求4所述的碳纳米管聚合物锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述铝箔的厚度为16um，铜箔的厚度为8um。
7.如权利要求4所述的碳纳米管聚合物锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的化成工序采用高温高压化成工艺，所述化成温度为65℃-75℃，所述化成气压为0.3MPa-0.5MPa。
8.如权利要求4所述的碳纳米管聚合物锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述老化时间不低于48小时。
9.如权利要求4所述的碳纳米管聚合物锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述注液工序中的电解液包括电解质盐、有机溶剂和添加剂。
10.如权利要求9所述的碳纳米管聚合物锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述电解质盐为六氟磷酸锂，所述有机溶剂为有机碳酸酯，所述添加剂为磷酸脂、磷腈和氟代碳酸乙烯酯的混合物。
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