CN107749464A - 一种高能量密度锂离子动力电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高能量密度锂离子动力电池，属于锂离子电池制造技术领域。其由正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装组装而成，正极片由正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极浆料组成，正极浆料由正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂组成，正极活性物质为镍钴锰酸锂；负极片由负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极浆料组成，负极浆料由负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂组成，负极活性物质为氧化硅碳材料和硅碳材料的混合物，负极粘结剂为聚丙烯酸；电解液由六氟磷酸锂、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯和双氟磺酰亚胺锂组成。保证了电池的能量密度，改善电池的循环性能，满足动力电池对循环寿命的要求。

Description

一种高能量密度锂离子动力电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池制造技术领域，尤其是涉及一种高能量密度锂离子动力电池。
背景技术
锂离子电池是一种依靠锂离子在正极和负极之间迁移进行工作的二次电池，锂离子电池具有较高的能量密度，是一种容量大高效的二次电池。随着电子科技的迅速发展，电子和动力产品越来越趋于小型化、轻量化，且要求更快的充电速度，能够承受能大的功率，这些都对锂离子电池性能提出更加苛刻的要求，要求锂离子电池具有更高的能量密度和功率密度，但是高能量密度锂离子电池发展的一个瓶颈就是采用能够协调使用的高能量密度正负极材料和高能量密度电解液。
目前，随着电动汽车的推广及应用，对续航里程提出了更高的要求，能量密度是制约锂离子动力电池发展的最大瓶颈。目前，应用于电动汽车的动力电池质量能量密度均＜200Wh/kg，体积能量密度在＜400Wh/L。提升能量密度最有效的方法是提升正负极活性材料的比容量，目前产业化的正极材料中，钴酸锂可以达到137mAh/g，锰酸锂和磷酸铁锂的实际值都在120mAh/g左右，镍钴锰三元则可以达到150～180mAh/g；而负极活性材料大多数采用石墨类碳材料，理论容量在370mAh/g，进一步提高负极活性物质的比容量则需要采用锡基和硅基负极材料，可以将负极的比容量提升到一个很高的量级，也是当前研究的热点方向。纯硅基负极理论克容量可高达4200mAh/g，但用作锂离子负极，由于其体积效应，电池膨胀、粉化现象十分严重。硅碳复合材料有硅碳负极及氧化硅碳负极两种，其中，硅碳负极材料是将纯硅与石墨材料按不同比例进行物理混合，达到所需的比容量，氧化硅碳负极是硅以氧化硅的形式存在，进行碳包覆并与石墨混合，可以有效地抑制硅的膨胀。硅碳负极的体积膨胀相对氧化硅碳较大，因而循环性能相对较差，氧化硅碳负极虽然循环性能相对较好，但由于正极中脱出的锂与氧化硅发生较多的副反应，严重消耗了锂离子，导致首次效率较低，电池的容量低，导致能量密度不能满足要求。
发明内容
为解决上述问题本发明提供了一种能够满足能量密度高，能改善电池循环性能满足电动汽车续航里程和使用寿命要求的高能量密度锂离子动力电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高能量密度锂离子动力电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装组装而成，正极片由正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极浆料组成，正极浆料由正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂组成，正极活性物质为镍钴锰酸锂，正极导电剂为导电炭黑和气相生长碳纤维的混合物，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；负极片由负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极浆料组成，负极浆料由负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂组成，负极活性物质为氧化硅碳材料和硅碳材料的混合物，负极导电剂为导电炭黑和气相生长炭纤维的混合物，负极粘结剂为聚丙烯酸；电解液由六氟磷酸锂、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯和双氟磺酰亚胺锂组成。
其中，正极活性物质采用高镍镍钴锰三元正极材料，实际克容量可达到160～170mAh/g。负极活性物质为氧化硅碳负极材料及硅碳负极材料的混合物，实际克容量为600～700mAh/g；采用两种硅基负极混合的方式，既保证了电池的能量密度，同时兼顾电池的循环寿命；此外，负极采用聚丙烯酸粘结剂体系，相比常规的丁苯橡胶粘结剂体系，聚丙酸粘结剂具有优良的粘结性能，由于其丙烯酸中的羟基和羧基基团结构能与硅颗粒形成较强的粘结力，有效抑制硅颗粒的体积效应，进一步改善电池的循环性能；隔膜采用陶瓷涂层隔膜保证了锂离子电池隔膜在使用过程中不会因为热收缩而变形，保证隔膜的强度。
硅碳复合材料有硅碳负极及氧化硅碳负极两种，其中，硅碳负极材料是将纯硅与石墨材料按不同比例进行物理混合，达到所需的比容量，氧化硅碳负极是硅与氧化硅的形式存在，进行碳包覆并与石墨混合，可以有效地抑制硅的膨胀。硅碳负极的体积膨胀相对氧化硅碳较大，因而循环性能相对较差，氧化硅碳负极虽然循环性能相对较好，但由于正极中脱出的锂与氧化硅发生较多的副反应，严重消耗了锂离子，导致首次效率较低，电池的容量低，导致能量密度不能满足要求。本发明设计的高能量密度电池，正极采用高镍镍钴锰三元材料，将氧化硅碳及硅碳两种硅基材料进行混合使用，既保证了电池的能量密度，同时又兼顾电池的循环寿命，并且采用新型的聚丙烯酸粘结剂体系，进一步的改善硅基负极的循环寿命。
作为优选，隔膜为陶瓷涂层隔膜，基膜厚度为15～25微米，陶瓷涂层厚度为1～9微米。
作为优选，外包装为铝塑膜包装。
作为优选，正极浆料中正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂的重量比为90～100：1～3：1～5。
作为优选，正极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1。
作为优选，负极浆料中负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂的重量比为90～95：1～3：4.5～6.5。
作为优选，负极活性物质中，氧化硅碳材料的含量为40～60wt%，余量为硅碳材料；负极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1。
作为优选，正极活性物质为高镍镍钴锰酸锂，高镍镍钴锰酸锂为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2或LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2中的一种。
正极材料采用高镍含量的镍钴锰酸锂材料，进一步提高了正极材料的可容量，实际克容量可达到160～170mAh/g。
作为优选，电解液中碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和氟代碳酸乙烯酯的体积比为1～5：3～7：1～3，碳酸亚乙烯酯的含量为1.5～2.5wt%，双氟磺酰亚胺锂的含量为0.5～1.5wt%，电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.0～1.4mol/L。
作为优选，陶瓷涂层隔膜中，陶瓷涂层为二氧化硅、氧化铝、二氧化钛或钛酸钡中的一种。
陶瓷涂层采用二氧化硅、氧化铝、二氧化钛或钛酸钡，这些无机材料涂层具有强度高，能抗热收缩性能高的特点，其中的钛酸钡还是一种电介质材料和具有正温度系数的无机材料，当电池内部温度较高时，钛酸钡涂层电阻增大，抑制隔膜两边离子的迁移，从而降低锂离子电池内的电流，从而减缓热效应，保证锂离子电池安全。
因此，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明采用高容量的高镍镍钴锰三元材料作为正极，高容量的硅碳复合材料作为负极，电池容量有大幅度提高了；
（2）本发明负极采用采用氧化硅碳和硅碳两种硅基负极混合的方式，既保证了电池的能量密度，同时兼顾电池的循环寿命；此外，负极采用聚丙烯酸粘结剂体系，相比常规粘结剂体系，聚丙酸粘结剂具有优良的粘结性能，有效抑制硅颗粒的体积效应，改善电池的循环性能，满足动力电池对循环寿命的要求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高能量密度锂离子动力电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装组装而成，正极片由正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极浆料组成，正极浆料由正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂组成，正极活性物质为镍钴锰酸锂，正极导电剂为导电炭黑和气相生长碳纤维的混合物，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；负极片由负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极浆料组成，负极浆料由负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂组成，负极活性物质为氧化硅碳材料和硅碳材料的混合物，负极导电剂为导电炭黑和气相生长炭纤维的混合物，负极粘结剂为聚丙烯酸；电解液由六氟磷酸锂、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯和双氟磺酰亚胺锂组成。
正极浆料中正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂的重量比为90：1：1；正极活性物质为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2；正极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1；负极浆料中负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂的重量比为90：1：4.5；负极活性物质中，氧化硅碳材料的含量为40wt%，硅碳材料为60wt%；负极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1；电解液中碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和氟代碳酸乙烯酯的体积比为1：3：1，碳酸亚乙烯酯的含量为1.5wt%，双氟磺酰亚胺锂的含量为0.5wt%，电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.0mol/L；隔膜为陶瓷涂层隔膜，基膜厚度为15微米，陶瓷涂层厚度为1微米；陶瓷涂层隔膜中，陶瓷涂层为二氧化硅涂层；外包装为铝塑膜包装。
实施例2
一种高能量密度锂离子动力电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装组装而成，正极片由正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极浆料组成，正极浆料由正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂组成，正极活性物质为镍钴锰酸锂，正极导电剂为导电炭黑和气相生长碳纤维的混合物，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；负极片由负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极浆料组成，负极浆料由负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂组成，负极活性物质为氧化硅碳材料和硅碳材料的混合物，负极导电剂为导电炭黑和气相生长炭纤维的混合物，负极粘结剂为聚丙烯酸；电解液由六氟磷酸锂、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯和双氟磺酰亚胺锂组成。
正极浆料中正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂的重量比为93：2：2；正极活性物质为LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2；正极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1；负极浆料中负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂的重量比为92：2：5；负极活性物质中，氧化硅碳材料的含量为48wt%，硅碳材料为52wt%；负极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1；电解液中碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和氟代碳酸乙烯酯的体积比为2：4：2，碳酸亚乙烯酯的含量为1.7wt%，双氟磺酰亚胺锂的含量为0.8wt%，电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.1mol/L；隔膜为陶瓷涂层隔膜，基膜厚度为18微米，陶瓷涂层厚度为3微米；陶瓷涂层隔膜中，陶瓷涂层为氧化铝涂层；外包装为铝塑膜包装。
实施例3
一种高能量密度锂离子动力电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装组装而成，正极片由正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极浆料组成，正极浆料由正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂组成，正极活性物质为镍钴锰酸锂，正极导电剂为导电炭黑和气相生长碳纤维的混合物，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；负极片由负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极浆料组成，负极浆料由负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂组成，负极活性物质为氧化硅碳材料和硅碳材料的混合物，负极导电剂为导电炭黑和气相生长炭纤维的混合物，负极粘结剂为聚丙烯酸；电解液由六氟磷酸锂、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯和双氟磺酰亚胺锂组成。
正极浆料中正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂的重量比为97：2：4；正极活性物质为LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2；正极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1；负极浆料中负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂的重量比为93：2：6；负极活性物质中，氧化硅碳材料的含量为55wt%，余量为硅碳材料；负极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1；电解液中碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和氟代碳酸乙烯酯的体积比为4：6：2，碳酸亚乙烯酯的含量为2.3wt%，双氟磺酰亚胺锂的含量为1.2wt%，电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.3mol/L；隔膜为陶瓷涂层隔膜，基膜厚度为22微米，陶瓷涂层厚度为7微米；陶瓷涂层隔膜中，陶瓷涂层为二氧化钛涂层；外包装为铝塑膜包装。
实施例4
一种高能量密度锂离子动力电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装组装而成，正极片由正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极浆料组成，正极浆料由正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂组成，正极活性物质为镍钴锰酸锂，正极导电剂为导电炭黑和气相生长碳纤维的混合物，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；负极片由负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极浆料组成，负极浆料由负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂组成，负极活性物质为氧化硅碳材料和硅碳材料的混合物，负极导电剂为导电炭黑和气相生长炭纤维的混合物，负极粘结剂为聚丙烯酸；电解液由六氟磷酸锂、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯和双氟磺酰亚胺锂组成。
正极浆料中正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂的重量比为100：3：5；正极活性物质为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2；正极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1；负极浆料中负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂的重量比为95：3：6.5；负极活性物质中，氧化硅碳材料的含量为60wt%，硅碳材料为40wt%；负极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1；电解液中碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和氟代碳酸乙烯酯的体积比为5：7：3，碳酸亚乙烯酯的含量为2.5wt%，双氟磺酰亚胺锂的含量为1.5wt%，电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.4mol/L；隔膜为陶瓷涂层隔膜，基膜厚度为25微米，陶瓷涂层厚度为9微米；陶瓷涂层隔膜中，陶瓷涂层为钛酸钡涂层；外包装为铝塑膜包装。
本发明提供的高能量密度动力电池，体积能量密度实现600Wh/L～650Wh/L，质量能量密度可以达到250～280Wh/kg，满足锂离子动力电池高能量密度及循环寿命的要求，有效解决动力电池能量密度低而导致的电动汽车续航里程短这一技术瓶颈， 为实现锂离子动力电池在电动汽车的大规模应用提供了必要的条件。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种高能量密度锂离子动力电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装组装而成，其特征在于：所述的正极片由正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极浆料组成，正极浆料由正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂组成，正极活性物质为镍钴锰酸锂，正极导电剂为导电炭黑和气相生长碳纤维的混合物，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；所述的负极片由负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极浆料组成，负极浆料由负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂组成，负极活性物质为氧化硅碳材料和硅碳材料的混合物，负极导电剂为导电炭黑和气相生长炭纤维的混合物，负极粘结剂为聚丙烯酸；电解液由六氟磷酸锂、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯和双氟磺酰亚胺锂组成。
2.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述的隔膜为陶瓷涂层隔膜，基膜厚度为15～25微米，陶瓷涂层厚度为1～9微米。
3.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述的外包装为铝塑膜包装。
4.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述正极浆料中正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂的重量比为90～100：1～3：1～5。
5.根据权利要求1或4所述的一种高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述正极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1。
6.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述负极浆料中负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂的重量比为90～95：1～3：4.5～6.5。
7.根据权利要求1或6所述的一种高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述负极活性物质中，氧化硅碳材料的含量为40～60wt%，余量为硅碳材料；所述负极导电剂中，导电炭黑和气相生长碳纤维的质量比为1：1。
8.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述的正极活性物质为高镍镍钴锰酸锂，所述的高镍镍钴锰酸锂为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2或LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述电解液中碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和氟代碳酸乙烯酯的体积比为1～5：3～7：1～3，碳酸亚乙烯酯的含量为1.5～2.5wt%，双氟磺酰亚胺锂的含量为0.5～1.5wt%，电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.0～1.4mol/L。
10.根据权利要求1或2所述的一种高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述陶瓷涂层隔膜中，陶瓷涂层为二氧化硅、氧化铝、二氧化钛或钛酸钡中的一种。
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