CN109088059A - 一种锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种快速充电、高稳定性的锂离子电池，该电池正极采用具有高导电性、高比表面的还原石墨烯(rGO)作为导电剂材料，保证体系具有优越的电子迁移率，采用具有高结构稳定性的LiFePO4作为活性材料，即便在大倍率充电条件下正极材料空间结构不会坍塌，负极活性材料采用高层间距的碳材料，保证锂离子在大倍率充放电情形下能够快速嵌入和脱嵌，而且锂离子进出过程中材料层间膨胀减小，正负极的配合使用使得电池循环性能提升，延长了使用寿命，并且能够在几分钟内快速充满电，实现了锂离子电池快速长效的使用特性，解决了目前锂离子电池充电速度过慢且循环寿命短的问题。

Description

一种锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备技术领域，尤其涉及一种超快速充电、高稳定性锂离子电池及其制备方法。
背景技术
随着人类社会的高速发展，人们对于能源提出了更多的需求，传统化石能源作为一种不可再生能源已经逐渐不能满足人们生活的需要，如何发展新型的可持续能源已经迫在眉睫。锂离子电池作为一种新型的可持续能源因其具有高容量、质轻、无污染、高寿命等特点已经被广泛研究并应用于电动车、乘用车、客车以及储能等领域。
目前，抑制锂离子电池大面积应用的关键因数主要是充电时间和使用寿命问题等。例如目前使用较多的手机移动电池充电时间大约为平均5～10小时，小型电动车充电时间为10小时左右，且使用年限较短。因此，攻克锂离子电池的充电时间过长并解决其使用寿命较短的问题是目前研究的挑战性问题。
专利文献CN107863489A公开了一种锂离子电池正极及使用该正极的锂离子电池，其通过构建正极活性物质/碳基纳米网复合物，将正极活性物质以纳米颗粒形式均匀镶嵌在所述碳基纳米网的网格中，提高了锂电池正极的导电性和锂电池的比容及循环稳定性，可快速充电和大倍率放电，但是这种方案由于纳米级的尺寸具有较大的比表面积，导致其在溶液中很容易聚集成束发生团聚，不能很好地分散于电池正极材料中，增加了电池的内阻，降低了电池的放电能力，进而影响电池的能量密度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种快速充电、高稳定性的锂离子电池，该电池正极采用具有高导电性、高比表面的还原石墨烯(rGO)作为导电剂材料，保证体系具有优越的电子迁移率，采用具有高结构稳定性的LiFePO4作为活性材料，即便在大倍率充电条件下正极材料空间结构不会坍塌，同时负极活性材料采用高层间距的碳材料，保证锂离子在大倍率充放电情形下能够快速嵌入和脱嵌，而且锂离子进出过程中材料层间膨胀减小，正负极的配合使用使得电池循环性能提升，延长了使用寿命，并且能够在几分钟内快速充满电，实现了锂离子电池快速长效的使用特性，解决了目前锂离子电池充电速度过慢且循环寿命短的问题。
本发明的具体技术方案为：一种锂离子电池，其特征在于，负极活性材料采用具有高层间距的碳材料；正极导电剂材料加入还原石墨烯(rGO)，同时采用LiFePO4作为正极活性材料。
更进一步地，所述负极碳材料的层间距为0.338～0.342nm。
更进一步地，所述负极碳材料可以为硬碳、软碳或其混合物。
更进一步地，所述正极材料还包括超导炭黑SP和PVDF，正极各成分质量比为，活性材料(LiFePO4)：94～97，导电剂1(超导炭黑SP)：1.5，导电剂2(rGO)：0.5～3.5，粘结剂(PVDF)：1。
更进一步地，活性材料(LiFePO4)：导电剂1(超导炭黑SP)：导电剂2(rGO)：粘结剂(PVDF)的最优比例参数为96：1.5：1.5：1。
更进一步地，控制正极面密度在60～120g/m2之间。
更进一步地，控制负极面密度在30～70g/m2之间。
更进一步地，正负极面密度搭配原则为负极容量高出正极容量5％～25％。
更进一步地，电解液中添加碳酸乙烯酯(EC)和低粘度二甲基碳酸酯(DMC)。
更进一步地，电解液中碳酸乙烯酯(EC)和低粘度二甲基碳酸酯(DMC)的质量配比为：3～7：7～3。
优选，电解液中碳酸乙烯酯(EC)和低粘度二甲基碳酸酯(DMC)的配比为：1:1。
本发明进一步提供一种制备上述锂离子电池的方法，所述方法包括以下步骤：
正极配料制片：将LiFePO4、SP、rGO、PVDF按照比例溶解于NMP溶液中，充分搅拌，使其均匀分散，将混合后的浆料涂布于铝箔表面，并进行烘干，常温辊压压实处理；
负极配料制片：将高层间距的碳材料、SP、分散剂(CMC)、粘结剂(SBR)按比例溶解于去离子水中，搅拌使其均匀分散，将混合后的浆料涂于铜箔表面，并进行烘干、常温辊压压实处理；
锂离子电池的组装和封装：将一定数量的负极片、隔膜、正极片依次叠放整齐，将叠放整齐的电芯极片用铝塑膜包裹并封装好，留一侧开口，接着向其中注入电解液，所述电解液中添加有EC和DMC混合溶剂，保证正负极材料充分浸润；将注入电解液的电芯完全封好，并于高温静置一定时间；
最后将电芯取出以0.1C小电流化成分容之后得到电池成品。
更进一步地，正极各成分质量比为，活性材料(LiFePO4)：94～97，导电剂1(超导炭黑SP)：1.5，导电剂2(rGO)：0.5～3.5，粘结剂(PVDF)：1。
更进一步地，所述负极碳材料的层间距为0.338～0.342nm。
更进一步地，电解液中碳酸乙烯酯(EC)和低粘度二甲基碳酸酯(DMC)的配比为3～7：7～3。
更进一步地，所述高温是指40-50℃，优选45℃。
更进一步地，静置时间为15-25小时，优选20小时。
更进一步地，负极片数量为16片，正极片数量为15片。
与现有技术对比，本发明存在以下有益效果：
1、本发明通过正极采用具有高导电性、高比表面的还原石墨烯(rGO)作为导电剂材料，保证体系具有优越的电子迁移率，采用具有高结构稳定性的LiFePO4作为活性材料，即便在大倍率充电条件下正极材料空间结构不会坍塌，同时负极活性材料采用高层间距的碳材料，保证锂离子在大倍率充放电情形下能够快速嵌入和脱嵌，而且锂离子进出过程中材料层间膨胀减小。
2、通过正极采用具有高导电性、高比表面的还原石墨烯(rGO)作为导电剂材料，采用具有高结构稳定性的LiFePO4作为活性材料，负极活性材料采用高层间距的碳材料，这种正负极材料的配合使用在保证电池倍率性能的同时极大的提升了电池的循环性能，能够在几分钟内快速充满电，延长了使用寿命，实现了锂离子电池快速长效的使用特性。
3、电解液添加高介电常数的碳酸乙烯酯(EC)和低粘度二甲基碳酸酯(DMC)，确保锂离子在正极脱嵌之后能够迅速通过电解质传输到负极表面并进一步进行嵌锂行为，能够实现在几分钟内快速充满电，摆脱动力电池充电时间过长的缺点。
4、本发明锂电池制作简单、成本低。
5、本发明锂电池制备条件可控，对环境的污染小。
附图说明
图1为锂离子电池的内部结构示意图
图2为锂离子电池充电速度性能
图3为本专利中得到的电池循环稳定性数据
图1中附图标记1为铝箔，2为正极活性材料，3为负极活性材料，4为隔膜，5为铜箔，6为导电剂材料。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的具体参数设置等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。
实施例1.
正极配料制片：将LiFePO4、SP、rGO、PVDF按照96：1.5：1.5：1的质量比溶解于NMP溶液中，充分搅拌10h，使其均匀分散，将混合后的浆料以100g/m2的单面面密度涂布于铝箔表面，于120℃条件下烘干，常温辊压压实处理；
负极配料制片：将硬碳、SP、分散剂(CMC)、粘结剂(SBR)按照95：2：1.5：1.5的比例溶解于去离子水中，搅拌10小时使其均匀分散，将混合后的浆料以50g/m2的单面面密度涂于铜箔表面，并于100℃条件下烘干、常温辊压压实处理；
锂离子电池的组装和封装：将一定数量的负极片(16片)、隔膜、正极片(15片)依次叠放整齐，保证长度与宽度方向负极片均稍大于正极片(约1.5mm)。将叠放整齐的电芯极片用铝塑膜包裹并封装好，留一侧开口，接着向其中注入电解液(EC：DMC＝1:1混合溶剂，同时加入溶剂重量的1％PS、0.5％VC添加剂)(保液系数为5.5g/Ah)，保证正负极材料充分浸润。将注入电解液的电芯完全封好，并于45℃条件下高温静置20小时。
最后将电芯取出以0.1C小电流化成分容之后得到电池成品。
锂离子电池的内部结构示意图如图1所示。对电池成品进行性能测试。
实施例2.
正极配料制片：将LiFePO4、SP、PVDF按照96：3：1的质量比溶解于NMP溶液中，充分搅拌10h，使其均匀分散，将混合后的浆料以100g/m2的单面面密度涂布于铝箔表面，于120℃条件下烘干，常温辊压压实处理；
负极配料制片：将硬碳、SP、分散剂(CMC)、粘结剂(SBR)按照95：2：1.5：1.5的比例溶解于去离子水中，搅拌10小时使其均匀分散，将混合后的浆料以50g/m2的单面面密度涂于铜箔表面，并于100℃条件下烘干、常温辊压压实处理；
锂离子电池的组装和封装：将一定数量的负极片(16片)、隔膜、正极片(15片)依次叠放整齐，保证长度与宽度方向负极片均稍大于正极片(约1.5mm)。将叠放整齐的电芯极片用铝塑膜包裹并封装好，留一侧开口，接着向其中注入电解液(EC：DMC＝1:1混合溶剂，同时加入溶剂重量的1％PS、0.5％VC添加剂)(保液系数为5.5g/Ah)保证正负极材料充分浸润。将注入电解液的电芯完全封好，并于45℃条件下高温静置20小时。
最后将电芯取出以0.1C小电流化成分容之后得到电池成品。锂离子电池的内部结构示意图如图1所示。对电池成品进行性能测试。
实施例3
正极配料制片：将LiFePO4、SP、rGO、PVDF按照96：1.5：1.5：1的质量比溶解于NMP溶液中，充分搅拌10h，使其均匀分散，将混合后的浆料以100g/m2的单面面密度涂布于铝箔表面，于120℃条件下烘干，常温辊压压实处理；
负极配料制片：将石墨、SP、分散剂(CMC)、粘结剂(SBR)按照95：2：1.5：1.5的比例溶解于去离子水中，搅拌10小时使其均匀分散，将混合后的浆料以50g/m2的单面面密度涂于铜箔表面，并于100℃条件下烘干、常温辊压压实处理；
锂离子电池的组装和封装：将一定数量的负极片(16片)、隔膜、正极片(15片)依次叠放整齐，保证长度与宽度方向负极片均稍大于正极片(约1.5mm)。将叠放整齐的电芯极片用铝塑膜包裹并封装好，留一侧开口，接着向其中注入电解液(EC：DMC＝1:1混合溶剂，同时加入溶剂重量的1％PS、0.5％VC添加剂)(保液系数为5.5g/Ah)保证正负极材料充分浸润。将注入电解液的电芯完全封好，并于45℃条件下高温静置20小时。
最后将电芯取出以0.1C小电流化成分容之后得到电池成品。锂离子电池的内部结构示意图如图1所示。对电池成品进行性能测试。
对获得的电池成品进行充电速度性能及电池循环稳定性测试，测试结果如图2-3所示。从图2中可以看出，本发明能够实现在几分钟内快速充满电，摆脱动力电池充电时间过长的缺点。从图3中可以看出实施例1所获得电池在循环3700次之后电池的容量保持率依然在92％以上，本发明的技术方案，正极采用具有高导电性、高比表面的还原石墨烯(rGO)作为导电剂材料，同时采用具有高结构稳定性的LiFePO4作为活性材料，负极活性材料采用具有高层间距的碳材料，极大的改善了电池的循环性能，延长了电池使用寿命。如图3所示，实施例2仅改变正极材料，实施例3仅改变负极材料，所得电池的循环性能均大幅下降，可见，本发明正负极材料之间存在配合作用，它们的配合使用使得在保证电池倍率性能的同时极大的提升了电池的循环性能，延长了电池的使用寿命。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，其特征在于，负极活性材料采用具有高层间距的碳材料，正极导电剂材料加入rGO，正极活性材料采用LiFePO4。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极的碳材料的层间距为0.338～0.342nm。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极的碳材料为硬碳、软碳或其混合物。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，正极材料还包括超导炭黑SP和PVDF，正极各成分质量比为，LiFePO4：超导炭黑SP：rGO：PVDF＝94～97：1.5：0.5～3.5：1。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，正极各成分质量比为，LiFePO4：超导炭黑SP：rGO：PVDF＝96：1.5：1.5：1。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，正极面密度在60～120g/m2之间。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，负极面密度在30～70g/m2之间。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，正负极面密度搭配原则为负极容量高出正极容量5％～25％。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，电解液中添加EC和DMC，EC和DMC的质量配比范围为3～7：7～3。
10.一种制备权利要求1-9任一项所述锂离子电池的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
正极配料制片：将LiFePO4、SP、rGO、PVDF按照比例溶解于NMP溶液中，充分搅拌，使其均匀分散，将混合后的浆料涂布于铝箔表面，并进行烘干，常温辊压压实处理；
负极配料制片：将高层间距的碳材料与导电剂、分散剂、粘结剂按比例溶解于去离子水中，搅拌使其均匀分散，将混合后的浆料涂于铜箔表面，并进行烘干、常温辊压压实处理；
对电池进行组装和封装：将一定数量的负极片、隔膜、正极片依次叠放整齐，将叠放整齐的电芯极片用铝塑膜包裹并封装好，留一侧开口，接着向其中注入电解液，保证正负极材料充分浸润；将注入电解液的电芯完全封好，并于高温条件下静置一定时间；
最后将电芯以小电流化成分容之后得到电池成品。
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