CN108400373A - 一种电动汽车用高比能锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池制造技术领域。本发明公开了一种电动汽车用高比能锂离子电池，其由正极极片、负极极片、隔膜、电解液和软包装叠片制得，正极极片由铝箔和涂覆在铝箔上的正极浆料制得，正极浆料由LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、导电炭黑、气相生长炭纤维和聚偏氟乙烯按重量比95～97：0.5～1.5：0.5～1.5：1.5～2.5混合后加入N‑甲基吡咯烷酮制得；负极极片为多孔铜箔；电解液为六氟磷酸锂溶解于体积比为1：1的碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯混合溶剂中制得；隔膜为聚乙烯多孔膜。本发明中的高比能锂离子电池降低了锂离子电池首次充电时负极中嵌入不可逆锂离子带来的容量损失，从而增加了电池可逆比容量，显著提高锂离子电池质量比能量密度。

Description

一种电动汽车用高比能锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池制造技术领域，尤其是涉及一种电动汽车用高比能锂离子电池。
背景技术
随着全球新能源汽车的蓬勃发展，新能源汽车核心零部件的动力电池受到了广泛关注。国外以日韩为代表的车用动力电池企业依托坚实的基础理论研究、持续的产品及制造技术开发，通过广泛的产学研合作在该领域取得较大的突破，形成了相对的技术优势。
为应对市场对新能源汽车更长续航里程的要求，世界各发达国家都在积极开发高比能量的新一代电池技术，并提出了各自的发展路线图。如日本NEDO提出2020年电池系统能量密度达到250 Wh/kg的目标；美国能源部提出在2022年开发出250 Wh/kg电池系统产品。各大企业也据此规划自己的技术路线，如日本AESC计划到2020年使用高镍三元正极材料和硅基负极材料开发系统能量密度达到250 Wh/kg的电池体系；美国特斯拉计划在2017年推出的第三代纯电动汽车，单体电池能量密度达到300 Wh/kg；韩国LG公司计划在2020年量产300 Wh/kg电池产品；A123公司的目标是2020年电池能量密度达到300Wh/kg以上。
锂离子电池能量密度=电池容量/电池质量，因此，通过增加电池容量的方式，开发具有高比容量的高镍正极材料和硅碳负极材料可实现更高比能锂离子电池设计。
目前商业化应用的锂离子电池，正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元、锰酸锂等。负极材料以石墨类材料为主。充电时，锂离子从正极材料迁移到负极石墨片层中，放电时，锂离子从石墨负极片层回到正极材料内。其中负极石墨功能主要是“容纳”正极迁移过来的锂离子，可见，正极材料对锂离子电池能量密度起主要的决定作用。负极材料是影响锂离子电池能量密度的关键材料。
目前商业化锂离子电池首次充放电时石墨负极颗粒表面有效形成一层稳定的固态电解质界面膜(SEI)，SEI膜的形成可显著改善石墨负极循环稳定性。形成SEI膜结构所需锂离子需正极提供，因此负极表面SEI的形成将降低锂离子电池可逆比容量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种可以重量大大减轻、首次充电时负极中嵌入不可逆锂离子数量较少、可逆比容量和质量比能量密度更高的电动汽车用高比能锂离子电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电动汽车用高比能锂离子电池，由正极极片、负极极片、隔膜、电解液和软包装叠片制得，正极极片由铝箔和涂覆在铝箔上的正极浆料制得，正极浆料由LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、导电炭黑、气相生长炭纤维和聚偏氟乙烯按重量比95～97：0.5～1.5：0.5～1.5：1.5～2.5混合后加入N-甲基吡咯烷酮制得；负极极片为多孔铜箔；电解液为六氟磷酸锂溶解于体积比为1：1的碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯混合溶剂中制得；隔膜为聚乙烯多孔膜。
商业化锂离子电池负极主要采用石墨负极。首次充放电时石墨负极颗粒表面有效形成一层稳定的固态电解质界面膜(SEI)，SEI膜的形成可显著改善石墨负极循环稳定性，形成SEI膜结构所需锂离子需正极提供，因此SEI的形成将降低锂离子电池可逆比容量。本发明的高比能锂离子电池负极不使用任何活性物质，负极无需石墨、粘结剂等制成的负极浆料，去掉负极浆料，负极不但可以降低锂离子电池重量，而且负极表面无需形成SEI膜，这将大大降低正极锂离子的损耗，可最大限度提升锂离子电池能量密度。充电时，锂离子将从正极材料中脱出，在负极集流体---铜箔表面发生电化学沉积，形成金属锂层，为了降低上述过程中的电化学极化，使用多孔结构铜箔材料做负极集流体。放电时，锂离子从金属锂层中迁移出，并嵌入至正极材料内。本发明中负极集流体不限于多孔铜箔，泡沫镍、泡沫铜等多孔材料都可替代铜箔用作无涂覆负极集流体，具有相同使用效果。
作为优选，电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.0～1.4mol/L。
作为优选，正极极片的铝箔15～25微米厚。
作为优选，正极浆料在涂覆前过100～140目筛。
作为优选，正极浆料在涂覆在铝箔上后，先经110～130℃烘干后碾压至110～130微米制得正极极片。
作为优选，负极极片为15～25微米厚的多孔铜箔。
作为优选，负极极片上分布有直径为0.9～1.1微米的微孔，铜箔上的孔隙率为20～25%。
作为优选，铜箔上的微孔贯穿铜箔并均匀分布。
因此，本发明具有以下有益效果：本发明中的高比能锂离子电池结构显著区别于已经商业化锂离子电池，无需使用负极涂层材料，大大减轻电池重量。负极表面无需形成SEI膜，降低了锂离子电池首次充电时负极中嵌入不可逆锂离子带来的容量损失，从而增加了电池可逆比容量，显著提高锂离子电池质量比能量密度。
附图说明
图1为锂离子电池充电曲线；
图中，a为对照组电池充电曲线，b为本发明电池充电曲线，c为对照组电池放电曲线，d为本发明电池放电曲线。
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
一种电动汽车用高比能锂离子电池，由正极极片、负极极片、隔膜、电解液和软包装叠片制得，正极极片由铝箔和涂覆在铝箔上的正极浆料制得，正极浆料由LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、导电炭黑、气相生长炭纤维和聚偏氟乙烯按重量比95：0.5：0.5：1.5混合后加入N-甲基吡咯烷酮制得；负极极片为多孔铜箔；电解液为六氟磷酸锂溶解于体积比为1：1的碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯混合溶剂中制得，电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.0mol/L；隔膜为聚乙烯多孔膜；正极极片的铝箔15微米厚，正极浆料在涂覆前过100目筛，正极浆料在涂覆在铝箔上后，先经110℃烘干后碾压至110微米制得正极极片；负极极片为15微米厚的多孔铜箔，负极极片上分布有直径为0.9微米的微孔，铜箔上的孔隙率为20%，铜箔上的微孔贯穿铜箔并均匀分布。
实施例2
一种电动汽车用高比能锂离子电池，由正极极片、负极极片、隔膜、电解液和软包装叠片制得，正极极片由铝箔和涂覆在铝箔上的正极浆料制得，正极浆料由LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、导电炭黑、气相生长炭纤维和聚偏氟乙烯按重量比96：1：1：2混合后加入N-甲基吡咯烷酮制得；负极极片为多孔铜箔；电解液为六氟磷酸锂溶解于体积比为1：1的碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯混合溶剂中制得，电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.2mol/L；隔膜为聚乙烯多孔膜；正极极片的铝箔20微米厚，正极浆料在涂覆前过120目筛，正极浆料在涂覆在铝箔上后，先经120℃烘干后碾压至120微米制得正极极片；负极极片为20微米厚的多孔铜箔，负极极片上分布有直径为1.0微米的微孔，铜箔上的孔隙率为23%，铜箔上的微孔贯穿铜箔并均匀分布。
实施例3
一种电动汽车用高比能锂离子电池，由正极极片、负极极片、隔膜、电解液和软包装叠片制得，正极极片由铝箔和涂覆在铝箔上的正极浆料制得，正极浆料由LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、导电炭黑、气相生长炭纤维和聚偏氟乙烯按重量比97：1.5：1.5：2.5混合后加入N-甲基吡咯烷酮制得；负极极片为多孔铜箔；电解液为六氟磷酸锂溶解于体积比为1：1的碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯混合溶剂中制得，电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.4mol/L；隔膜为聚乙烯多孔膜；正极极片的铝箔25微米厚，正极浆料在涂覆前过140目筛，正极浆料在涂覆在铝箔上后，先经130℃烘干后碾压至130微米制得正极极片；负极极片为25微米厚的多孔铜箔，负极极片上分布有直径为1.1微米的微孔，铜箔上的孔隙率为25%，铜箔上的微孔贯穿铜箔并均匀分布。
电池组装与测试：
1.以上述实施例2为实验组，以现有技术中含有石墨负极浆料涂层的负极片的锂离子电池为对照组；
2.按照叠片式软包装锂离子电池生产线流程，制作40Ah锂离子电池；
3.测试参照标准QC/T 743-2006和美国Freedom CAR电池测试手册-2003进行测试。
测试结果：
如图1所示，本发明中的锂离子电池与现有技术石墨负极锂离子电池相比较，锂离子电池首次充电时负极中嵌入不可逆锂离子的量大大减小，使锂离子电池容量损失减小，从而增加了锂离子电池的可逆比容量，显著提高了锂离子电池质量比能量密度。
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 (8)

1.一种电动汽车用高比能锂离子电池，由正极极片、负极极片、隔膜、电解液和软包装叠片制得，其特征在于：所述的正极极片由铝箔和涂覆在铝箔上的正极浆料制得，正极浆料由LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、导电炭黑、气相生长炭纤维和聚偏氟乙烯按重量比95～97：0.5～1.5：0.5～1.5：1.5～2.5混合后加入N-甲基吡咯烷酮制得；所述负极极片为多孔铜箔；所述电解液为六氟磷酸锂溶解于体积比为1：1的碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯混合溶剂中制得；隔膜为聚乙烯多孔膜。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用高比能锂离子电池，其特征在于：所述电解液中六氟磷酸锂的浓度为1.0～1.4mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车用高比能锂离子电池，其特征在于：所述正极极片的铝箔15～25微米厚。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车用高比能锂离子电池，其特征在于：所述正极浆料在涂覆前过100～140目筛。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车用高比能锂离子电池，其特征在于：所述正极浆料在涂覆在铝箔上后，先经110～130℃烘干后碾压至110～130微米制得正极极片。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车用高比能锂离子电池，其特征在于：所述的负极极片为15～25微米厚的多孔铜箔。
7.根据权利要求6所述的一种电动汽车用高比能锂离子电池，其特征在于：所述的负极极片上分布有直径为0.9～1.1微米的微孔，铜箔上的孔隙率为20～25%。
8.根据权利要求7所述的一种电动汽车用高比能锂离子电池，其特征在于：所述铜箔上的微孔贯穿铜箔并均匀分布。
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