CN107799813B - 一种高能量密度三元电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子动力电池技术领域，特别是一种高能量密度三元电池及其制备方法。所述三元电池包括三元正极片、负极、陶瓷隔膜、电解液及电池壳体，所述正极片由涂炭铝箔涂覆三元浆料构成，其中正极浆料由两种粒度正极活性材料、复合导电剂、复合粘结剂混合而成，负极片由铜箔涂覆两种不同粒度负极浆料构成。采用上述方法和结构后，本发明以解决高能量密度电池可制造性差、循环性能较低等问题，因此简化工艺、提高生产效率和提高产品质量、降低成本。

Description

一种高能量密度三元电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子动力电池技术领域，特别是一种高能量密度三元电池及其制备方法。
背景技术
我国是世界上最大新能源汽车制造基地，中国的新能源汽车市场对动力电池的需求巨大，特别是乘用车市场，以前动力汽车主要配套使用低能量密度磷酸铁锂、三元电池，2016年12月30日新能源汽车补贴政策正式落地，首次提出以电池能量密度为一项参考指标进行补贴，纯电动乘用车动力电池系统的质量能量密度不低于90Wh/kg，对高于120Wh/kg的按1.1倍给予补贴，因此在保证能量密度的同时保证性能提升是现在所有动力电池企业需要着重考虑的问题，高能量密度电池也成为电池企业研究的第一方向。
由于空间的局限及高性能要求，一味的追求能量密度会导致生产工艺无法实现批量生产，电池极片制造过程中会出现大量报废，如高压正极片的脆断、高面密度的稳定性、高空间利用率的绝缘性等，使得电池在试生产过程中出现大量的不合格，成本较低能量密度电池提高了几倍多；另外高能量导致电池循环性能降低，主要表现在活性材料的高反弹失效、活性材料的保液性降低等，导致循环后期电池极化阻抗逐步增大，因此提高材料的高堆积性、高压实，保证较高的空间利用率既可以保证生产过程稳定，又能保证电池循环性能的提高。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种高能量密度、循环性能高的三元电池及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种高能量密度三元电池，包括三元正极片、负极、陶瓷隔膜、电解液及电池壳体，所述正极片由涂炭铝箔涂覆三元正极浆料构成，其中三元正极浆料由两种粒度正极活性材料、复合导电剂、复合粘结剂混合而成，负极片由铜箔涂覆两种不同粒度负极浆料构成。
进一步的，所述三元正极浆料由复合镍锰钴酸锂三元材料质量占比97％-98.5％、复合导电剂质量占比0.5％-1％、粘结剂质量占比1％-2.5％组成。
更进一步的，所述复合导电剂为Super P、科琴黑、碳纳米管中的两种以上。
进一步的，所述涂炭铝箔需要涂覆1-2um的碳层，所述正极片涂覆三元正极浆料是由两种不同D50的三元材料混合，D50分别为9-12um质量占比80％-95％、4-6um质量占比5％-15％。
进一步的，所述正极片采用的复合粘结剂为两种不同分子量的粘结剂，第一粘结剂用量与第二粘结剂比例为1:0.5-1.5。
进一步的，所述负极浆料是由两种不同D50的三元材料混合，D50分别为11-15um质量占比80％-95％、7-9um质量占比5％-15％。
进一步的，所述负极浆料组成为人造石墨质量占比96％-98.5％、复合导电剂质量占比0.5％-2％、粘结剂质量占比1％-2％。
更进一步的，所述复合导电剂为Super P、科琴黑、碳纳米管中的两种以上。
本发明还包括一种高能量密度三元电池制备方法，包括以下步骤：
(1)、将两种粒度正极活性材料NMC和复合导电剂置于含有复合粘结剂的NMP溶剂中，通过搅拌混匀形成正极浆料；
(2)、同时将复合石墨粉和复合导电剂置于含水性粘结剂的水溶剂中，通过搅拌混匀形成负极浆料；
(3)、将正极浆料涂覆于涂炭铝箔上，负极浆料涂覆于铜箔上，分别在高温下烘干，形成极片；
(4)、极片经过分条、辊压、极耳模切、卷绕、热压、焊接、入壳于铝金属壳体内；
(5)、电池经24h烤箱干燥后注电解液，置于负压条件下化成，制作成高能量密度电池。
进一步的，所述步骤(1)中两种粒度正极活性材料NMC的原子比为6:2:2。
采用上述结构后，本发明以解决高能量密度电池可制造性差、循环性能较低等问题，因此简化工艺、提高生产效率和提高产品质量、降低成本。具体具有以下优点：
(1)本发明利用不同粒度的活性材料混合，形成高堆积密度浆料，较容易形成高压实密度，能量密度提升；
(2)本发明是通过复合导电极、复合粘结剂配方，在保证效果的同时，降低导电极和粘结剂的用量，提升活性材料的比例；
(3)本发明在制造过程中解决了高能量密度电池高压脆断、高短路率问题，合格率得到了提升；
(4)本发明制造的高能量密度电池的循环性能较好，保证了使用的持续性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种高能量密度三元电池的工艺流程图。
具体实施方式
本发明的一种高能量密度三元电池，包括三元正极片、负极、陶瓷隔膜、电解液及电池壳体，所述正极片由涂炭铝箔涂覆三元正极浆料构成，其中三元正极浆料由两种粒度正极活性材料、复合导电剂、复合粘结剂混合而成，负极片由铜箔涂覆两种不同粒度负极浆料构成。
进一步的，所述三元正极浆料由复合镍锰钴酸锂三元材料质量占比97％-98.5％、复合导电剂质量占比0.5％-1％、粘结剂质量占比1％-2.5％组成。
更进一步的，所述复合导电剂为Super P、科琴黑、碳纳米管中的两种以上。
进一步的，所述涂炭铝箔需要涂覆1-2um的碳层，所述正极片涂覆三元正极浆料是由两种不同D50的三元材料混合，D50分别为9-12um质量占比80％-95％、4-6um质量占比5％-15％。
进一步的，所述正极片采用的复合粘结剂为两种不同分子量的粘结剂，第一粘结剂用量与第二粘结剂比例为1:0.5-1.5。
进一步的，所述负极浆料是由两种不同D50的三元材料混合，D50分别为11-15um质量占比80％-95％、7-9um质量占比5％-15％。
进一步的，所述负极浆料组成为人造石墨质量占比96％-98.5％、复合导电剂质量占比0.5％-2％、粘结剂质量占比1％-2％。
更进一步的，所述复合导电剂为Super P、科琴黑、碳纳米管中的两种以上。
如图1所示，本发明还包括一种高能量密度三元电池制备方法，包括以下步骤：
(1)、将两种粒度正极活性材料NMC和复合导电剂置于含有复合粘结剂的NMP溶剂中，通过搅拌混匀形成正极浆料；
(2)、同时将复合石墨粉和复合导电剂置于含水性粘结剂的水溶剂中，通过搅拌混匀形成负极浆料；
(3)、将正极浆料涂覆于涂炭铝箔上，负极浆料涂覆于铜箔上，分别在高温下烘干，形成极片；
(4)、极片经过分条、辊压、极耳模切、卷绕、热压、焊接、入壳于铝金属壳体内；
(5)、电池经24h烤箱干燥后注电解液，置于负压条件下化成，制作成高能量密度电池。
根据本发明的进一步实施方案：
步骤(1)、(2)中，所述复合NMC(原子比6∶2∶2)三元材料质量占比97％-98.5％、复合导电剂质量占比0.5％-1％、粘结剂质量占比1％-2.5％，负极浆料组成为人造石墨质量占比96％-98.5％、复合导电剂质量占比0.5％-2％、粘结剂质量占比1％-2％；
步骤(1)中，正极涂覆复合三元浆料是由两种不同D50的三元材料混合，D50分别为9-12um质量占比80％-95％、4-6um质量占比5％-15％；
步骤(1)中，三元正极片采用的复合粘结剂为两种不同分子量的粘结剂，第一粘结剂1(型号5130)用量与第二粘结剂2(型号900)比例为1:0.5～1.5；
步骤(2)中，负极涂覆复合石墨由两种不同D50的三元材料混合，D50分别为11-15um质量占比80％-95％、7-9um质量占比5％-15％；
根据本发明，在未特别注明时，所进行的工序都是在常温常压下进行的。
对比例1：
以制造方形铝壳L148-48Ah锂电池为例，选用振实密度在2.5-2.9g/cm3，D50在9-11μm，克容量160-180mAh/g的三元NMC(6∶2∶2)作为正极活性材料。选用振实密度在1.0-1.1g/cm3，D50在10-15μm，克容量350-380mAh/g的人造石墨粉作为负极活性材料。
将重量百分比为96％的正极活性材料、2.0％碳纳米管、2.0％的粘结剂HSV900，加入约占总重量35％的N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合均匀，制成正极浆料，将正极浆料涂覆在14μm厚的金属铝箔上，辊压、分条、模切，制成正极片。
将重量百分比为95.5％的人造石墨粉、1.0％的Super P、3.5％的粘结剂，加入约占总重量55％的N-甲基吡咯烷酮溶剂(NMP)后混合均匀，制成负极浆料，将负极浆料涂覆在8μm厚的金属铜箔上，辊压、分条、模切，制成负极片。
采用以上参数及制造工艺，制成的方形锂离子动力电池，产线总合格率72％，不合格率集中在辊压工序，出现大量正极片脆断，容量达到48.2Ah，电池内阻0.84MΩ，24A充48A放电循环寿命达800次以上，容量维持率为72％。
实施例1：
选用对比例正负极材料，引入小颗粒正负极材料，引入振实密度在2.5-2.9g/cm3，D50在4-5.5μm，克容量160-180mAh/g的三元NMC(6∶2∶2)作为正极活性材料。选用振实密度在1.0-1.2g/cm3，D50在7-9μm，克容量350-380mAh/g的人造石墨粉作为负极活性材料。
将重量百分比为97.5％的正极活性材料(加入10％wt小颗粒正极)、0.7％碳纳米管、0.2％Super P、0.8％的粘结剂HSV900、0.8％PVDF5130，加入约占总重量35％的N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合均匀，制成正极浆料，将正极浆料涂覆在14μm厚的金属涂炭铝箔上，辊压、分条、模切，制成正极片。
将重量百分比为97.0％的人造石墨粉(加入10％wt小颗粒负极)、0.5％碳纳米管、0.5％Super P、2.0％的粘结剂，加入约占总重量55％的N-甲基吡咯烷酮溶剂(NMP)后混合均匀，制成负极浆料，将负极浆料涂覆在8μm厚的金属铜箔上，辊压、分条、模切，制成负极片。
采用以上参数及制造工艺，制成的方形锂离子动力电池，产线总合格率98％，不再出现正极片脆断，容量达到50.2Ah，电池内阻0.62MΩ，24A充48A放电循环寿命达1000次以上，容量维持率为96％。
实施例2：
选用对比例正负极材料，引入小颗粒正负极材料，引入振实密度在2.5-2.9g/cm3，D50在4-5.5μm，克容量160-180mAh/g的三元NMC(6∶2∶2)作为正极活性材料。选用振实密度在1.0-1.2g/cm3，D50在7-9μm，克容量350-380mAh/g的人造石墨粉作为负极活性材料。
将重量百分比为98.0％的正极活性材料(加入质量占比15％小颗粒正极)、0.6％碳纳米管、0.2％科琴黑、0.4％的粘结剂HSV900、0.8％PVDF5130，加入约占总重量35％的N-甲基吡咯烷酮溶剂中混合均匀，制成正极浆料，将正极浆料涂覆在14μm厚的金属涂炭铝箔上，辊压、分条、模切，制成正极片。
将重量百分比为97.5％的人造石墨粉(加入质量占比15％小颗粒负极)、0.7％碳纳米管、0.2％Super P、1.6％的粘结剂，加入约占总重量55％的N-甲基吡咯烷酮溶剂(NMP)后混合均匀，制成负极浆料，将负极浆料涂覆在8μm厚的金属铜箔上，辊压、分条、模切，制成负极片。
采用以上参数及制造工艺，制成的方形锂离子动力电池，产线总合格率96％，不再出现正极片脆断，容量达到51.4Ah，电池内阻0.65MΩ，24A充48A放电循环寿命达1000次以上，容量维持率为94.6％。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种高能量密度三元电池，包括三元正极片、负极、陶瓷隔膜、电解液及电池壳体，其特征在于：所述正极片由涂炭铝箔涂覆三元正极浆料构成，其中三元正极浆料由两种粒度正极活性材料、复合导电剂、复合粘结剂混合而成，负极片由铜箔涂覆两种不同粒度负极浆料构成；所述三元正极浆料由复合镍锰钴酸锂三元材料质量占比97％-98.5％、复合导电剂质量占比0.5％-0.9％、粘结剂质量占比1％-2.5％组成；
其中，所述正极片涂覆三元正极浆料是由两种不同D50的三元材料混合，D50分别为9-12um质量占比80％-95％、4-6um质量占比5％-15％；所述负极浆料是由两种不同D50的人造石墨混合，D50分别为11-15um质量占比80％-95％、7-9um质量占比5％-15％；所述正极片、所述陶瓷隔膜和所述负极形成卷绕电芯。
2.根据权利要求1所述的高能量密度三元电池，其特征在于：所述复合导电剂为SuperP、科琴黑、碳纳米管中的两种以上。
3.根据权利要求1所述的一种高能量密度三元电池，其特征在于：所述涂炭铝箔需要涂覆1-2um的碳层。
4.根据权利要求1所述的一种高能量密度三元电池，其特征在于：所述正极片采用的复合粘结剂为两种不同分子量的粘结剂，第一粘结剂用量与第二粘结剂比例为1:0.5-1.5。
5.根据权利要求1所述的一种高能量密度三元电池，其特征在于：所述负极浆料组成为人造石墨质量占比96％-98.5％、复合导电剂质量占比0.5％-2％、粘结剂质量占比1％-2％。
6.根据权利要求5所述的一种高能量密度三元电池，其特征在于：所述复合导电剂为Super P、科琴黑、碳纳米管中的两种以上。
7.一种高能量密度三元电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将两种粒度正极活性材料NMC和复合导电剂置于含有复合粘结剂的NMP溶剂中，通过搅拌混匀形成正极浆料，三元正极浆料由复合镍锰钴酸锂三元材料质量占比97％-98.5％、复合导电剂质量占比0.5％-0.9％、粘结剂质量占比1％-2.5％组成；
(2)、同时将复合石墨粉和复合导电剂置于含水性粘结剂的水溶剂中，通过搅拌混匀形成负极浆料；
(3)、将正极浆料涂覆于涂炭铝箔上，负极浆料涂覆于铜箔上，分别在高温下烘干，形成极片；
(4)、极片经过分条、辊压、极耳模切、卷绕、热压、焊接、入壳于铝金属壳体内；
(5)、电池经24h烤箱干燥后注电解液，置于负压条件下化成，制作成高能量密度电池；
其中，正极片涂覆三元正极浆料是由两种不同D50的三元材料混合，D50分别为9-12um质量占比80％-95％、4-6um质量占比5％-15％；所述负极浆料是由两种不同D50的人造石墨混合，D50分别为11-15um质量占比80％-95％、7-9um质量占比5％-15％。
8.按照权利要求7所述的一种高能量密度三元电池制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中两种粒度正极活性材料NMC的原子比为6:2:2。
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