CN108242542B - 一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池 - Google Patents

一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池，所述电池正极片由正极活性物质、碳纳米管导电剂、微米级导电石墨、PVDF按照一定质量比混合，以NMP为溶剂，利用高速剪切分散机制浆而后涂覆于铝箔集流体上制得；负极片由负极活性物质、球形纳米级导电炭黑、CMC、SBR按照一定质量比，以去离子水为溶剂，利用高速剪切分散机制浆后涂覆于铜箔集流体上制得；将正极片与负极片、隔膜卷绕制得锂离子电池。本发明所制得的移动电源用聚合物锂离子电池其体积能量密度可达530Wh/L~560Wh/L，0.5C循环400次容量保持大于80%，制作成本控制在2.3元/Ah~2.5元/Ah，具有优异的性价比优势。

Description

一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池制造技术领域，具体涉及到一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池。
背景技术
随着手机、平板电脑等娱乐设备的普及，作为重要部件之一的锂离子电池，其续航能力无法满足人们连续使用8小时以上的需求，而充电场所并不是一直伴随着一个自由活动的人，于是便有了一种便携式移动电源的产生，它能够随时给没电的手机、平板电脑等娱乐设备进行充电，方便又快捷。
早期市面上的移动电源所用的锂离子电池多以18650为主，主要是因为在相同容量下，18650电池价格便宜。由于18650电池有很大的安全隐患，经常有报道报出该类电池爆炸伤人事件，因此越来越多的人选择安全性更好的聚合物锂离子电池制作的移动电源。
镍钴锰酸锂正极材料与钴酸锂相比，价格要低许多。出于成本考虑，聚合物锂离子移动电源电池所用正极材料一般采用镍钴锰酸锂材料，而镍钴锰酸锂材料低的压实密度，却限制了其高体积能量密度的发展。当前市面上出现了一种高电压的镍钴锰酸锂材料，能够将电池充电上限电压从4.2V提升至4.35V，这样大大提升了电池体积能量密度。但是由于高电压镍钴锰酸锂材料自身的特殊性，在加工过程中极易吸水，电池储存或者使用过程中极易胀气，严重影响电池使用寿命，且所售电池价格偏高，仍然是不能完全取代18650作为移动电源电池。
因此，有必要开发一种低成本高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池，为了实现上述发明目的，本发明采取了以下技术方案：
一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池，其制备包括如下步骤：
（1）正极片的制备：
正极各组分质量百分比为正极活性物质：碳纳米管：KS-6（导电石墨）：PVDF（聚偏氟乙烯）= 96:1.3:1.0:1.7 ~ 97.8:0.5:0.4:1.3，具体如下：
A、将聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮按照0.08:1加入高速剪切分散机中，真空高速搅拌90min~120min，制得粘结剂胶液；
B、将碳纳米管导电剂、微米级导电石墨KS-6加入胶液中，真空高速搅拌90min~120min，得到纳米微米复合导电剂；
C、将正极活性物质总量的50%加入到纳米微米复合导电剂中，真空高速搅拌40min~60min；
D、将正极活性物质总量的剩余50%，按照总干粉固含为68%~72%的量加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，真空高速搅拌90min~120min，得到正极浆料；
E、将正极浆料涂覆于铝箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得正极片；
（2）负极片的制备：
负极各组分质量百分比为石墨（负极活性物质）：SP（导电炭黑）：CMC（羧甲基纤维素钠）：SBR = 95.5:1.0:1.7:1.8 ~ 96.5:0.5:1.5:1.5，具体如下：
A、将羧甲基纤维素钠CMC与去离子水按照1.5:98.5加入到高速分散剪切机中，真空高速搅拌40min~60min，制得CMC胶液，待用；
B、将负极活性物质与球形纳米级导电炭黑SP加入高速分散剪切机中，高速搅拌30min~50min；
C、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的20%到步骤B的粉体中，高速搅拌30min~40min；
D、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的30%到步骤C的粉体中，高速搅拌30min~40min；
E、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的50%到步骤D中，按照总干粉固含40%~45%的量加入去离子水溶剂，真空高速搅拌150min~180min，制得负极浆料；
F、将丁苯橡胶SBR加入到步骤E所制得的浆料中，真空高速搅拌30min~40min，制得负极浆料；
G、将制得的负极浆料涂覆于铜箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得负极片；
（3）电池的制备：
将步骤（1）与步骤（2）所制得的正极片、负极片与隔膜经过卷绕方式制备出卷芯，然后经过封装、注液（注入电解液）、高温夹具化成、抽气、整形、分容工序制得高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池。
作为优选的，步骤（1）中所述真空高速搅拌参数为：真空度-0.08~-0.10MPa，公转速度为60~70rpm，自转速度为2300~2500 rpm。
作为优选的，步骤（1）中所述正极活性物质为4.35V高电压镍钴锰酸锂正极材料。
作为优选的，步骤（2）中所述负极活性物质为二次颗粒人造石墨。
作为优选的，所述电解液的锂盐为12%wt LiPF6，0.2% wt LiBF4， 0.5% wtLiPO2F2，有机溶剂为29.7% wt EC（碳酸乙烯酯）、55% wt DEC（碳酸二乙酯），添加剂0.2% wtVC（碳酸亚乙烯酯）、0.4% wt VEC（碳酸乙烯亚乙酯）、2% wt PS（1,3-丙磺内酯）。
作为优选的，步骤（3）中所述的隔膜为PP、PE或者是涂层隔膜。
作为优选的，步骤（3）中所述的高温压力化成参数为：温度50℃~60℃，气压为0.2MPa~0.30 MPa。
本发明的有益效果在于：
（1）采用高速剪切分散机，能够在较短的时间内快速、有效的将各组分物质混合均匀，缩短配料时间，降低成本；
（2）正极采用高电压镍钴锰酸锂材料，能够提高电池的体积能量密度，同时降低原材料成本；
（3）正极采用碳纳米管导电剂、微米级导电石墨KS-6混合得到纳米微米复合导电剂，在极片内部形成良好的导电网络，使锂离子能够自由进入，提高电池材料的导电性能，从而提高电池循环性能。微米级导电石墨KS-6能够增加正极片的柔软性，减少断片现象，减少极片不良率；
（4）利用本发明制得的锂离子电池，其体积能量密度可达520Wh/L ~ 560Wh/L，0.5C循环400次容量保持大于80%，制作成本在2.3元/Ah ~2.5元/Ah。
附图说明
图1为本发明实施例1与比较例制得的聚合物锂离子电池0.5C倍率循环曲线图。
图2为本发明实施例2与比较例制得的聚合物锂离子电池0.5C倍率循环曲线图。
图3为本发明实施例3与比较例制得的聚合物锂离子电池0.5C倍率循环曲线图。
具体实施方式
为了使本发明能够清楚、明白，下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明：
实施例1
本实施例的一种高能量密度聚合物锂离子电池，其制备包括如下步骤：
（1）正极片的制备：
正极各组分质量百分比为正极活性物质：碳纳米管：KS-6（导电石墨）：PVDF（聚偏氟乙烯）=97.8:0.5:0.4:1.3，具体如下：
A、将聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮按照0.08:1加入高速剪切分散机中，真空度为-0.09MPa，公转70rmp，自转2400rmp，搅拌120min，制得粘结剂胶液；
B、将碳纳米管导电剂、微米级导电石墨KS-6加入胶液中，真空度为-0.09MPa，公转70rmp，自转2400rmp，搅拌90min，得到纳米微米复合导电剂；
C、将高电压镍钴锰酸锂总量的50%加入到纳米微米复合导电剂中，真空度为-0.09MPa，公转70rmp，自转2400rmp，搅拌40min；
D、将高电压镍钴锰酸锂总量剩余的50%，按照总干粉固含为70%的量加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，真空度为-0.09MPa，公转70rmp，自转2400rmp ，搅拌120min，得到正极浆料；
E、将高电压镍钴锰酸锂浆料涂覆于铝箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得正极片；
（2）负极片的制备：
负极各组分质量百分比为石墨（负极活性物质）：SP（导电炭黑）：CMC（羧甲基纤维素钠）：SBR = 96.5:0.5:1.5:1.5，具体如下：
A、将羧甲基纤维素钠CMC与去离子水按照1.5:98.5加入到高速分散剪切机中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌50min，制得CMC胶液，待用；
B、将负极活性物质与球形纳米级导电炭黑SP加入高速分散剪切机中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，高速搅拌40min；
C、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的20%到步骤B的粉体中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌35min；
D、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的30%到步骤C的粉体中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌35min；
E、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的50%到步骤D中，按照总干粉固含42%的量加入去离子水溶剂，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌160min，制得负极浆料；
F、将丁苯橡胶SBR加入到步骤E所制得的浆料中，真空高速搅拌35min，制得负极浆料；
G、将制得的负极浆料涂覆于铜箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得负极片；
（3）电池的制备：
将所制得的正极片、负极片与隔膜经过卷绕方式制备出卷芯，然后经过封装、注液、高温夹具化成、抽气、整形、分容工序制得高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池。电解液锂盐为12%LiPF6，0.2%LiBF4， 0.5%LiPO2F2，有机溶剂为29.7%EC、55%DEC，添加剂0.2%VC、0.4%VEC、2%PS。高温压力化成参数为：温度50℃~60℃，气压为0.2MPa~0.30 MPa。
实施例2
本实施例的一种高能量密度聚合物锂离子电池，其制备包括如下步骤：
（1）正极片的制备：
正极各组分质量百分比为正极活性物质：碳纳米管：KS-6（导电石墨）：PVDF（聚偏氟乙烯）=96.8:0.8:0.7:1.7，具体如下：
A、将聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮按照0.08:1加入高速剪切分散机中，真空度为-0.10MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌90min，制得粘结剂胶液；
B、将碳纳米管导电剂、微米级导电石墨KS-6加入胶液中，真空度为-0.10MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌120min，得到纳米微米复合导电剂；
C、将高电压镍钴锰酸锂总量的50%加入到纳米微米复合导电剂中，真空度为-0.10MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌60min；
D、将高电压镍钴锰酸锂总量剩余的50%，按照总干粉固含为68%的量加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，真空度为-0.10MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌90min，得到正极浆料；
E、将高电压镍钴锰酸锂浆料涂覆于铝箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得正极片；
（2）负极片的制备：
负极各组分质量百分比为石墨（负极活性物质）：SP（导电炭黑）：CMC（羧甲基纤维素钠）：SBR = 96.0:0.7:1.6:1.7，具体如下：
A、将羧甲基纤维素钠CMC与去离子水按照1.5:98.5加入到高速分散剪切机中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌40min，制得CMC胶液，待用；
B、将负极活性物质与球形纳米级导电炭黑SP加入高速分散剪切机中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，高速搅拌30min；
C、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的20%到步骤B的粉体中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌30min；
D、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的30%到步骤C的粉体中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌30min；
E、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的50%到步骤D中，按照总干粉固含40%的量加入去离子水溶剂，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌150min，制得负极浆料；
F、将丁苯橡胶SBR加入到步骤E所制得的浆料中，真空高速搅拌30min，制得负极浆料；
G、将制得的负极浆料涂覆于铜箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得负极片；
（3）电池的制备：
本步骤同实施例1。
实施例3
本实施例的一种高能量密度聚合物锂离子电池，其制备包括如下步骤：
（1）正极片的制备：
正极各组分质量百分比为正极活性物质：碳纳米管：KS-6（导电石墨）：PVDF（聚偏氟乙烯）=96.0:1.3:1.0:1.7，具体如下：
A、将聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮按照0.08:1加入高速剪切分散机中，真空度为-0.08MPa，公转65rmp，自转2500rmp，搅拌105min，制得粘结剂胶液；
B、将碳纳米管导电剂、微米级导电石墨KS-6加入胶液中，真空度为-0.08MPa，公转65rmp，自转2500rmp，搅拌105min，得到纳米微米复合导电剂；
C、将高电压镍钴锰酸锂总量的50%加入到纳米微米复合导电剂中，真空度为-0.08MPa，公转65rmp，自转2500rmp，搅拌50min；
D、将高电压镍钴锰酸锂总量剩余的50%，按照总干粉固含为72%的量加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，真空度为--0.08MPa，公转65rmp，自转2500rmp，搅拌105min，得到正极浆料；
E、将高电压镍钴锰酸锂浆料涂覆于铝箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得正极片；
（2）负极片的制备：
负极各组分质量百分比为石墨（负极活性物质）：SP（导电炭黑）：CMC（羧甲基纤维素钠）：SBR = 95.5:1.0:1.7:1.8，具体如下：
A、将羧甲基纤维素钠CMC与去离子水按照1.5:98.5加入到高速分散剪切机中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌60min，制得CMC胶液，待用；
B、将负极活性物质与球形纳米级导电炭黑SP加入高速分散剪切机中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，高速搅拌50min；
C、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的20%到步骤B的粉体中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌40min；
D、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的30%到步骤C的粉体中，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌40min；
E、加入步骤A所制得的CMC胶液总量的50%到步骤D中，按照总干粉固含45%的量加入去离子水溶剂，真空度为-0.09MPa，公转60rmp，自转2300rmp，搅拌180min，制得负极浆料；
F、将丁苯橡胶SBR加入到步骤E所制得的浆料中，真空高速搅拌40min，制得负极浆料；
G、将制得的负极浆料涂覆于铜箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得负极片；
（3）电池的制备：
本步骤同实施例1。
比较例
本比较例的聚合物锂离子电池由以下方式制得：
（1）正极片的制备：
正极各组分质量百分比为95（高电压镍钴锰酸锂）:3.0（SP）:2.0（聚偏氟乙烯）。具体如下：
A、与N-甲基吡咯烷酮按照0.08:1加入普通分散机中，真空度为-0.08MPa，公转35rmp，自转1500rmp，搅拌210min，制得粘结剂胶液；
B、将SP加入胶液中，真空度为-0.08MPa，公转35rmp，自转1500rmp，搅拌120min，得到导电剂胶液；
C、将高电压镍钴锰酸锂总量的50%加入到导电剂胶液，真空度为-0.08MPa，公转35rmp，自转1500rmp，搅拌60min；
D、将剩余高电压镍钴锰酸锂总量的50%，按照总干粉固含为62%的量加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，真空度为-0.08MPa，公转35rmp，自转1500rmp ，搅拌210min，得到正极浆料；
E、将高电压镍钴锰酸锂浆料涂覆于铝箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得正极片；
（2）负极片的制备：
负极各组分质量百分比为94.9（石墨）:1.2（SP）:1.6（CMC）:2.3（SBR）具体如下：
A、将CMC：去离子水=1.5:98.5加入至常规搅拌机，自转1200rmp，搅拌120min，制得胶液；
B、加入负极总量的50%到CMC胶液中，公转30rmp，自转1500rmp，搅拌60min；
C、加入负极总量的剩余50%到步骤B中，按照总干粉固含45%的量加入去离子水溶，真空-0.08MPa，公转30rmp，自转1500rmp，搅拌300min；
D、加入SBR到步骤C中，真空-0.08MPa，公转30rmp，自转1000rmp，搅拌60min，制得负极浆料；
E、将制得的人造石墨浆料涂覆于铜箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得负极片；
（3）电池制备同实施例1。
将上述各实施例与比较例均按照型号为5858102的工艺要求制成聚合物锂离子电池。
本发明实施例与比较例制作的聚合物锂离子电池性能对比如表1所示。
Figure 949363DEST_PATH_IMAGE001
表1。

Claims (5)

1.一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池，其特征在于，其制备包括如下步骤：
(1)正极片的制备：
正极各组分质量百分比为4.35V高电压镍钴锰酸锂正极材料：碳纳米管：微米级导电石墨KS-6：聚偏氟乙烯＝96:1.3:1.0:1.7～97.8:0.5:0.4:1.3，具体如下：
A、将聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮按照0.08:1加入高速剪切分散机中，真空高速搅拌90～120min，制得粘结剂胶液；
B、将碳纳米管、微米级导电石墨KS-6加入粘结剂胶液中，真空高速搅拌90～120min，得到纳米微米复合导电剂；
C、将4.35V高电压镍钴锰酸锂正极材料总量的50％加入到纳米微米复合导电剂中，真空高速搅拌40～60min，得到浆料A；
D、将4.35V高电压镍钴锰酸锂正极材料总量的剩余50％加入浆料A中，然后按照总干粉固含为68％～72％的量加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，真空高速搅拌90～120min，得到正极浆料；
E、将正极浆料涂覆于铝箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得正极片；
(2)负极片的制备：
负极各组分质量百分比为二次颗粒人造石墨：球形纳米级导电炭黑SP：羧甲基纤维素钠：丁苯橡胶＝95.5:1.0:1.7:1.8～96.5:0.5:1.5:1.5，具体如下：
A、将羧甲基纤维素钠与去离子水按照1.5:98.5加入到高速分散剪切机中，真空高速搅拌40～60min，制得羧甲基纤维素钠胶液，待用；
B、将二次颗粒人造石墨与球形纳米级导电炭黑SP加入高速分散剪切机中，高速搅拌30～50min，得到粉体A；
C、将羧甲基纤维素钠胶液总量的20％加入到粉体A中，高速搅拌30～40min，得到粉体B；
D、将羧甲基纤维素钠胶液总量的30％加入到粉体B中，高速搅拌30～40min，得到粉体C；
E、将羧甲基纤维素钠胶液总量的50％加入到粉体C中，然后按照总干粉固含40％～45％的量加入去离子水溶剂，真空高速搅拌150～180min，制得浆料B；
F、将丁苯橡胶加入到浆料B中，真空高速搅拌30～40min，制得负极浆料；
G、将制得的负极浆料涂覆于铜箔集流体上，经过烘干、辊压、分条后制得负极片；
(3)电池的制备：
将正极片、负极片与隔膜经过卷绕方式制备出卷芯，然后经过封装、注入电解液、高温夹具化成、抽气、整形、分容工序制得高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池。
2.根据权利要求1所述的一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池，其特征在于，步骤(1)中所述真空高速搅拌参数为：真空度-0.08～-0.10MPa，公转速度为60～70rpm，自转速度为2300～2500rpm。
3.根据权利要求1所述的一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池，其特征在于，所述电解液的锂盐为12％wt LiPF6，0.2％wt LiBF4，0.5％wt LiPO2F2，有机溶剂为29.7％wt EC(碳酸乙烯酯)、55％wt DEC(碳酸二乙酯)，添加剂0.2％wt VC(碳酸亚乙烯酯)、0.4％wt VEC(碳酸乙烯亚乙酯)、2％wt PS(1,3-丙磺内酯)。
4.根据权利要求1所述的一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池，其特征在于，步骤(3)中所述的隔膜为PP、PE或者是涂层隔膜。
5.根据权利要求1所述的一种高能量密度移动电源用聚合物锂离子电池，其特征在于，步骤(3)中所述的高温压力化成参数为：温度50℃～60℃，气压为0.2MPa～0.30MPa。
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