CN108346794A - 一种基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法，包括如下步骤：制备负极金属锂粉/石墨电极片、五氧化二钒正极片；焊接正、负极电极片的极耳；配制六氟磷酸锂浓度为1mol/L的有机溶剂，作为电池的电解液；将作为电池隔膜的Celgard聚合物薄膜裁切为宽60mm、长610mm的矩形片；采用卷绕机将电极片卷绕成锂电池电芯；将锂电池电芯装入底部直径为18mm、高为65mm的圆柱形钢壳，制成18650型锂电池电芯，并转移到氩气保护的手套箱；注入电解液；封口，即得成品。本发明采用无锂正极材料五氧化二钒，将金属锂粉引入石墨负极电极片，组成具有超高能量密度的18650型电池，且具有工艺简单、易于放大化生产、具有大规模应用的潜力。

Description

一种基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法
技术领域
本发明涉及电化学材料制造技术领域，具体涉及一种基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法。
背景技术
由于锂离子电池具有能量密度高、重量轻和寿命长等特点，使其在移动设备上面作为电源广受欢迎。1991年索尼公司首次将锂离子电池进行商业化，从此打开了全球范围内锂离子电池材料的研究热潮。但是，就锂离子电池本身的能量密度而言，其容量的大小与电极材料种类密切相关。开发高容量的电极材料一直是全球范围内锂离子电池工作者的核心工作之一。当前锂离子电池市场主要采用磷酸铁锂和三元材料为正极，以石墨材料为负极，电池单体的能量密度在130-180Wh/Kg的范围之间。在2020年的国家远景规划中指出，锂离子电池能量密度达到300Wh/Kg。因此设计并制备高能量密度锂离子电池具有非常大的市场竞争力，超高能量密度的电池体系将在未来几年的锂离子电池市场供不应求。
石墨是当前广泛应用于锂离子电池的负极材料，由于其仅有372mAh/g的理论容量，从而制约了电池的能量密度。金属锂负极材料具有非常诱人的应用前景，因为其理论容量密度达到3650mAh/g，是传统石墨电极理论容量的10倍，是建立高能量密度的锂离子电池系统最佳备选材料之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法，采用无锂正极材料五氧化二钒，将金属锂粉引入石墨负极电极片，组成具有超高能量密度的18650型电池，且具有工艺简单、易于放大化生产等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法，包括如下步骤：
1)制备表面涂布有金属锂粉层的负极金属锂粉/石墨电极片、五氧化二钒正极片；
2)焊接正、负极电极片的极耳；
3)配制六氟磷酸锂浓度为1mol/L的有机溶剂，作为电池的电解液；
4)将作为电池隔膜的Celgard聚合物薄膜裁切为宽50mm、长63mm的矩形片；
5)将金属锂粉/石墨负电极片与五氧化二钒正极片，以Celgard聚合物薄膜作为隔膜材料，在相对空气湿度为23％的环境下，采用卷绕机卷绕成锂电池电芯；
6)将锂电池电芯装入底部直径为18mm、高为65mm的圆柱形钢外壳(电池外包装)，制成18650型锂电池电芯，并转移到氩气保护的手套箱；
7)向18650型锂电池电芯中注入8g六氟磷酸锂浓度为1mol/L的有机溶剂；
8)采用封口机将18650型锂电池电芯进行封口，即得成品。
根据以上方案，所述金属锂粉/石墨电极片的制备方法为：以金属锂粉、石墨作为负极活性材料，采用质量浓度为2％的丁苯橡胶(SBR)/甲苯溶液进行分散，然后将分散好的料浆涂覆到宽60mm、长610mm的矩形石墨电极片上，以铜片为集流体，以镍片为极耳。
根据以上方案，所述五氧化二钒正极片的制备方法为：将正极活性材料微米级五氧化二钒颗粒、导电炭、粘结剂PVDF按照质量比90:5:5混合后，采用NMP溶剂制备成料浆，然后均匀涂覆到宽60mm、长610mm矩形铝电极片上，以铝片为集流体，以铝片为极耳。
根据以上方案，所述有机溶剂的组成为：EC与DEC的体积比为3:7，并含有2％体积分数的VC。
本发明所制备的18650型电池创新性地采用无锂正极材料五氧化二钒，将金属锂粉引入石墨负极电极片，使电池在首圈放电过程中，金属锂粉失去电子被氧化成锂正离子并插入到正极五氧化二钒晶体中。电池在首圈放电之后的充电过程中，锂离子从五氧化二钒晶体中脱嵌并插入到负极石墨层中，最终电池中的锂离子成为电池充放电的载体。本发明的18650型电池体系使用的是金属锂粉/石墨负极片，可以搭配克容量最高的无锂正极进行充放电循环，因此锂离子电池具有超高能量密度。这种策略可实现锂离子电池的能量密度高达260Wh/Kg，制备流程简单，有利于大规模产业化作业并具有非常好的市场竞争力。
本发明的有益效果是：
1)本发明创新性地采用无锂正极材料五氧化二钒，将金属锂粉引入石墨负极电极片，产品具有超高能量密度，可达260Wh/Kg；
2)本发明将金属锂粉引入负极，因而可以按照实际需求，灵活地搭配多种高容量正极材料；
3)本发明工艺简单、易于放大化生产、具有大规模应用的潜力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行说明。注：本申请中，Celgard:隔膜名字，18650这几个数字，代表外表尺寸：18指电池直径18.0mm 650指电池高度65.0mm。
实施例1：
本发明提供一种基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法，包括如下步骤：
1)制备表面涂布有金属锂粉层的负极金属锂粉/石墨电极片：以金属锂粉、石墨作为负极活性材料，采用质量浓度为2％的SBR/甲苯溶液进行分散，然后将分散好的料浆涂覆到宽60mm、长610mm的矩形石墨电极片上，以铜片为集流体，以镍片为极耳；
制备五氧化二钒正极片：将正极活性材料微米级五氧化二钒颗粒、导电炭、粘结剂PVDF按照质量比90:5:5混合后，采用NMP溶剂制备成料浆，然后均匀涂覆到宽60mm、长610mm矩形铝电极片上，以铝片为集流体，以铝片为极耳；
2)焊接正、负极电极片的极耳；
3)配制六氟磷酸锂浓度为1mol/L的有机溶剂(EC：DEC＝3:7，并含有2％体积分数的VC)，作为电池的电解液；
4)将作为电池隔膜的Celgard聚合物薄膜裁切为宽60mm、长610mm的矩形片；
5)将金属锂粉/石墨负电极片与五氧化二钒正极片，以Celgard聚合物薄膜作为隔膜材料，在相对空气湿度为23％的环境下，采用卷绕机卷绕成锂电池电芯；
6)将锂电池电芯装入底部直径为18mm、高为65mm的圆柱形钢外壳(电池外包装)，制成18650型锂电池电芯，并转移到氩气保护的手套箱；
7)向18650型锂电池电芯中注入8g六氟磷酸锂浓度为1mol/L的有机溶剂；
8)采用封口机将18650型锂电池电芯进行封口，即得成品。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备表面涂布有金属锂粉层的负极金属锂粉/石墨电极片、五氧化二钒正极片；
2)焊接正、负极电极片的极耳；
3)配制六氟磷酸锂浓度为1mol/L的有机溶剂，作为电池的电解液；
4)将作为电池隔膜的Celgard聚合物薄膜裁切为宽60mm、长610mm的矩形片；
5)将金属锂粉/石墨负电极片与五氧化二钒正极片，以Celgard聚合物薄膜作为隔膜材料，在相对空气湿度为23％的环境下，采用卷绕机卷绕成锂电池电芯；
6)将锂电池电芯装入底部直径为18mm、高为65mm的圆柱形钢外壳，制成18650型锂电池电芯，并转移到氩气保护的手套箱；
7)向18650型锂电池电芯中注入8g六氟磷酸锂浓度为1mol/L的有机溶剂；
8)采用封口机将18650型锂电池电芯进行封口，即得成品。
2.根据权利要求1所述的基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法，其特征在于，所述金属锂粉/石墨电极片的制备方法为：以金属锂粉、石墨作为负极活性材料，采用质量浓度为2％的丁苯橡胶/甲苯溶液进行分散，然后将分散好的料浆涂覆到宽60mm、长610mm的矩形石墨电极片上，以铜片为集流体，以镍片为极耳。
3.根据权利要求1所述的基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法，其特征在于，所述五氧化二钒正极片的制备方法为：将正极活性材料微米级五氧化二钒颗粒、导电炭、粘结剂PVDF按照质量比90:5:5混合后，采用NMP溶剂制备成料浆，然后均匀涂覆到宽60mm、长610mm矩形铝电极片上，以铝片为集流体，以铝片为极耳。
4.根据权利要求1所述的基于金属锂粉与石墨负极电池的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂的组成为：EC与DEC的体积比为3:7，并含有2％体积分数的VC。
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