CN108493442A - 一种三元锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三元锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜及电解液；所述正极片、隔膜、负极片经卷绕、注入电解液后，装配成三元锂离子电池；所述正极片包括正极集流体及正极浆料，正极浆料中各成分的质量百分比为：三元材料95～97％，正极导电剂1～2％，PVDF2～3％；所述三元材料为单晶三元材料；正极导电剂包括碳纳米管和导电炭黑；所述负极片包括负极集流体及负极浆料，负极浆料中各成分的质量百分比为：负极活性材料90～97％，负极导电剂1～2％，CMC1～2％，SBR1～2％；负极活性材料为一次颗粒与二次颗粒复配的复合石墨；所述负极导电剂包括碳纳米管和导电炭黑。本发明提供的三元锂离子电池，提高了循环性能，容量高且循环性能优异，安全性高。

Description

一种三元锂离子电池
【技术领域】
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种三元锂离子电池。
【背景技术】
锂离子电池的能量密度与正极材料的关系密不可分。目前，商业化的正极材料主要为LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4及三元材料LiMO2(NCM)，前三者的克容量均小于150mAh/g，并且钴酸锂的价格较贵；三元材料随着镍含量的增加，克容量可达150～200mAh/g，且相对钴酸锂，价格便宜。
传统应用的三元材料为由一次粒子组成的二次球颗粒或团聚体，辊压的过程中容易变形，破碎成粒径较小的一次粒子，影响了正极活性物质与粘结剂、导电剂的接触，进而影响了导电电子及锂离子的传输，降低了三元材料的导电性，导致循环性能和极片压实密度降低。
鉴于此，实有必要提供一种新型的三元锂离子电池以克服以上缺陷。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种避免锟压时大颗粒破碎、提高压实密度、降低材料与电解液副反应、提高了循环性能、导电性能高、有效抑制电解液分解、提高导电电子及锂离子的传输、电池的容量高、安全性高的三元锂离子电池。
为了实现上述目的，本发明提供一种三元锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜及电解液；所述正极片、隔膜、负极片经卷绕、注入电解液后，装配成三元锂离子电池；所述正极片包括正极集流体及涂布于所述正极集流体上的正极浆料，所述正极浆料中各成分的质量百分比为：三元材料95～97％，正极导电剂1～2％，PVDF2～3％；所述三元材料为单晶三元材料；所述正极导电剂包括碳纳米管和导电炭黑；所述负极片包括负极集流体及涂布于所述负极集流体上的负极浆料，所述负极浆料中各成分的质量百分比为：负极活性材料90～97％，负极导电剂1～2％，CMC1～2％，SBR1～2％；所述负极活性材料为一次颗粒与二次颗粒复配的复合石墨；所述负极导电剂包括碳纳米管和导电炭黑。
在一个优选实施方式中，所述正极导电剂中的碳纳米管与导电炭黑的质量比为1：(1～2)，所述负极导电剂中的碳纳米管与导电炭黑的质量比为1：(2～4)。
在一个优选实施方式中，所述负极活性材料中的一次颗粒和二次颗粒的质量比为(2：8)～(6：4)。
在一个优选实施方式中，所述隔膜的透气度为60～200sec/100ml，所述隔膜的厚度为12um。
在一个优选实施方式中，所述隔膜包括PE基体及涂覆于PE基体两侧的陶瓷层，所述陶瓷层的厚度为2um。
在一个优选实施方式中，所述电解液包括溶质、溶剂及添加剂；所述溶质为LiPF6，所述溶剂为体积比EC：DMC＝1：2，所述添加剂为TMSB及MMDS，所述LiPF6的浓度为1mol/L。
在一个优选实施方式中，所述TMSB占所述电解液的质量分数为0.5％，所述MMDS占所述电解液的质量分数为0.5％。
在一个优选实施方式中，所述正极浆料涂布于正极集流体上的涂布密度为280～450g/m2；正极浆料涂布后进行辊压的压实密度为3.5～3.8g/cm3。
在一个优选实施方式中，所述负极浆料涂布于负极集流体上的涂布密度为140～300g/m2；负极浆料涂布后进行辊压的压实密度为1.4～1.7g/cm3。
在一个优选实施方式中，所述正极集流体为铝箔，所述负极集流体为铜箔。
相比于现有技术，本发明提供的三元锂离子电池，避免了锟压时大颗粒破碎，提高了压实密度，降低了材料与电解液副反应，提高了循环性能；正极片及负极片的导电性能高，有效了抑制电解液分解，提高了导电电子及锂离子的传输，电池的容量高且循环性能优异，安全性高。
【附图说明】
图1为本发明提供的实施例1及实施例2所对应的三元锂离子电池的充放电曲线图；
图2为本发明提供的实施例1及实施例2所对应的三元锂离子电池的循环曲线图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
本发明提供一种三元锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜及电解液；所述正极片、隔膜、负极片经卷绕、注入电解液后，装配成三元锂离子电池。
所述正极片包括正极集流体及涂布于所述正极集流体上的正极浆料，所述正极浆料中各成分的质量百分比为：三元材料95～97％，正极导电剂1～2％，PVDF(聚偏氟乙烯)2～3％；所述三元材料为单晶三元材料，由单独的一个晶体组成，单晶颗粒一次粒子粒径较大，避免了辊压时颗粒破碎，辊压后单晶三元材料一次颗粒间仍然接触良好，循环性能良好；所述正极导电剂包括碳纳米管(CNT)和导电炭黑(SP)，所述正极导电剂中的碳纳米管与导电炭黑的质量比为1：(1～2)。具体的，所述正极浆料涂布于所述正极集流体的两面，且所述正极浆料涂布于正极集流体上的涂布密度为280～450g/m2；正极浆料涂布后进行辊压的压实密度为3.5～3.8g/cm3，所述正极集流体为铝箔。
所述负极片包括负极集流体及涂布于所述负极集流体上的负极浆料，所述负极浆料中各成分的质量百分比为：负极活性材料90～97％，负极导电剂1～2％，CMC(羧甲基纤维素钠)1～2％，SBR(丁苯橡胶)1～2％；所述负极活性材料为一次颗粒与二次颗粒复配的复合石墨，所述负极活性材料中的一次颗粒和二次颗粒的质量比为(2：8)～(6：4)；所述负极导电剂包括碳纳米管和导电炭黑，所述负极导电剂中的碳纳米管与导电炭黑的质量比为1：(2～4)。具体的，所述负极浆料涂布于所述负极集流体的两面，且所述负极浆料涂布于负极集流体上的涂布密度为140～300g/m2；负极浆料涂布后进行辊压的压实密度为1.4～1.7g/cm3，所述负极集流体为铜箔。
所述隔膜的透气度为60～200sec/100ml，所述隔膜的厚度为12um。具体的，所述隔膜包括PE(聚乙烯)基体及涂覆于PE基体两侧的陶瓷层，所述陶瓷层的厚度为2um，双面陶瓷PE隔膜，能够进一步改善高容三元锂离子电池的安全性能。
所述电解液为耐高压电解液，包括溶质、溶剂及添加剂；所述溶质为LiPF6，所述溶剂为体积比EC(碳酸乙烯酯)：DMC(碳酸二甲酯)＝1：2，所述添加剂为TMSB(3-三甲基-硅烷硼酸酯)及MMDS(甲烷二磺酸亚甲酯)，所述LiPF6的浓度为1mol/L。具体的，所述TMSB占所述电解液的质量分数为0.5％，所述MMDS占所述电解液的质量分数为0.5％。TMSB的氧化电位在5V(vs.Li+/Li)，低于电解液的氧化电位，所以，在高电压下TMSB首先被氧化而在材料表面形成表面膜，能够有效地抑制了电解液分解；当电压窗口在3.0～4.4V时，使用添加0.5％TMSB的电解液的电池循环更加稳定，1C循环后容量保持率较高，并且，在同样的电位窗口，MMDS的添加对电池循环性能亦有提高。
实施例1：
(1)正极片的制作：将单晶三元材料、碳纳米管、导电炭黑和PVDF按照95.5：0.5：1：3的质量比加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中配制正极浆料，然后将正极浆料涂布至铝箔上，依次经过干燥、辊压、分切及制片得到含1个极耳的正极片；其中，控制涂布时，正极片极片双面涂布密度为400g/m2，辊压时，正极片的压实密度为3.5g/cm3；
(2)负极片的制作：将复合石墨、碳纳米管、导电炭黑、CMC和SBR按照96：0.2：0.8：1：2的质量比加入水中配制负极浆料，然后将负极浆料涂布至铜箔上，依次经过干燥、辊压、分切及制片得到含1个极耳的负极片；其中，控制涂布时，负极片的双面涂布密度为220g/m2，辊压时，负极片的压实密度为1.6g/cm3；
(3)电池的组装：将步骤(1)及步骤(2)中制备的正极片及负极片，匹配16um透气度为150sec/100ml的PE湿法陶瓷隔膜，进行卷绕，最后注入上述的耐高电压电解液，装配成圆柱电池。
(4)电池的预充和分容：电池预充容量85％，在45℃下老化时间1～6d；电池分容放电截止电压为3.0V，充电截止电压为4.3V。
实施例2：
(1)正极片的制作：将单晶三元材料、碳纳米管、导电炭黑和PVDF按照96.5：0.5：0.5：2.5的质量比加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中配制正极浆料，然后将正极浆料涂布至铝箔上，依次经过干燥、辊压、分切及制片得到含1个极耳的正极片；其中，控制涂布时，正极片极片双面涂布密度为450g/m2，辊压时，正极片的压实密度为3.7g/cm3；
(2)负极片的制作：将复合石墨、碳纳米管、导电炭黑、CMC和SBR按照96.5：0.3：0.6：1.1：1.5的质量比加入水中配制负极浆料，然后将负极浆料涂布至铜箔上，依次经过干燥、辊压、分切及制片得到含1个极耳的负极片；其中，控制涂布时，负极片的双面涂布密度为280g/m2，辊压时，负极片的压实密度为1.65g/cm3；
(3)电池的组装：将步骤(1)及步骤(2)中制备的正极片及负极片，匹配16um透气度为80sec/100ml的PE湿法陶瓷隔膜，进行卷绕，最后注入上述的耐高电压电解液，装配成圆柱电池。
(4)电池的预充和分容：电池预充容量70％，在45℃下老化时间1～6d；电池分容放电截止电压为3.0V，充电截止电压为4.35V。
对本发明提供的实施例1及实施例2采用1C的充放电倍率、在3.0～4.3V和3.0～4.35V的充放电截止电压下进行充放电测试，图1为本发明提供的实施例1及实施例2所对应的三元锂离子电池的充放电曲线图；由图1可知，本发明提供的实施例1所对应的三元锂离子的电池容量达到2814.8mAh，实施例2所对应的三元锂离子的电池容量达到2948.9mAh，容量较高。
对本发明提供的实施例1及实施例2采用1C的充放电倍率、在3.0～4.3V和3.0～4.35V的充放电截止电压下进行循环性能测试，图2为本发明提供的实施例1及实施例2所对应的三元锂离子电池的循环曲线图；由图2可知，本发明提供的实施例1所对应的三元锂离子电池经过1344周的1C充放循环测试，容量仍保持在91.6％左右，展现出优良的循环稳定性；实施例2所对应的三元锂离子电池经过1449周的1C充放循环测试，容量保持率为86.7％。
本发明提供的三元锂离子电池，首先，正极采用单晶三元材料，相对于传统的造粒三元材料制程良好，压实较大，颗粒不易破碎，电化学性能良好；负极采用一次颗粒与二次颗粒复配的复合石墨，压实相对采用常规石墨有所提高，有助于电池容量提升；其次，相对于传统导电剂的导电石墨和导电炭黑的组合，本发明采用的导电炭黑和碳纳米管的混合导电剂，CNT良好的导热性能降低了充放电过程电池温升，同时，导电剂的用量降低，增加了正极活性物质含量，提高正极容量；再其次，本发明采用匹配的湿法双面陶瓷PE膜，提高了电池的安全性能；最后，本发明的电解液选取添加有TMSB和MMDS的耐高压型电解液，在高电压条件下，可在正极表面成膜，抑制电解液的分解，有利于循环的稳定性；电池充电截止电压与传统三元电池相同，放电截止电压相对传统三元电池提升1～2V，电池容量提升至2800～3100mAh。
本发明提供的三元锂离子电池，避免了锟压时大颗粒破碎，提高了压实密度，降低了材料与电解液副反应，提高了循环性能；正极片及负极片的导电性能高，有效了抑制电解液分解，提高了导电电子及锂离子的传输，电池的容量高，安全性高。
本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。

Claims (10)

1.一种三元锂离子电池，其特征在于：包括正极片、负极片、隔膜及电解液；所述正极片、隔膜、负极片经卷绕、注入电解液后，装配成三元锂离子电池；所述正极片包括正极集流体及涂布于所述正极集流体上的正极浆料，所述正极浆料中各成分的质量百分比为：三元材料95～97％，正极导电剂1～2％，PVDF2～3％；所述三元材料为单晶三元材料；所述正极导电剂包括碳纳米管和导电炭黑；所述负极片包括负极集流体及涂布于所述负极集流体上的负极浆料，所述负极浆料中各成分的质量百分比为：负极活性材料90～97％，负极导电剂1～2％，CMC1～2％，SBR1～2％；所述负极活性材料为一次颗粒与二次颗粒复配的复合石墨；所述负极导电剂包括碳纳米管和导电炭黑。
2.如权利要求1所述的三元锂离子电池，其特征在于：所述正极导电剂中的碳纳米管与导电炭黑的质量比为1：(1～2)，所述负极导电剂中的碳纳米管与导电炭黑的质量比为1：(2～4)。
3.如权利要求2所述的三元锂离子电池，其特征在于：所述负极活性材料中的一次颗粒和二次颗粒的质量比为(2：8)～(6：4)。
4.如权利要求3所述的三元锂离子电池，其特征在于：所述隔膜的透气度为60～200sec/100ml，所述隔膜的厚度为12um。
5.如权利要求4所述的三元锂离子电池，其特征在于：所述隔膜包括PE基体及涂覆于PE基体两侧的陶瓷层，所述陶瓷层的厚度为2um。
6.如权利要求5所述的三元锂离子电池，其特征在于：所述电解液包括溶质、溶剂及添加剂；所述溶质为LiPF6，所述溶剂为体积比EC：DMC＝1：2，所述添加剂为TMSB及MMDS，所述LiPF6的浓度为1mol/L。
7.如权利要求6所述的三元锂离子电池，其特征在于：所述TMSB占所述电解液的质量分数为0.5％，所述MMDS占所述电解液的质量分数为0.5％。
8.如权利要求7所述的三元锂离子电池，其特征在于：所述正极浆料涂布于正极集流体上的涂布密度为280～450g/m2；正极浆料涂布后进行辊压的压实密度为3.5～3.8g/cm3。
9.如权利要求8所述的三元锂离子电池，其特征在于：所述负极浆料涂布于负极集流体上的涂布密度为140～300g/m2；负极浆料涂布后进行辊压的压实密度为1.4～1.7g/cm3。
10.如权利要求9所述的三元锂离子电池，其特征在于：所述正极集流体为铝箔，所述负极集流体为铜箔。
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