CN108511748A - 一种高容量18650锂离子电池的制造方法 - Google Patents

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刘航
马延会
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Abstract

本发明提供一种高容量18650锂离子电池的制造方法，1）正极活性物质为以LiNixCoyMnzO2为主、钴酸锂为辅的比例配合的复合材料；2）正极片上粘结剂为聚偏氟乙烯，复合导电剂为超导炭黑SP或鳞片石墨KS‑6；3）该电池负极片上的复合导电剂为人造石墨粉、碳纳米管CNT，增稠剂为CMC，粘结剂为丁苯橡胶；4）正、负极浆料的制备均采用干法混料方式；5）该电池正极片、负极片的制备；6）正、负极片加上隔膜后卷绕、放面垫、入钢壳、点焊负极耳、滚槽，最后挑极耳后入70±5℃烘箱充氮气继续干燥，得到待注液电芯；制成的电芯注入电解液、封口、清洗电芯外表面、化成、分容、老化即制成锂离子电池。有益效果：该电池具有放电比容量高、成本低、循环稳定性好的优点。

Description

一种高容量18650锂离子电池的制造方法
技术领域
本发明属于锂离子动力电池制造技术领域，具体涉及一种高容量18650锂离子电池的制造方法。
背景技术
18650锂离子电池具有容量大、寿命长、安全性能高等特点，又因为体积小，重量轻，使用方便，深受消费者的青睐。采用18650电池作为新能源电动汽车的动力之源，在现阶段是最优的选择。但锂离子动力电池放电电流同其他电池相比，放电率偏小，比功率较小，需要考虑增大电池的容量来满足电动车的要求。目前常规的电池正极材料是钴酸锂LiCoO2，其价格较高，容量较低，且循环性能欠缺，而镍钴锰三元电池材料是近年来开发的一类新型锂离子电池正极材料，具有容量高、循环稳定性好、成本适中等重要优点，且工作电压与现有电解液匹配(4.1V)，用它做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高。目前在一些山寨手机上已经有用三元材料的电池了，特别是容量比较高的电池。许多专家预言：三元材料凭借其优异的性能和合理的制造成本有望在不久的将来取代价格高昂的钴酸锂材料。
但目前市场上18650电芯的容量一般在2200mAh左右，与实际需求相比容量偏低。
发明内容
本发明为为解决18650电池常用正极材料钴酸锂容量低、成本高及循环稳定性差的问题，本专利通过在常用正极材料钴酸锂中添加不同质量比例的镍钴锰三元电池材料制成复合材料，并改变正、负极混料方式，力争使18650正极活性物质的容量发挥到最大，电化学性能有所提升。提出一种2600mAh18650电芯的制造方法及其相应电池的制作方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高容量18650锂离子电池的制造方法， 1）该电池正极片上的正极活性物质为以LiNixCoyMnzO2为主、钴酸锂为辅按质量比3～8:2的比例配合的复合材料；
2）该电池正极片上用的粘结剂为聚偏氟乙烯PVDFHSV900，复合导电剂为超导炭黑SP、鳞片石墨KS-6中的一种或两种，正极集流体采用铝箔；
3）该电池负极片上的活性物质为人造石墨粉，复合导电剂为碳纳米管CNT，增稠剂为羧甲基纤维素钠CMC，粘结剂为丁苯橡胶SBR，负极集流体采用铜箔；
4）正、负极浆料的制备均采用干法混料方式；
5）该电池正极片、负极片的制备方法包括以下步骤：
（1）正极片制备：将按质量配比的钴酸锂与LiNixCoyMnzO2的正极复合活性材料和复合导电剂及粘结剂聚偏氟乙烯PVDFHSV900依次加入双行星动力混合机，干混3h，其中正极复合活性材料占90～98重量份、复合导电剂占1～1.5重量份、粘结剂聚偏氟乙烯PVDFHSV900占1～2重量份，同时开启分散、公转，先5～10HZ搅拌10min，刮壁后合釜再20～25HZ搅拌1h并抽真空，真空度＞-0.09Mpa；1h后停止搅拌进行二次刮壁，并抽真空，真空度＞-0.09Mpa；再合釜抽真空搅拌2h至完全混合均匀，再加入溶剂N-甲基吡咯烷酮溶剂(NMP)搅拌，NMP加入量为前述物料（正极复合活性材料+ PVDFHSV900+复合导电剂）总质量的30-35％，加入溶剂后搅拌是先5～10HZ搅拌10min，再调至20～25HZ搅拌2h，制成正极浆料；将正极浆料涂覆在14-16μm厚的金属Al箔上经烘箱80℃-115℃温度范围烘干收卷，经80±5℃烘箱继续烘烤，然后将烘干的正极片辊压、分条或裁片、焊极耳、贴胶，制成客户要求尺寸的正极极片；
（2）负极片的制备：将称好的95-96％重量份的人造石墨粉和0.5-1.5％重量份的碳纳米管CNT、1-1.5％重量份的羧甲基纤维素CMC，依次加入双行星动力混合机，干混3h，同时开启分散、公转，先5～10HZ搅拌10min，刮壁后合釜再20～25HZ搅拌1h并抽真空，真空度＞-0.09Mpa；1h后停止搅拌进行二次刮壁，并抽真空，真空度＞-0.09Mpa；再合釜抽真空搅拌2h至完全混合均匀，再加入溶剂去离子水搅拌，去离子水加入量是前述物料（人造石墨粉+CNT+CMC）总质量的50-55％，加入去离子水后是先5～10HZ搅拌10min，再调至20～25HZ搅拌2h，最后加入2-2.5%重量份的丁苯橡胶SBR，10～15HZ真空反向搅拌30分钟，最后过95-110目筛制成负极浆料；将负极浆料涂覆在8-10μm厚的金属铜箔上，在80℃-115℃的温度范围烘干，再经负极辊压、分条或裁片、焊极耳、贴胶制成客户要求尺寸的负极片；
6）将前面得到的正、负极片加上隔膜后卷绕、放面垫、入钢壳、点焊负极耳、滚槽，最后挑极耳后入70±5℃烘箱充氮气继续干燥，得到待注液电芯；
制成的电芯在露点<-50°的真空手套箱中注入电解液，再将正极片引出的极耳与盖帽用激光焊焊接在一起，封口、清洗电芯外表面，测试短路后再经化成、分容、老化即制成锂离子电池；电池化成的工步步骤如下：
第一步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第二步：恒流充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流115mA；
第三步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第四步：恒流充电，工艺参数为：时间180min，上限电压4200mV，电流230mA；
第五步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第六步：恒流充电，工艺参数为：时间180min，上限电压4200mV，电流460mA；
第七步：搁置，工艺参数为：时间1440min；
第八步：恒流恒压充电，工艺参数为：时间1440min，上限电压4200mV，电流460mA；
第九步：搁置，工艺参数为：时间，10min；
第十步：恒流放电，工艺参数为：下限电压2750mV，电流460mA；
第十一步：搁置，工艺参数为：时间，10min；
第十二步：恒流充电，工艺参数为：时间160min，上限电压4200mV，电流460mA；
第十三步：结束。
所述LiNixCoyMnzO2为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2中的一种。
本发明的有益效果：与现有技术相比，由于该电芯的正极活性物质使用了三元材料为主、钴酸锂为辅的混合物，采用相对廉价的三元材料代替部分昂贵的钴酸锂，既降低了电池的制造成本，又能充分发挥三元材料容量高的优势，电芯的容量高达2600mAh,远高于一般的2200mAh。采用这种方法制造的电池具有放电比容量高（不低于2600mAh）、成本低、循环稳定性好的优点。
附图说明
图1为实施例1制成的电池1C充放电200次的循环图。
具体实施方式
实施例1
1）钴酸锂与三元正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的质量比为1：4，两种正极活性材料质量百分比为97%，再称取1.3％的SP、0.2%的KS-6，1.5％的聚偏氟乙烯PVDFHSV900，将以上各物料按干混的方法制成正极浆料。将正极浆料涂覆在16μm厚的金属铝箔上得正极片，将正极片置于80-105℃的烘箱并抽真空烘干后，辊压成厚度为0.138±2mm厚的正极片。然后再经裁片、分条、焊极耳、贴胶制成待用正极片。
2）将质量百分比为95％的人造石墨粉、1.5％的CNT、1.5％的羧甲基纤维素CMC及2%的SBR，将以上各物料采用干混的方法制成负极浆料。将负极浆料涂覆在9μm厚的金属铜箔上制得负极片，将负极片置于80-115℃的烘箱并抽真空烘干后，辊压成厚度为0.145±2mm厚的负极片。然后再经裁片、分条、焊极耳、贴胶制成卷电芯待用负极片。
3）将制好的正、负极片按极耳方向平整的放置于圆柱电池半自动卷绕机上，调整卷绕参数，正、负极片之间用隔膜隔开。将极片卷绕成圆柱状极组，极组上下均放置面垫后入钢壳。将负极片引出的极耳点焊于钢壳底部，再将正极耳按压壳内进行滚槽、抹油、挑极耳，最后将制好的电芯置于75-85℃的烘箱并充氮气烘烤。将烘烤完毕的电芯在露点<-50°的真空手套箱中注入电解液，再将正极片引出的极耳与盖帽用激光焊焊接在一起，封口化成后即组装成18650圆柱型动力电池。
采用以上参数及制造工艺，制成的18650圆柱形锂离子动力电池，容量达到2631.5mAh，电池内阻20.1mΩ，1C放电循环203次容量保存率为98.1％。
实施例2
1）钴酸锂与三元正极材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的质量比为3：7，两种正极活性材料质量百分比为96.5%，再称取1.3％的SP、0.2%的KS-6，2％的聚偏氟乙烯PVDF HSV900，将以上各物料按照干混的方法制成正极浆料。将正极浆料涂覆在16μm厚的金属铝箔上得正极片，将正极片置于80-105℃的烘箱并抽真空烘干后，辊压成厚度为0.140±2mm厚的正极片。然后再经裁片、分条、焊极耳、贴胶制成卷电芯待用正极片。
2）将质量百分比为95.5％的人造石墨粉、1％的CNT、1.5％的羧甲基纤维素CMC及2%的SBR，将以上各物料按照干混的方法制成负极浆料。将负极浆料涂覆在9μm厚的金属铜箔上制得负极片，将负极片置于80-115℃的烘箱并抽真空烘干后，辊压成厚度为0.145±2mm厚的负极片。然后再经裁片、分条、焊极耳、贴胶制成卷电芯待用负极片。
3）将制好的正负极片按极耳方向平整的放置于圆柱电池卷绕机上，调整卷绕参数，正负极片之间再放置隔膜。将极片卷绕成圆柱状极组，极组上下均放置面垫后入钢壳。将负极片引出的极耳点焊于钢壳底部，再将正极耳按压壳内进行滚槽、抹油、挑极耳，最后将制好的电芯置于70±5℃的烘箱并充氮气烘烤。将烘烤完毕的电芯在露点<-50°的真空手套箱中注入电解液，再将正极片引出的极耳与盖帽用激光焊焊接在一起，封口化成后即组装成高容量的18650圆柱电池。
采用以上参数及制造工艺，制成的18650圆柱型锂离子动力电池，容量达到2620mAh，电池内阻23.7mΩ，1C放电循环203次容量保存率为98.0％。
实施例3
1）钴酸锂与三元正极材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的质量比为2：3，两种正极活性材料质量百分比为97%，再称取0.8％的SP、0.2%的KS-6，2％的聚偏氟乙烯PVDF HSV900，将以上各物料按照干混的方法制成正极浆料。将正极浆料涂覆在16μm厚的金属铝箔上得正极片，将正极片置于80-105℃的烘箱并抽真空烘干后，辊压成厚度为0.140±2mm厚的正极片。然后再经裁片、分条、焊极耳、贴胶制成卷电芯待用正极片。
2）将质量百分比为96％的人造石墨粉、0.5％的CNT、1％的羧甲基纤维素CMC及2.5%的SBR，将以上各物料按照干混的方法制成负极浆料。将负极浆料涂覆在9μm厚的金属铜箔上制得负极片，将负极片置于80-115℃的烘箱并抽真空烘干后，辊压成厚度为0.145±2mm厚的负极片。然后再经裁片、分条、焊极耳、贴胶制成卷电芯待用负极片。
3）将制好的正负极片按极耳方向平整的放置于圆柱电池卷绕机上，调整卷绕参数，正负极片之间再放置隔膜。将极片卷绕成圆柱状极组，极组上下均放置面垫后入钢壳。将负极片引出的极耳点焊于钢壳底部，再将正极耳按压壳内进行滚槽、抹油、挑极耳，最后将制好的电芯置于70±5℃的烘箱并充氮气烘烤。将烘烤完毕的电芯在露点<-50°的真空手套箱中注入电解液，再将正极片引出的极耳与盖帽用激光焊焊接在一起，封口化成后即组装成高容量的18650圆柱电池。
采用以上参数及制造工艺，制成的18650圆柱型锂离子动力电池，容量达到2611mAh，电池内阻26.2mΩ，1C放电循环200次容量保持率为98.8％。
实施例4
1）钴酸锂与三元正极材料为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2混合物的质量比为1：1，两种正极活性材料质量百分比为97%，再称取1.3％的SP、0.2%的KS-6，1.5％的聚偏氟乙烯PVDF HSV900，将以上各物料按照干混的方法制成正极浆料。将正极浆料涂覆在16μm厚的金属铝箔上得正极片，将正极片置于80-105℃的烘箱并抽真空烘干后，辊压成厚度为0.140±2mm厚的正极片。然后再经裁片、分条、焊极耳、贴胶制成卷电芯待用正极片。
2）将质量百分比为95.5％的人造石墨粉、1％的碳纳米管CNT、1.5％的羧甲基纤维素CMC及2%的SBR各物料按照干混的方法制成负极浆料。将负极浆料涂覆在9μm厚的金属铜箔上制得负极片，将负极片置于80-115℃的烘箱并抽真空烘干后，辊压成厚度为0.145±2mm厚的负极片。然后再经裁片、分条、焊极耳、贴胶制成卷电芯待用负极片。
3）将制好的正负极片按极耳方向平整的放置于圆柱电池卷绕机上，调整卷绕参数，正负极片之间再放置隔膜。将极片卷绕成圆柱状极组，极组上下均放置面垫后入钢壳。将负极片引出的极耳点焊于钢壳底部，再将正极耳按压壳内进行滚槽、抹油、挑极耳，最后将制好的电芯置于70±5℃的烘箱并充氮气烘烤。将烘烤完毕的电芯在露点<-50°的真空手套箱中注入电解液，再将正极片引出的极耳与盖帽用激光焊焊接在一起，封口化成后即组装成高容量的18650圆柱电池。
采用以上参数及制造工艺，制成的18650圆柱型锂离子动力电池，容量达到2603mAh，电池内阻29mΩ，1C放电循环200次容量保持率为98.1％。

Claims (2)

1.一种高容量18650锂离子电池的制造方法，其特征在于：1）该电池正极片上的正极活性物质为以LiNixCoyMnzO2为主、钴酸锂为辅按质量比3～8:2的比例配合的复合材料；
2）该电池正极片上用的粘结剂为聚偏氟乙烯PVDFHSV900，复合导电剂为超导炭黑SP、鳞片石墨KS-6中的一种或两种，正极集流体采用铝箔；
3）该电池负极片上的活性物质为人造石墨粉，复合导电剂为碳纳米管CNT，增稠剂为羧甲基纤维素钠CMC，粘结剂为丁苯橡胶SBR，负极集流体采用铜箔；
4）正、负极浆料的制备均采用干法混料方式；
5）该电池正极片、负极片的制备方法包括以下步骤：
（1）正极片制备：将按质量配比的钴酸锂与LiNixCoyMnzO2的正极复合活性材料和复合导电剂及粘结剂聚偏氟乙烯PVDFHSV900依次加入双行星动力混合机，干混3h，其中正极复合活性材料占90～98重量份、复合导电剂占1～1.5重量份、粘结剂聚偏氟乙烯PVDFHSV900占1～2重量份，同时开启分散、公转，先5～10HZ搅拌10min，刮壁后合釜再20～25HZ搅拌1h并抽真空，真空度＞-0.09Mpa；1h后停止搅拌进行二次刮壁，并抽真空，真空度＞-0.09Mpa；再合釜抽真空搅拌2h至完全混合均匀，再加入溶剂NMP搅拌，加入溶剂后搅拌是先5～10HZ搅拌10min，再调至20～25HZ搅拌2h，制成正极浆料；将正极浆料涂覆在14-16μm厚的金属Al箔上经烘箱80℃-115℃温度范围烘干收卷，经80±5℃烘箱继续烘烤，然后将烘干的正极片辊压、分条或裁片、焊极耳、贴胶，制成客户要求尺寸的正极极片；
（2）负极片的制备：将称好的95-96％重量份的人造石墨粉和0.5-1.5％重量份的碳纳米管CNT、1-1.5％重量份的羧甲基纤维素CMC，依次加入双行星动力混合机，干混3h，同时开启分散、公转，先5～10HZ搅拌10min，刮壁后合釜再20～25HZ搅拌1h并抽真空，真空度＞-0.09Mpa；1h后停止搅拌进行二次刮壁，并抽真空，真空度＞-0.09Mpa；再合釜抽真空搅拌2h至完全混合均匀，再加入溶剂去离子水搅拌，加入去离子水后是先5～10HZ搅拌10min，再调至20～25HZ搅拌2h，最后加入2-2.5%重量份的丁苯橡胶SBR，10～15HZ真空反向搅拌30分钟，最后过筛制成负极浆料；将负极浆料涂覆在8-10μm厚的金属铜箔上，在80℃-115℃的温度范围烘干，再经负极辊压、分条或裁片、焊极耳、贴胶制成客户要求尺寸的负极片；
6）将前面得到的正、负极片加上隔膜后卷绕、放面垫、入钢壳、点焊负极耳、滚槽，最后挑极耳后入70±5℃烘箱充氮气继续干燥，得到待注液电芯；
制成的电芯在露点<-50°的真空手套箱中注入电解液，再将正极片引出的极耳与盖帽用激光焊焊接在一起，封口、清洗电芯外表面，测试短路后再经化成、分容、老化即制成锂离子电池；电池化成的工步步骤如下：
第一步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第二步：恒流充电，工艺参数为：上限电压4200mV，电流115mA；
第三步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第四步：恒流充电，工艺参数为：时间180min，上限电压4200mV，电流230mA；
第五步：搁置，工艺参数为：时间5min；
第六步：恒流充电，工艺参数为：时间180min，上限电压4200mV，电流460mA；
第七步：搁置，工艺参数为：时间1440min；
第八步：恒流恒压充电，工艺参数为：时间1440min，上限电压4200mV，电流460mA；
第九步：搁置，工艺参数为：时间，10min；
第十步：恒流放电，工艺参数为：下限电压2750mV，电流460mA；
第十一步：搁置，工艺参数为：时间，10min；
第十二步：恒流充电，工艺参数为：时间160min，上限电压4200mV，电流460mA；
第十三步：结束。
2.如权利要求1所述的一种高容量18650锂离子电池的制造方法，其特征在于：所述LiNixCoyMnzO2为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2中的一种。
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