CN108054424A - 一种新型高安全锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高安全锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池本体包括固态正极片、隔膜、缓冲胶和负极片，所述固态正极片和负极片在隔膜的上下端面，所述缓冲胶位于负极片和隔膜中，还公开了一种新型高安全锂离子电池的制备方法，包括固态正极片的制备步骤，包括负极片的制备步骤，还包括缓冲胶配比。本发明的优点是：相比于传统锂离子电池，具有更优的安全性，即使被钢针刺穿的情况下依然可以稳定对外供电；相比于全固态电池具有更优的倍率性能；可高温使用，即使在60‑80℃高温下依然可以正常工作。

Description

一种新型高安全锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，涉及了一种新型高安全锂离子电池，尤其涉及一种新型高安全锂离子电池的制备方法。
背景技术
锂离子电池具有比能量大、比功率高、自放电小、无记忆效应、循环性好、可快速放电且效率高、无环境污染等优点，得到市场的广泛认可和使用，但目前市场上主流的锂电池均采用液态有机电解液或者凝胶电解质，存在易燃、易爆等安全隐患；例如787飞机电源着火，特斯拉电动车着火，三星Note7爆炸事件等安全事故。
近年来，被认为具有本征安全性的全固态锂电池受到市场的广泛关注，被公认为下一代电池的重要发展方向，并将在消费电子、电动汽车、规模储能方面获得大量应用。
但全固态电池多采用锂金属作为负极材料，金属Li在循环过程中会有锂枝晶的产生，不但会使可供嵌/脱的锂量减少，更严重的是会造成短路等安全问题，同时金属Li十分活泼，容易与空气中的氧气和水分等发生反应，并且金属Li不耐高温，给电池的组装和应用带来困难，故现阶段要采用金属锂进行批量化生产依然存在很大的挑战。
同时由于固态电池中界面问题突出，导致倍率性能较差，目前公开报道的锂电池一般在0.2C及以下才具有较好的性能。
发明内容
本发明的目的是：针对上述不足，提供一种新型的高安全锂离子电池及其制备方法，既具有高的安全性能，又具有较好的倍率性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种新型高安全锂离子电池，所述锂离子电池本体包括固态正极片、隔膜、缓冲胶和负极片，所述固态正极片和负极片在隔膜的上下端面，所述缓冲胶位于负极片和隔膜中。
所述隔膜为聚烯烃隔膜，包括单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP或三层PP/PE/PP。
所述缓冲胶由溶剂、锂盐及添加剂构成。
所述锂盐包括高氯酸锂(LiClO4)，六氟砷酸锂(LiAsF6)，四氟硼酸锂(LiBF4)，六氟磷酸锂(LiPF6)，三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)，双(三氟甲基磺酸)亚胺锂(LiTFSI)，三(三氟甲基磺酸)甲基锂(LiC(CF3SO2)3)，双草酸硼酸锂(LiBOB)其中的一种或者几种，其浓度为0.2～3mol/L。
所述溶剂包含离子液体、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸(二)乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)其中的一种或者几种。
离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。
所述的添加剂包含聚环氧乙烯(PEO)、聚碳酸乙烯酯(PEC)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)、聚碳酸丙烯酯(PPC)、聚硅氧烷、氟代甲基碳酸酯、氟代乙基碳酸酯、碳酸亚乙烯酯(VC)其中的一种或者几种，其质量比为1-10％。
一种新型高安全锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：步骤一：将缓冲胶涂刷到负极片上；
步骤二：将隔膜附着于涂刷缓冲胶的后负极片上，将缓冲胶浸润到隔膜中；
步骤三：将固态正极片附着于隔膜上，即可构成锂离子电池；
其中，包括固态正极片的制备步骤，其制备步骤为：步骤一：按照质量比为80-90：1-5：5-12：2-10：1-5称取正极活性材料、导电剂、聚氧化乙烯、锂盐、聚偏氟乙烯；
步骤二：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将正极活性材料、导电剂、聚氧化乙烯、锂盐、聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮溶剂进行混合，并搅拌成固含量为30-80％的均一正极浆料；
步骤三：将步骤二得到的正极浆料浆料涂布在6-25μm的铝箔或碳铝箔上，通过温度为110℃-150℃，速度为0.5-20m/min的干燥，辊压及裁切后，制得固态正极片，
包括负极片的制备步骤，其制备步骤为：步骤一：按照质量比为90-95:1-3:1-2:2-3称取负极活性物质、导电剂、糊化剂、粘结剂；
步骤二：以水为溶剂，将负极活性物质、导电剂、糊化剂、粘结剂与水进行混合，并搅拌成含固量为30-80％的均一负极浆料；
步骤三：将步骤二得到的浆料涂布在6-25μm的铜箔上，经过温度为90℃-130℃，速度为0.5-20m/min的干燥，辊压及裁切后，制得负极片，
还包括缓冲胶配比，配比比例如下：将溶剂、锂盐以及添加剂按80-90:5-15:1-10的质量比混合，充分搅拌，配制成缓冲胶。
所述正极活性材料为磷酸铁锂(LiFePO4)、磷酸钴锂(LiCoPO4)、硅酸铁锂(Li2FeSiO4)、LiMO2(M＝Ni，Mn，Co)、三元正极材料LiNixMnyCozO2(NMC)和LiNixCoyAlzO2(NCA)中的一种或几种。
所述负极活性材料为石墨、硅、硅的氧化物、钛酸锂的一种或几种。
与现有技术相比，本发明所达到的技术效果是：相比于传统锂离子电池，具有更优的安全性，即使被钢针刺穿的情况下依然可以稳定对外供电；相比于全固态电池具有更优的倍率性能；可高温使用，即使在60-80℃高温下依然可以正常工作。
附图说明
图1为本发明中锂离子电池本体的结构示意图；
图2为本发明中电池倍率性能示意图。
其中，1-固态正极片，2-隔膜，3-缓冲胶，4-负极片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
一种新型高安全锂离子电池，所述锂离子电池本体包括固态正极片1、隔膜2、缓冲胶3和负极片4，所述固态正极片1和负极片4在隔膜2的上下端面，所述缓冲胶3位于负极片4和隔膜2中。
所述隔膜为聚烯烃隔膜，包括单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP或三层PP/PE/PP。
所述缓冲胶由溶剂、锂盐及添加剂构成。
所述锂盐包括高氯酸锂(LiClO4)，六氟砷酸锂(LiAsF6)，四氟硼酸锂(LiBF4)，六氟磷酸锂(LiPF6)，三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)，双(三氟甲基磺酸)亚胺锂(LiTFSI)，三(三氟甲基磺酸)甲基锂(LiC(CF3SO2)3)，双草酸硼酸锂(LiBOB)其中的一种或者几种，其浓度为0.2～3mol/L。
所述溶剂包含离子液体、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸(二)乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)其中的一种或者几种。
离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺。
所述的添加剂包含聚环氧乙烯(PEO)、聚碳酸乙烯酯(PEC)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)、聚碳酸丙烯酯(PPC)、聚硅氧烷、氟代甲基碳酸酯、氟代乙基碳酸酯、碳酸亚乙烯酯(VC)其中的一种或者几种，其质量比为1-10％。
一种新型高安全锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：步骤一：将缓冲胶涂刷到负极片上；
步骤二：将隔膜附着于涂刷缓冲胶的后负极片上，将缓冲胶浸润到隔膜中；
步骤三：将固态正极片附着于隔膜上，即可构成锂离子电池，
其中，包括固态正极片的制备步骤，其制备步骤为：按照质量比为80-90：1-5：5-12：2-10：1-5称取正极活性材料、导电剂、聚氧化乙烯、锂盐、聚偏氟乙烯，优选的质量比为：80：5：8：4：3；
步骤二：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将正极活性材料、导电剂、聚氧化乙烯、锂盐、聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮溶剂进行混合，并搅拌成固含量为40％的均一正极浆料；
步骤三：将步骤二得到的正极浆料浆料涂布在6μm的铝箔上，通过温度为110℃，速度为0.5m/min的干燥，辊压及裁切后，制得固态正极片，
包括负极片的制备步骤，其制备步骤为：步骤一：按照质量比为90-95:1-4:1-3:2-4称取石墨、导电剂、糊化剂、粘结剂，优选的质量比为：94:2:1.5:2.5；
步骤二：以水为溶剂，将石墨、导电剂、糊化剂、粘结剂与水进行混合，并搅拌成含固量为45％的均一负极浆料；
步骤三：将步骤二得到的浆料涂布在6μm的铜箔上，经过温度为90℃，速度为0.5m/min的干燥，辊压及裁切后，制得负极片，
还包括缓冲胶配比，配比比例如下：将溶剂、锂盐以及添加剂按80-90:5-15:1-10的质量比混合，充分搅拌，配制成缓冲胶。
优选的缓冲胶的配比方案为：将1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺、碳酸丙烯酯、双三氟甲基磺酸亚胺锂、碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯按40:30:10:15:5的质量比混合，充分搅拌，配制成缓冲胶。
所述正极活性材料为磷酸铁锂(LiFePO4)、磷酸钴锂(LiCoPO4)、硅酸铁锂(Li2FeSiO4)、LiMO2(M＝Ni，Mn，Co)、三元正极材料LiNixMnyCozO2(NMC)和LiNixCoyAlzO2(NCA)中的一种或几种。
所述负极活性材料为石墨、硅、硅的氧化物、钛酸锂的一种或几种。
实施例二：
一种新型高安全锂离子电池，所述锂离子电池本体包括固态正极片1、隔膜2、缓冲胶3和负极片4，所述固态正极片1和负极片4在隔膜2的上下端面，所述缓冲胶3位于负极片4和隔膜2中。
所述隔膜为聚烯烃隔膜，包括单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP或三层PP/PE/PP。
所述缓冲胶由溶剂、锂盐及添加剂构成。
所述锂盐包括高氯酸锂(LiClO4)，六氟砷酸锂(LiAsF6)，四氟硼酸锂(LiBF4)，六氟磷酸锂(LiPF6)，三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)，双(三氟甲基磺酸)亚胺锂(LiTFSI)，三(三氟甲基磺酸)甲基锂(LiC(CF3SO2)3)，双草酸硼酸锂(LiBOB)其中的一种或者几种，其浓度为0.2～3mol/L。
所述溶剂包含离子液体、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸(二)乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)其中的一种或者几种。
离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺。
所述的添加剂包含聚环氧乙烯(PEO)、聚碳酸乙烯酯(PEC)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)、聚碳酸丙烯酯(PPC)、聚硅氧烷、氟代甲基碳酸酯、氟代乙基碳酸酯、碳酸亚乙烯酯(VC)其中的一种或者几种，其质量比为1-10％。
一种新型高安全锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：步骤一：将缓冲胶涂刷到负极片上；
步骤二：将隔膜附着于涂刷缓冲胶的后负极片上，将缓冲胶浸润到隔膜中；
步骤三：将固态正极片附着于隔膜上，即可构成锂离子电池，
其中，包括固态正极片的制备步骤，其制备步骤为：按照质量比为80-90：1-5：5-12：2-10：1-5称取正极活性材料、导电剂、聚氧化乙烯、锂盐、聚偏氟乙烯，优选的质量比是：85：2：4：5：4；
步骤二：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将正极活性材料、导电剂、聚氧化乙烯、锂盐、聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮溶剂进行混合，并搅拌成固含量为40％的均一正极浆料；
步骤三：将步骤二得到的正极浆料浆料涂布在16μm的铝箔上，通过温度为135℃，速度为10m/min的干燥，辊压及裁切后，制得固态正极片，
包括负极片的制备步骤，其制备步骤为：步骤一：按照质量比为90-95:1-4:1-3:2-4称取石墨、导电剂、糊化剂、粘结剂，优选的质量比为：92：3：2：3；
步骤二：以水为溶剂，将石墨、导电剂、糊化剂、粘结剂与水进行混合，并搅拌成含固量为45％的均一负极浆料；
步骤三：将步骤二得到的浆料涂布在15μm的铜箔上，经过温度为110℃，速度为10m/min的干燥，辊压及裁切后，制得负极片，
还包括缓冲胶配比，配比比例如下：将溶剂、锂盐以及添加剂按80-90:5-15:1-10的质量比混合，充分搅拌，配制成缓冲胶。
优选的缓冲胶的配比方案为：将碳酸(二)乙酯、高氯酸锂、聚环氧乙烯按80:10:10的质量比混合，充分搅拌，配制成缓冲胶。
所述正极活性材料为磷酸铁锂(LiFePO4)、磷酸钴锂(LiCoPO4)、硅酸铁锂(Li2FeSiO4)、LiMO2(M＝Ni，Mn，Co)、三元正极材料LiNixMnyCozO2(NMC)和LiNixCoyAlzO2(NCA)中的一种或几种。
所述负极活性材料为石墨、硅、硅的氧化物、钛酸锂的一种或几种。
实施例三：
一种新型高安全锂离子电池，所述锂离子电池本体包括固态正极片1、隔膜2、缓冲胶3和负极片4，所述固态正极片1和负极片4在隔膜2的上下端面，所述缓冲胶3位于负极片4和隔膜2中。
所述隔膜为聚烯烃隔膜，包括单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP或三层PP/PE/PP。
所述缓冲胶由溶剂、锂盐及添加剂构成。
所述锂盐包括高氯酸锂(LiClO4)，六氟砷酸锂(LiAsF6)，四氟硼酸锂(LiBF4)，六氟磷酸锂(LiPF6)，三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)，双(三氟甲基磺酸)亚胺锂(LiTFSI)，三(三氟甲基磺酸)甲基锂(LiC(CF3SO2)3)，双草酸硼酸锂(LiBOB)其中的一种或者几种，其浓度为0.2～3mol/L。
所述溶剂包含离子液体、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸(二)乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)其中的一种或者几种。
离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺。
所述的添加剂包含聚环氧乙烯(PEO)、聚碳酸乙烯酯(PEC)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)、聚碳酸丙烯酯(PPC)、聚硅氧烷、氟代甲基碳酸酯、氟代乙基碳酸酯、碳酸亚乙烯酯(VC)其中的一种或者几种，其质量比为1-10％。
一种新型高安全锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：步骤一：将缓冲胶涂刷到负极片上；
步骤二：将隔膜附着于涂刷缓冲胶的后负极片上，将缓冲胶浸润到隔膜中；
步骤三：将固态正极片附着于隔膜上，即可构成锂离子电池，
其中，包括固态正极片的制备步骤，其制备步骤为：按照质量比为80-90：1-5：5-12：2-10：1-5称取正极活性材料、导电剂、聚氧化乙烯、锂盐、聚偏氟乙烯，优选的质量比是：90：1：5：2：2；
步骤二：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将正极活性材料、导电剂、聚氧化乙烯、锂盐、聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮溶剂进行混合，并搅拌成固含量为40％的均一正极浆料；
步骤三：将步骤二得到的正极浆料浆料涂布在25μm的碳铝箔上，通过温度为150℃，速度为20m/min的干燥，辊压及裁切后，制得固态正极片，
包括负极片的制备步骤，其制备步骤为：步骤一：按照质量比为90-95:1-4:1-3:2-4称取石墨、导电剂、糊化剂、粘结剂，优选的质量比为90：4：3：3；
步骤二：以水为溶剂，将石墨、导电剂、糊化剂、粘结剂与水进行混合，并搅拌成含固量为45％的均一负极浆料；
步骤三：将步骤二得到的浆料涂布在25μm的铜箔上，经过温度为130℃，速度为20m/min的干燥，辊压及裁切后，制得负极片，
还包括缓冲胶配比，配比比例如下：将溶剂、锂盐以及添加剂按80-90:5-15:1-10的质量比混合，充分搅拌，配制成缓冲胶。
优选的缓冲胶的配比方案为：将碳酸(二)乙酯、高氯酸锂、聚环氧乙烯按80:10:10的质量比混合，充分搅拌，配制成缓冲胶。
所述正极活性材料为磷酸铁锂(LiFePO4)、磷酸钴锂(LiCoPO4)、硅酸铁锂(Li2FeSiO4)、LiMO2(M＝Ni，Mn，Co)、三元正极材料LiNixMnyCozO2(NMC)和LiNixCoyAlzO2(NCA)中的一种或几种。
所述负极活性材料为石墨、硅、硅的氧化物、钛酸锂的一种或几种。
实施例四：
在60-80℃环境下，测试电池的倍率性能，充电倍率为0.5C，放电倍率分别为0.2、0.5、1C，电压范围为3-4.3V。
电池在0.2、0.5、1C时，其放电比容量分别为169、165、155mAh/g。
对电池进行针刺安全测试，电池经过3次穿刺之后，仍可正常对外供电；电池在进行第4次穿刺实验时，钢针停留在电池内时，仍可正常对外供电。
相比于传统锂离子电池，具有更优的安全性，即使被钢针刺穿的情况下依然可以稳定对外供电；相比于全固态电池具有更优的倍率性能；可高温使用，即使在60-80℃高温下依然可以正常工作。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型高安全锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池本体包括固态正极片、隔膜、缓冲胶和负极片，所述固态正极片和负极片在隔膜的上下端面，所述缓冲胶位于负极片和隔膜中。
2.根据权利要求1所述的一种新型高安全锂离子电池，其特征在于：所述隔膜为聚烯烃隔膜，包括单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP或三层PP/PE/PP。
3.根据权利要求1所述的一种新型高安全锂离子电池，其特征在于：所述缓冲胶由溶剂、锂盐及添加剂构成。
4.根据权利要求3所述的一种新型高安全锂离子电池，其特征在于：所述锂盐包括高氯酸锂(LiClO4)，六氟砷酸锂(LiAsF6)，四氟硼酸锂(LiBF4)，六氟磷酸锂(LiPF6)，三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)，双(三氟甲基磺酸)亚胺锂(LiTFSI)，三(三氟甲基磺酸)甲基锂(LiC(CF3SO2)3)，双草酸硼酸锂(LiBOB)其中的一种或者几种，其浓度为0.2-3mol/L。
5.根据权利要求4所述的一种新型高安全锂离子电池，其特征在于：所述溶剂包含离子液体、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸(二)乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)其中的一种或者几种。
6.根据权利要求5所述的一种新型高安全锂离子电池，其特征在于：离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。
7.根据权利要求3所述的一种新型高安全锂离子电池，其特征在于：所述的添加剂包含聚环氧乙烯(PEO)、聚碳酸乙烯酯(PEC)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)、聚碳酸丙烯酯(PPC)、聚硅氧烷、氟代甲基碳酸酯、氟代乙基碳酸酯、碳酸亚乙烯酯(VC)其中的一种或者几种，其质量比为1-10％。
8.一种新型高安全锂离子电池的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将缓冲胶涂刷到负极片上；
步骤二：将隔膜附着于涂刷缓冲胶后的负极片上，将缓冲胶浸润到隔膜中；
步骤三：将固态正极片附着于隔膜上，即可构成锂离子电池，
其中，包括固态正极片的制备步骤，其制备步骤为：步骤一：按照质量比为80-90：1-5：5-12：2-10：1-5称取正极活性材料、导电剂、聚氧化乙烯、锂盐、聚偏氟乙烯；
步骤二：以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将正极活性材料、导电剂、聚氧化乙烯、锂盐、聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮溶剂进行混合，并搅拌成固含量为30-80％的均一正极浆料；
步骤三：将步骤二得到的正极浆料浆料涂布在6-25μm的铝箔或涂碳铝箔上，通过温度为110℃-150℃，速度为0.5-20m/min的干燥，辊压及裁切后，制得固态正极片，
包括负极片的制备步骤，其制备步骤为：步骤一：按照质量比为90-95:1-3:1-2:2-3称取负极活性物质、导电剂、糊化剂、粘结剂；
步骤二：以水为溶剂，将负极活性物质、导电剂、糊化剂、粘结剂与水进行混合，并搅拌成含固量为30-80％的均一负极浆料；
步骤三：将步骤二得到的浆料涂布在6-25μm的铜箔上，经过温度为90℃-130℃，速度为0.5-20m/min的干燥，辊压及裁切后，制得负极片，
还包括缓冲胶配比，配比比例如下：将溶剂、锂盐以及添加剂按80-90:5-15:1-10的质量比混合，充分搅拌，配制成缓冲胶。
9.根据权利要求8所述的一种新型高安全锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极活性材料为磷酸铁锂(LiFePO4)、磷酸钴锂(LiCoPO4)、硅酸铁锂(Li2FeSiO4)、LiMO2(M＝Ni，Mn，Co)、三元正极材料LiNixMnyCozO2(NMC)和LiNixCoyAlzO2(NCA)中的一种或几种。
10.根据权利要求8所述的一种新型高安全锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述负极活性材料为石墨、硅、硅的氧化物、钛酸锂的一种或几种。
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