CN108630935A - 一种比能量大于200Wh/Kg的圆柱形锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

一种比能量大于200Wh/Kg的圆柱形锂离子电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种比能量大于200Wh/Kg的圆柱形锂离子电池及其制备方法，正负极分别采用高比容量的镍钴锰酸锂材料和石墨，正极浆料的质量比为：镍钴锰酸锂95‑98%、导电剂1‑2%、粘接剂1‑3%；负极浆料的质量比为：石墨95‑97%、导电剂0‑1%、增稠剂1‑3%、粘接剂1‑3%。盖帽采用含CID的动力型防爆盖帽，有效的保护电池的安全性能；隔膜采用干法单向拉伸隔膜，具有机械强度高、耐热性好、透过性好等特点有效保护电池的安全性能；本发明提供的锂离子电池，具有成本低、比能量高、循环性能优越的特点。

Description

一种比能量大于200Wh/Kg的圆柱形锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池。
背景技术
随着社会的发展，节能环保越来越受到大家的重视，新能源行业正是在此环境下不断发展起来的。其中相对于传统的铅酸电池，锂离子电池由于其比能量高、重量轻、体积小、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等优点逐渐得到了广泛的应用。随着锂离子电池应用的不断增广，对于其要求也越来越高了。如：由于尺寸固定、便于组装等优势而应用在电动汽车领域的18650圆柱型锂离子电池。目前市面上比较广泛使用的该类型电池其比能量在160Wh/kg左右，循环寿命在500周保持80%左右，难以满足电动汽车长的行驶里程数，长的使用寿命的需要。因此需要更高比能量、高循环寿命的18650圆柱型锂离子电池来满足该需求。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种比能量大于200Wh/Kg的圆柱形锂离子电池及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种比能量大于200Wh/Kg的圆柱形锂离子电池及其制备方法，该锂离子电池具有成本低、容量高（2600mAh）、循环性能优良（0.5C/0.5C循环500周后容量保持率约为91%）的优势。
本发明的一种锂离子电池，包括电芯，所述电芯包括钢壳、以及密封设于所述钢壳端部的盖帽，所述电芯还包括收容于所述钢壳内的电芯主体、以及灌注于所述电芯主体内的电解液，所述电芯主体由均连接有极耳的正极极片和负极极片、以及夹设于两者之间的隔膜卷绕构成，所述电芯主体两端分别设有上绝缘片和下绝缘片，所述正极极片为涂覆有镍钴锰酸锂的铝箔、负极极片为涂覆有石墨的铜箔，且所述铝箔、铜箔的厚度分别为13-15µm、7-9µm。
进一步的，所述盖帽为防爆盖帽。
进一步的，所述电解液为溶于碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸甲乙酯（EMC）混合溶液的六氟磷酸锂（LiPF6），其中碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸甲乙酯的质量比质量比为14：4：50：7，LiPF6的摩尔浓度为1mol。
进一步的，所述隔膜材质为玻璃纤维隔膜、陶瓷隔膜、PE（聚乙烯）隔膜或PP（聚丙烯）隔膜，其中陶瓷隔膜厚度为12-16µm。
更进一步的，所述PE隔膜、PP隔膜为单层或3层，优选干法单向拉伸隔膜。
本发明的一种锂离子电池的制备方法，包括正极浆料和负极浆料的制备、涂布、制片、装配和注液的步骤，其中正极浆料和负极浆料的制备的具体步骤为将质量百分比为95-98%镍钴锰酸锂、1-2%导电剂SuperP、1-3%第一粘接剂聚偏氟乙烯（PVDF）和第一溶剂在行星分散真空搅拌机中以公转10-30Hz、自转15-45Hz混匀，得到固含量为64%-70%、粘度为2000-5000mPa.s的正极浆料；将质量百分比为95-97%石墨、0-1%导电剂SuperP、1-3%增稠剂羧甲基纤维素钠（CMC）、1-3%第二粘接剂丁苯橡胶（SBR）和第二溶剂在行星分散真空搅拌机中以公转10-30Hz、自转15-45Hz混匀，得到固含量为52%-58%、粘度为1500-4500mPa.s的负极浆料。
进一步的，制备的所述锂离子电池的容量为2600mAh。
进一步的，涂布步骤具体是使用间隙式涂布机将正极浆料和负极浆料分别涂布于厚度为13-15µm的铝箔和7-9µm的铜箔上，得到正极极片和负极极片，并将两者在90-120℃下烤箱烘烤干燥，走速为4-6m/min；
制片步骤具体是将已涂布并干燥好的正极极片和负极极片于辊压机上辊压至得到表面光滑的厚度为135-145µm和130-140µm后，将已辊压好的正极极片和负极极片于自动分条机上分切成相应宽度的小片，并于制片机上将极片焊上极耳，贴上高温胶带于真空干燥箱内90-100℃干燥4h；
装配步骤具体是将正极极片和负极极片、以及夹在两者之间的陶瓷隔膜在相对湿度小于30%的条件下于卷绕机上卷绕成电芯主体，陶瓷隔膜厚度为12-16µm，经过外观及短路测试合格后，电芯主体与下绝缘片、上绝缘片放入钢壳内，通过逆变直流点焊机将负极极耳与钢壳焊接，经过滚槽，测短路，并在钢壳端部焊接含CID的动力型防爆盖帽，在70-90℃下于真空烤箱真空烘烤38-58h；
注液步骤具体是向烘烤完毕后于湿度≤1%的注液房中，向电芯主体内注入电解液并将盖帽折好后，于封口机中封口，得到电芯，清洗干净并涂上防锈油于常温下搁置36-72h。
进一步的，所述第一溶剂为N-甲基吡咯烷酮（NMP），所述第二溶剂为去离子水。
进一步的，所述制片步骤中，正极极片和负极极片的面密度分别为45-47mg/cm2和21-23mg/cm2。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明使用镍钴锰酸锂作为正极材料，具有比容量高、成本低、原料资源丰富、安全性好和环境友好等优点；使用石墨作为负极材料，具有比容量高、循环性能好、造价低等特点；由镍钴锰酸锂-石墨制成的高容量圆柱形锂离子电池，具有比能量高（大于200Wh/Kg）、循环性能优良（0.5C/0.5C循环500周后容量保持率约为91%）。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明中圆柱型锂离子电池的结构示意图；
图2是本发明中实施例一中圆柱形锂离子电池分析测试（1）的工艺参数；
图3是本发明中实施例一中圆柱形锂离子电池分析测试（3）的在0.2C、0.5C、1C、2C、3C、5C放电倍率下的放电曲线图。
图4是本发明中实施例一中圆柱形锂离子电池分析测试（4）的在0.5C放电倍率下的循环曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，本发明一较佳实施例所述的一种锂离子电池，包括电芯，所述电芯包括钢壳1、以及密封设于所述钢壳1端部的盖帽2，所述电芯还包括收容于所述钢壳1内的电芯主体、以及灌注于所述电芯主体内的电解液3，所述电芯主体由均连接有极耳9的正极极片4和负极极片5、以及夹设于两者之间的隔膜6卷绕构成，所述电芯主体两端分别设有上绝缘片7和下绝缘片8，所述正极极片4为涂覆有镍钴锰酸锂的铝箔、负极极片5为涂覆有石墨的铜箔，且所述铝箔、铜箔的厚度分别为13-15µm、7-9µm。
为了提高锂离子电池的安全性能，所述盖帽2为防爆盖帽。
优选的，所述电解液3为溶于碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸甲乙酯（EMC）混合溶液的六氟磷酸锂（LiPF6），其中碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸甲乙酯的质量比为14：4：50：7，LiPF6的摩尔浓度为1mol质量比质量比。
优选的，所述隔膜6材质为玻璃纤维隔膜、陶瓷隔膜、PE（聚乙烯）隔膜或PP（聚丙烯）隔膜，其中陶瓷隔膜厚度为12-16µm。
优选的，所述PE隔膜、PP隔膜为单层膜或3层膜，进一步优选干法单向拉伸隔膜，具有机械强度高、耐热性好、透过性好等特点，有效保护电池的安全性能。
圆柱型锂离子电池的制备方法如下：
（1）制备浆料：将970g镍钴锰酸锂、15g SuperP、15g 聚偏氟乙烯（PVDF）和540g N-甲基吡咯烷酮在行星分散真空搅拌机中以公转10-30Hz、自转15-45Hz混匀，得到固含量为65%、粘度为2000-5000mPa.s的正极浆料；将960g石墨、5g SuperP、20g羧甲基纤维素钠（CMC）、15g丁苯橡胶（SBR）和820g去离子水在行星分散真空搅拌机中以公转10-30Hz、自转15-45Hz混匀，得到固含量为55%、粘度为1500-4500mPa.s的负极浆料；
（2）涂布：使用间隙式涂布机将正极浆料涂于厚度为14µm铝箔上，负极浆料涂于厚度为8µm的铜箔上，制成面密度分别为45-47mg/cm2和21-23mg/cm2的正负极片，并在烤箱温度为90-120℃中烘烤，走速为5m/min；
（3）制片：将已涂布并干燥好的极片于辊压机上辊压得到表面光滑的厚度约为140µm和135µm的正极极片和负极极片；再将已辊压好的极片于自动分切机分条制成正负极宽度为57mm和59mm的极片，将极片于自动制片机上焊上极耳，贴上高温胶带于真空干燥箱内90-100℃干燥4h。.
（4）装配：将极片于相对湿度小于30%的环境下于卷绕机上将厚度为16µm的陶瓷隔膜、正极极片和负极极片卷绕成电芯主体，经过外观及短路测试合格后，电芯主体与下绝缘片、上绝缘片放入直径18±0.3mm、高度68±0.5的钢壳内，通过逆变直流点焊机将负极极耳与钢壳焊接相连，经过滚槽，测短路，焊上含CID的动力型防爆盖帽后，于真空烤箱中70-90℃条件下烘烤38-58h。
（5）注液：将已烘烤好电芯于湿度≤1%的注液房中，注入4.8-5.8g电解液，将盖帽折好后，于封口机中封口制成直径≤18.3，高度≤66.3的标准电芯，清洗干净并涂上防锈油于常温下搁置36-72h。
将上述制备的圆柱型锂离子电池做测试分析如下：
（1）化成分容：将注液搁置后的电芯于化成分容检测柜上以小电流充电进行化成激活电池，并使用1300mA的电流进行分容，以20mAh一档筛选出容量合格的电池，工艺参数如图2所示。
（2）老化：将筛选合格的电池贴上不干胶面垫、套上PVC套管，于常温下搁置7天，再测试电压内阻，筛选出电压≥3.85V，内阻≤40mΩ的电池。
（3）倍率性能测试：电芯进行0.2C充电至4.2V，分别采用0.2C、0.5C、1C、2C、3C、5C放电至2.75V，查看其相对于0.2C时的放电容量保持率，如图3所示，电芯在0.2C、0.5C、1C、2C、3C、5C 放电倍率下容量分别为2678.3mAh、2636.3mAh、2614mAh、2596.5mAh、2571.7mAh、2317.2 mAh相对于0.2C时的放电容量，0.5C-5C其容量保持率分别为98.43%、97.60%、96.95%、96.02%、86.52%。
（4）循环性能测试：使用0.5C充电至4.2V，分别用0.5C放电至2.75V，以此充放电方式循环500周，查看其循环500周后的容量相对于首次放电容量时的保持率，如图4所示，电芯首次循环放电容量为2648.1mAh，循环500周后其放电容量为2406.3mAh，相对首次放电容量时的保持率为90.9%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种比能量大于200Wh/Kg的圆柱形锂离子电池的制备方法，包括正极浆料和负极浆料的制备、涂布、制片、装配和注液的步骤，其特征在于：正极浆料和负极浆料的制备的具体步骤为：将质量百分比为95-98%镍钴锰酸锂、1-2%导电剂、1-3%第一粘接剂在第一溶剂中混匀，得到固含量为64%-70%的正极浆料；将质量百分比为95-97%石墨、0-1%导电剂、1-3%增稠剂、1-3%第二粘接剂在第二溶剂中混匀，得到固含量为52%-58%的负极浆料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：制备的所述锂离子电池的容量为2600mAh。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
涂布步骤具体是将正极浆料和负极浆料分别涂布于铝箔和铜箔上，得到正极极片和负极极片，并将两者在90-120℃下干燥；
制片步骤具体是将已涂布并干燥好的正极极片和负极极片压至厚度为135-145µm和130-140µm后切割，并分别焊上极耳，在90-100℃下真空干燥4h；
装配步骤具体是将正极极片和负极极片、以及夹在两者之间的隔膜卷绕成电芯主体，电芯主体与下绝缘片、上绝缘片放入钢壳内，并将负极极耳与钢壳焊接、盖帽与钢壳端部焊接，在70-90℃下真空烘烤38-58h；
注液步骤具体是向烘烤完毕后的电芯主体内注入电解液并将盖帽折好封口，得到比能量大于200Wh/Kg的锂离子电池。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述第一溶剂为N-甲基吡咯烷酮，所述第二溶剂为去离子水。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述制片步骤中，正极极片和负极极片的面密度分别为45-47mg/cm2和21-23mg/cm2。
6.一种锂离子电池，其特征在于：由1至5任一权利要求所述的方法制备而成，包括电芯，所述电芯包括钢壳、以及密封设于所述钢壳端部的盖帽，所述电芯还包括收容于所述钢壳内的电芯主体、以及灌注于所述电芯主体内的电解液，所述电芯主体由连接有极耳的正极极片和负极极片、以及夹设于两者之间的隔膜卷绕构成，所述电芯主体两端分别设有上绝缘片和下绝缘片，所述正极极片为涂覆有镍钴锰酸锂层的铝箔、负极极片为涂覆有石墨层的铜箔，且所述铝箔、铜箔的厚度分别为13-15µm、7-9µm。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于：所述盖帽为防爆盖帽。
8.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于：所述电解液为溶于碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯混合溶液的六氟磷酸锂。
9.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于：所述隔膜材质为玻璃纤维隔膜、陶瓷隔膜、PE隔膜或PP隔膜。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于：所述PE隔膜、PP隔膜为单层或3层。
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