CN107331886A - 一种高电压锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
一种高电压锂离子电池，其正极采用 4.35V电池用包覆三氧化二铝的钴酸锂和4.35V电池用镍钴锰酸锂，混合做为正极，负极用碳和硅碳混合做为负极，电解液采用耐高压电解液，隔膜采用单面涂覆有三氧化二铝及PVDF共聚的陶瓷隔膜，其制备方法为：1）正极片制备；2） 负极片制备；3）电解液配置；4）电池制作。本发明制备出的电池具有能量密度高（≥ 250Wh/kg），500 次循环寿命≥ 80%，‑40℃低温性能≥ 50%，尤其适用于3C数码、可穿戴设备等高端锂离子电池领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高电压锂离子电池。
背景技术
锂离子电池由于具有能量密度高、重量轻、体积小、循环寿命长、无记忆、污染小等优点，做为储能设备，在手机、笔记本电脑、照相机等便携式电子设备中以及汽车、航天、医疗等设备中均有广泛的应用。目前应用于3C电子产品的锂离子电池比能量密度日益提高及其市场对锂离子电池的高容量、高能量密度、循环寿命长及其安全性的日益提高。
随着市场对锂离子电池的高能量密度、优异的循环寿命、较低的成本及其较高的安全性能要求，仅仅采用钴酸锂材料或三元材料的电池无法满足以上性能，为制备出综合性能高（能量密度、循环寿命）、安全性能优异及其成本低的正极材料，将高电压钴酸锂锂材料与高镍三元材料混合可以发挥三元材料成本低、安全性能好的优点，又可以利用高电压钴酸锂高能量密度的优点，提高锂离子电池的综合性能，并且在当前钴资源日益枯竭的当下，在保证性能前提下，极大的降低了电池的材料成本。
发明内容
本发明提供一种高电压锂离子电池，其提高锂离子电池的能量密度、安全性能及其循环性能，并极大的降低了高电压锂离子电池的材料成本。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种高电压锂离子电池，包括正极、负极、电解液、隔膜，其特征在于：
正极：采用4.35V电池用包覆三氧化二铝的钴酸锂和4.35V电池用镍钴锰酸锂混合物，按质量比为，60～80%的4.35V电池用包覆三氧化二铝（Al2O3）的钴酸锂（LiCoO2），20～40%的4.35V电池用镍钴锰酸锂（NCM）；
负极：采用碳和硅碳复合材料混合物，按质量比为70～80%的碳，20～30%的硅碳复合材料；
电解液：采用高压保护性电解液，溶剂采用碳酸乙烯酯(EC)+碳酸甲基乙基酯(EMC)，电解质采用六氟磷酸锂（LiPF6），六氟磷酸锂（LiPF6）的配置浓度为1.2mol/ L；添加剂采用氟代碳酸酯（FEC）和碳酸亚乙烯酯（VC）；相对于溶剂，按质量百分比，氟代碳酸酯（FEC）3～8％，碳酸亚乙烯酯（VC）1.5～2％；
隔膜：采用陶瓷隔膜；
其制备方法为：
(1)正极片的制备：4.35V电池用包覆三氧化二铝的钴酸锂、4.35V电池用镍钴锰酸锂，粘结剂混合搅拌均匀，制得正极材料；然后将正极材料用溶剂配制成正极浆料，涂覆在集流体上，然后干燥、辊压、分切，得到正极片；
粘结剂为聚偏二氟乙烯(PVDF)，分子量100万；用量为正极材料总质量的1～1.2%，溶剂采用N-甲基吡咯烷酮（NMP），正极浆料的固体含量为65～72%；
(2)负极片的制备：把碳和硅碳复合材料混合物、粘结剂混合均匀，得负极材料；然后涂覆在集流体上，然后烘烤、辊压、分切，得到负极片；
粘结剂为丁苯橡胶（SBR）和羧甲基纤维素钠（CMC），丁苯橡胶（SBR）、羧甲基纤维素钠（CMC）用量按负极材料总质量计的分别为2.5%、1.5%；
(3)电解液的制备：把添加剂、六氟磷酸锂添加到溶剂中，充分混合，得到电解液；
(4)锂离子电池的制备：在正极片和负极片的中间设置隔膜，且将正极片、隔膜以及负极片做成裸电芯，并将裸电芯封装于电池壳体内，在干燥房中往电池壳体内注入电解液，并密封电池壳体的开口，加热加压，化成分容，得到锂离子电池。
所述的集流体是铜箔或铝箔。
进一步，所述的陶瓷隔膜上涂覆有聚偏氟乙烯(PVDF)涂层。
其中，所述正极材料的克容量设计为165～169mAh/g。
其中，所述负极材料的克容量设计为400～420mAh/g。
有益效果：本发明制备出的电池具有能量密度高（≥ 250Wh/kg），500次循环寿命≥ 80%，-40℃低温性能≥ 50%，尤其适用于3C数码、可穿戴设备等高端锂离子电池领域。
具体实施方式
为更清楚地阐述本发明的创新和效果，下面结合具体实施例来对本发明进行详细说明，其中，4.35V电池用包覆三氧化二铝（Al2O3）的钴酸锂（LiCoO2）采购于“湖南杉杉新材料有限公司”， 产品型号：LC800D或LC800S ；4.35V电池用镍钴锰酸锂（NCM）采购于“湖南金富力新能源股份有限公司”，产品型号：KT－05T2。
实施例1
一种高电压锂离子电池，包括正极、负极、电解液、隔膜，正极：采用4.35V电池用包覆三氧化二铝（Al2O3）的钴酸锂（LiCoO2）和4.35V电池用镍钴锰酸锂（NCM）混合物，按质量比为，80%的4.35V电池用包覆三氧化二铝（Al2O3）的钴酸锂（LiCoO2），20%的4.35V电池用镍钴锰酸锂（NCM）；
负极：采用碳和硅碳复合材料混合物，按质量比为，80%的碳，20%的硅碳复合材料；
电解液：采用高压保护性电解液，溶剂采用碳酸乙烯酯(EC)+碳酸甲基乙基酯(EMC)，按质量比，1份碳酸乙烯酯(EC)，2份碳酸甲基乙基酯(EMC)；电解质采用六氟磷酸锂（LiPF6），六氟磷酸锂（LiPF6）的配置浓度为1.2mol/ L；添加剂采用（FEC）氟代碳酸酯和（VC）碳酸亚乙烯酯；相对于溶剂，按质量百分比，氟代碳酸酯（FEC）5％，碳酸亚乙烯酯（VC）2％；
隔膜：采用涂覆有聚偏氟乙烯(PVDF)涂层的陶瓷隔膜；
其制备方法为：
(1)正极片的制备：4.35V电池用包覆三氧化二铝的钴酸锂、4.35V电池用镍钴锰酸锂，粘结剂混合搅拌均匀，制得正极材料；然后将正极材料用溶剂配制成正极浆料，涂覆在集流体（厚度为8µm的铜箔或厚度为12µm的铝箔）上，然后干燥、辊压、分切，得到正极片；其正极材料的克容量设计为165mAh/g，极片压实密度 4.0g/cm3；
粘结剂为聚偏二氟乙烯(PVDF)，分子量100万；用量为正极材料总质量的1.2%，溶剂采用N-甲基吡咯烷酮（NMP），正极浆料的固体含量为70%；
(2)负极片的制备：把碳和硅碳复合材料混合物、粘结剂混合均匀，得负极材料；然后涂覆在集流体（厚度为8µm的铜箔或厚度为12µm的铝箔）上，然后烘烤、辊压、分切，得到负极片；其中，负极材料的克容量设计为400mAh/g，极片压实密度 1.65g/cm3；
粘结剂为丁苯橡胶（SBR）和羧甲基纤维素钠（CMC），丁苯橡胶（SBR）、羧甲基纤维素钠（CMC）用量按负极材料总质量计的分别为2.5%、1.5%；
(3)电解液的制备：把添加剂、六氟磷酸锂添加到溶剂中，充分混合，得到电解液；
(4)锂离子电池的制备：在正极片和负极片的中间设置隔膜(厚度12µm)，且将正极片、隔膜以及负极片做成裸电芯，并将裸电芯封装于电池壳体内，在干燥房中往电池壳体内注入电解液，并密封电池壳体的开口，加热加压，化成分容，得到锂离子电池。
实施例2
一种高电压锂离子电池，包括正极、负极、电解液、隔膜，正极：采用4.35V电池用包覆三氧化二铝（Al2O3）的钴酸锂（LiCoO2）和4.35V电池用镍钴锰酸锂（NCM）混合物，按质量比为，75%的4.35V电池用包覆三氧化二铝（Al2O3）的钴酸锂（LiCoO2），25%的4.35V电池用镍钴锰酸锂（NCM）；
负极：采用碳和硅碳复合材料混合物，按质量比为，80%的碳，20%的硅碳复合材料；
电解液：采用高压保护性电解液，溶剂采用碳酸乙烯酯(EC)+碳酸甲基乙基酯(EMC)，按质量比，1份碳酸乙烯酯(EC)，2份碳酸甲基乙基酯(EMC)；电解质采用六氟磷酸锂（LiPF6），六氟磷酸锂（LiPF6）的配置浓度为1.2mol/ L；添加剂采用（FEC）氟代碳酸酯和（VC）碳酸亚乙烯酯；相对于溶剂，按质量百分比，氟代碳酸酯（FEC）5％，碳酸亚乙烯酯（VC）2％；
隔膜：采用涂覆有聚偏氟乙烯(PVDF)涂层的陶瓷隔膜；
其制备方法为：
(1)正极片的制备：4.35V电池用包覆三氧化二铝的钴酸锂、4.35V电池用镍钴锰酸锂，粘结剂混合搅拌均匀，制得正极材料；然后将正极用溶剂配制成正极浆料，涂覆在集流体（厚度为8µm的铜箔或厚度为12µm的铝箔）上，然后干燥、辊压、分切，得到正极片；正极材料的克容量设计为167mAh/g，极片压实密度 4.0g/cm3；
粘结剂为聚偏二氟乙烯(PVDF)，分子量100万；用量为正极总质量的1.2%，溶剂采用N-甲基吡咯烷酮（NMP），正极浆料的固体含量为70%；
(2)负极片的制备：把碳和硅碳复合材料混合物、粘结剂混合均匀，然后涂覆在集流体（厚度为8µm的铜箔或厚度为12µm的铝箔）上，然后烘烤、辊压、分切，得到负极片；其中，负极材料的克容量设计为410mAh/g，极片压实密度 1.65g/cm3；
粘结剂为丁苯橡胶（SBR）和羧甲基纤维素钠（CMC），丁苯橡胶（SBR）、羧甲基纤维素钠（CMC）用量按负极材料总质量计的分别为2.5%、1.5%；
(3)电解液的制备：把添加剂、六氟磷酸锂添加到溶剂中，充分混合，得到电解液；
(4)锂离子电池的制备：在正极片和负极片的中间设置隔膜(厚度12µm)，且将正极片、隔膜以及负极片做成裸电芯，并将裸电芯封装于电池壳体内，在干燥房中往电池壳体内注入电解液，并密封电池壳体的开口，加热加压，化成分容，得到锂离子电池。
实施例3
一种高电压锂离子电池，包括正极、负极、电解液、隔膜，
正极：采用4.35V电池用包覆三氧化二铝的钴酸锂和4.35V电池用镍钴锰酸锂混合物，按质量比为，70%的4.35V电池用包三氧化二铝（Al2O3）的钴酸锂（LiCoO2），30%的4.35V电池用镍钴锰酸锂；
负极：采用碳和硅碳复合材料混合物，按质量比为，80%的碳，20%的硅碳复合材料；
电解液：采用高压保护性电解液，溶剂采用碳酸乙烯酯+碳酸甲基乙基酯，按质量比，1份碳酸乙烯酯(EC)，2份碳酸甲基乙基酯(EMC)；电解质采用六氟磷酸锂，六氟磷酸锂的配置浓度为1.2mol/ L；添加剂采用氟代碳酸酯和碳酸亚乙烯酯；相对于溶剂，按质量百分比，氟代碳酸酯5％，碳酸亚乙烯酯2％；
隔膜：采用采用涂覆有聚偏氟乙烯(PVDF)涂层的陶瓷隔膜；
其制备方法为：
(1)正极片的制备：4.35V电池用包覆三氧化二铝的钴酸锂、4.35V电池用镍钴锰酸锂，粘结剂混合搅拌均匀，制得正极材料；然后将正极材料用溶剂配制成正极浆料，涂覆在集流体（厚度为8µm的铜箔或厚度为12µm的铝箔）上，然后干燥、辊压、分切，得到正极片；正极材料的克容量设计为169mAh/g，极片压实密度 3.9g/cm3；
粘结剂为聚偏二氟乙烯，分子量100万；用量为正极材料总质量的1.2%，溶剂采用N-甲基吡咯烷酮，正极浆料的固体含量为70%；
(2)负极片的制备：把碳和硅碳复合材料混合物、粘结剂混合均匀，得负极材料；然后涂覆在集流体（厚度为8µm的铜箔或厚度为12µm的铝箔）上，然后烘烤、辊压、分切，得到负极片；其中，负极材料的克容量设计为420mAh/g，极片压实密度 1.65g/cm3；
粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠，丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠用量按负极材料总质量计的分别为2.5%、1.5%；
(3)电解液的制备：把添加剂、六氟磷酸锂添加到溶剂中，充分混合，得到电解液；
(4)锂离子电池的制备：在正极片和负极片的中间设置隔膜，且将正极片、隔膜以及负极片做成裸电芯，并将裸电芯封装于电池壳体内，在干燥房中往电池壳体内注入电解液，并密封电池壳体的开口，加热加压，化成分容，得到锂离子电池。
对实施例 1，实施例 2，实施例 3 制备出的锂离子电池分别测试电池的基本性能、循环性能，结构证明：电池具有能量密度≥ 250Wh/kg，500 次循环寿命≥ 80%，-40℃低温性能≥ 50%。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种高电压锂离子电池，包括正极、负极、电解液、隔膜，其特征在于：
正极：采用4.35V电池用包覆三氧化二铝的钴酸锂和4.35V电池用镍钴锰酸锂混合物，按质量比为，60～80%的4.35V电池用包覆三氧化二铝的钴酸锂，20～40%的4.35V电池用镍钴锰酸锂；
负极：采用碳和硅碳复合材料混合物，按质量比为，70～80%的碳，20～30%的硅碳复合材料；
电解液：采用高压保护性电解液，溶剂采用碳酸乙烯酯+碳酸甲基乙基酯，电解质采用六氟磷酸锂，六氟磷酸锂的配置浓度为1.2mol/ L；添加剂采用氟代碳酸酯和碳酸亚乙烯酯；相对于溶剂，按质量百分比，氟代碳酸酯 3～8％，碳酸亚乙烯酯 1.5～2％；
隔膜：采用陶瓷隔膜；
其制备方法为：
(1)正极片的制备：4.35V电池用包覆三氧化二铝的钴酸锂、4.35V电池用镍钴锰酸锂，粘结剂混合搅拌均匀，制得正极材料；然后将正极材料用溶剂配制成正极浆料，涂覆在集流体上，然后干燥、辊压、分切，得到正极片；
粘结剂为聚偏二氟乙烯，分子量100万；用量为正极材料总质量的1～1.2%，溶剂采用N-甲基吡咯烷酮，正极浆料的固体含量为65～72%；
(2)负极片的制备：把碳和硅碳复合材料混合物、粘结剂混合均匀，得负极材料；然后涂覆在集流体上，然后烘烤、辊压、分切，得到负极片；
粘结剂为丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠，丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠用量按负极材料总质量计的分别为2.5%、1.5%；
(3)电解液的制备：把添加剂、六氟磷酸锂添加到溶剂中，充分混合，得到电解液；
(4)锂离子电池的制备：在正极片和负极片的中间设置隔膜，且将正极片、隔膜以及负极片做成裸电芯，并将裸电芯封装于电池壳体内，在干燥房中往电池壳体内注入电解液，并密封电池壳体的开口，加热加压，化成分容，得到锂离子电池。
2.根据权利要求 1 所述的一种高电压锂离子电池，其特征在于 ：所述正极的克容量设计为165～169mAh/g。
3.根据权利要求 1 所述的一种高电压锂离子电池，其特征在于 ：所述负极的克容量设计为400～420mAh/g。
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