CN109244339A - 一种高安全高能量密度的三元锂离子电池 - Google Patents

一种高安全高能量密度的三元锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高安全高能量密度的三元锂离子电池，属于污水锂电技术领域。本发明的三元锂离子电池包括正极极片、负极极片、隔膜，所述正极极片上涂覆有正极材料，所述负极极片上涂覆有负极材料，所述正极材料包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂，所述正极活性物质由重量百分比为60％‑80％的镍锰钴酸锂和重量百分比为20％‑40％的磷酸锰铁锂组成，所述磷酸锰铁锂的铁元素和锰元素的重量比为(17‑23):(77‑83)。本发明在提高锂离子能量密度的同时，有效保证了锂离子电池的安全性能。

Description

一种高安全高能量密度的三元锂离子电池
技术领域
本发明属于锂电技术领域，涉及一种高安全高能量密度的三元锂离子电池。
背景技术
随着化石能源的枯竭和环境污染的日益严重，寻找清洁可持续发展的能源成为人们迫切的需求。目前，锂离子电池作为一种清洁能源，具有能量密度高、循环性能好、绿色环保等优点，已广泛应用于生活的各个领域，如手机、电脑、汽车等。锂离子电池在是一种二次电池(充电电池)，随着社会的发展，锂离子电池的应用愈加广泛，对锂离子电池性能的要求也越来越高。尤其是对锂离子电池能量密度的提升是大势所趋，但高能量密度与电池的安全性却往往无法同时兼容，随着锂离子电池能量密度的不断提升，其安全性能有所恶化，导致使用过程中可能会出现电芯爆炸燃烧的现象，严重威胁到使用者的人身安全，因此需要在保持锂离子电池电芯高能量密度的同时，提高电芯的安全性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种同时满足高安全和高能量密度的三元锂离子电池。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种高安全高能量密度的三元锂离子电池，所述三元锂离子电池包括正极极片、负极极片、隔膜，所述正极极片上涂覆有正极材料，所述负极极片上涂覆有负极材料，所述正极材料包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂，所述正极活性物质由重量百分比为60％-80％的镍锰钴酸锂和重量百分比为20％-40％的磷酸锰铁锂组成，所述磷酸锰铁锂的铁元素和锰元素的重量比为(17-23):(77-83)。
作为优选，所述镍锰钴酸锂型号为NCM622。
本发明将镍锰钴酸锂和镍锰钴酸锂NCM622复合使用，避免了单纯使用NCM622因其镍含量高，易出现热失控，导致电芯失效的问题。磷酸锰铁锂为橄榄枝晶体结构，其结构非常稳定，热稳定性好。本发明通过磷酸锰铁锂的铁元素和锰元素的合理配伍，进一步优化了其晶体结构，使得在掺杂20％-40％磷酸锰铁锂之后，磷酸锰铁锂对镍锰钴酸锂表面进行一层有效包覆，极大地提高了锂离子电池电芯的安全性能，在针刺、过充等安全测试方面，均能正常通过。
作为优选，所述负极材料包括石墨，所述石墨的粒径D5为20nm，克容量为340-360mAh/g。
本发明使用大颗粒及高克容量的石墨作为负极活性物质，降低了负极的涂覆面密度，减少了负极体系的重量，从而提高了电池的能量密度；大颗粒的石墨比表面积较小，还有助于减少石墨与电解液、气体等其他物质反应面积，提高电池的安全性，
作为优选，所述正极极片的面密度为335-360g/m2。
作为优选，所述正极极片辊压采用2.90-3.00g/cm3的压实密度，负极极片辊压采用1.6-1.8g/cm3的压实密度。
作为优选，所述三元锂离子电池的负极容量与正极容量的比例为1.16-1.18。
作为优选，所述正极极片的集流体箔材厚度为11-13μm，负极极片的集流体箔材厚度为7-9μm。
作为优选，所述正极极片的集流体采用铝箔，所述负极极片的集流体采用铜箔。
本发明采用较薄的箔材，保证制程的合格率同时也减轻了电芯的重量。
作为优选，所述隔膜为双面陶瓷隔膜。
所述双面陶瓷隔膜包括基膜和设置在基膜量表面的陶瓷涂层，所述基膜的厚度为16μm，所述陶瓷涂层的厚度为4μm。
双面陶瓷隔膜耐高温，在过充安全测试中不易发生收缩，间接杜绝正负极极片之间的直接接触，从而避免了电池热失控发生；双面干法陶瓷隔膜热收缩性好，在高温130℃、1h下只发生最多1％的收缩，其在160℃高温下不融化，依旧能够起到隔离正负极作用。本发明通过使用双面陶瓷隔膜，并通过控制双面陶瓷隔膜基膜和陶瓷涂层的厚度，有效避免了颗粒刺穿隔膜造成微短路而引发的安全问题。
作为优选，所述锂离子电池的电芯采用多片正极片和多片负极叠片而成，并呈两种极性交错状态设置，正极片与负极片之间设有将两者相隔的隔膜，每片极片均设有极耳，利用超声波点焊方式将每片极片的极耳连接起来，能够降低电池的内阻，提高放电效率。叠片结构电池相对卷绕结构电池可以保证电子和离子导电性，减小极化，增加放电平台电压，从而提高能量密度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过合理选择配伍和优化锂离子电池的正负极活性材料、隔膜、正负极容量比等参数，在提高锂离子能量密度的同时，有效保证了锂离子电池的安全性能。本发明制得的锂离子电池电芯单体的标称能量密度可达到200wh/kg,实际的能量密度可达到215wh/kg，电池的循环寿命可达到3500次循环充放，完全可以满足现有市场对电池寿命的需求。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例中的高安全高能量密度的三元锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔膜，正极极片上涂覆有正极材料，负极极片上涂覆有负极材料，正极极片的面密度为335g/m2，正极极片辊压采用3.00g/cm3的压实密度，负极极片辊压采用1.6g/cm3的压实密度，负极容量与正极容量的比例为1.16，正极极片的集流体箔材铝箔厚度为11μm，负极极片的集流体箔材铜箔厚度为7μm。
正极材料包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂，正极活性物质由重量百分比为60％的镍锰钴酸锂NCM622和重量百分比为40％的磷酸锰铁锂组成，磷酸锰铁锂的铁元素和锰元素的重量比为17:83。
负极材料的活性物质为石墨，石墨的粒径D5为20nm，克容量为340mAh/g。
隔膜为双面陶瓷隔膜，双面陶瓷隔膜包括基膜和设置在基膜量表面的陶瓷涂层，基膜的厚度为16μm，陶瓷涂层的厚度为4μm。
本实施例中锂离子电池的电芯采用三片正极片和三片负极叠片而成，并呈两种极性交错状态设置，正极片与负极片之间设有将两者相隔的隔膜，每片极片均设有极耳，利用超声波点焊方式将每片极片的极耳连接起来。
实施例2
本实施例中的高安全高能量密度的三元锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔膜，正极极片上涂覆有正极材料，负极极片上涂覆有负极材料，正极极片的面密度为350g/m2，正极极片辊压采用2.95g/cm3的压实密度，负极极片辊压采用1.7g/cm3的压实密度，负极容量与正极容量的比例为1.17，正极极片的集流体箔材铝箔厚度为12μm，负极极片的集流体箔材铜箔厚度为8μm。
正极材料包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂，正极活性物质由重量百分比为70％的镍锰钴酸锂NCM622和重量百分比为30％的磷酸锰铁锂组成，磷酸锰铁锂的铁元素和锰元素的重量比为20:80。
负极材料的活性物质为石墨，石墨的粒径D5为20nm，克容量为350mAh/g。
隔膜为双面陶瓷隔膜，双面陶瓷隔膜包括基膜和设置在基膜量表面的陶瓷涂层，基膜的厚度为16μm，陶瓷涂层的厚度为4μm。
本实施例中锂离子电池的电芯采用三片正极片和三片负极叠片而成，并呈两种极性交错状态设置，正极片与负极片之间设有将两者相隔的隔膜，每片极片均设有极耳，利用超声波点焊方式将每片极片的极耳连接起来。
实施例3
本实施例中的高安全高能量密度的三元锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔膜，正极极片上涂覆有正极材料，负极极片上涂覆有负极材料，正极极片的面密度为360g/m2，正极极片辊压采用2.90g/cm3的压实密度，负极极片辊压采用1.8g/cm3的压实密度，负极容量与正极容量的比例为1.18，正极极片的集流体箔材铝箔厚度为13μm，负极极片的集流体箔材铜箔厚度为9μm。
正极材料包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂，正极活性物质由重量百分比为70％的镍锰钴酸锂NCM622和重量百分比为30％的磷酸锰铁锂组成，磷酸锰铁锂的铁元素和锰元素的重量比为23:77。
负极材料的活性物质为石墨，石墨的粒径D5为20nm，克容量为360mAh/g。
隔膜为双面陶瓷隔膜，双面陶瓷隔膜包括基膜和设置在基膜量表面的陶瓷涂层，基膜的厚度为16μm，陶瓷涂层的厚度为4μm。
本实施例中锂离子电池的电芯采用三片正极片和三片负极叠片而成，并呈两种极性交错状态设置，正极片与负极片之间设有将两者相隔的隔膜，每片极片均设有极耳，利用超声波点焊方式将每片极片的极耳连接起来。
对比例1
正极活性物质仅具有镍锰钴酸锂，其他与实施例2相同。
对比例2
正极活性物质中，镍锰钴酸锂的质量百分比为59％，磷酸锰铁锂的质量百分比为41％，其他与实施例2相同。
对比例3
正极活性物质中，磷酸锰铁锂的铁元素和锰元素的重量比为15:85，其他与实施例2相同。
对比例4
正极活性物质中，磷酸锰铁锂的铁元素和锰元素的重量比为25:75，其他与实施例2相同。
对比例5
负极容量与正极容量的比例为1.15，其他与实施例2相同。
对采用本发明实施例1-3、对比例1-5中涂覆有保护涂层的阴极集流体制得的制得的锂离子电池进行性能测试和安全测试，其中安全测试分为过充、针刺、挤压和热箱安全测试，撞击测试每个样品分别进行10次测试，针刺测试每个样品分别进行5次，每个实施例/对比例选择2个样品进行测试，平均通过次数如表1和表2所示。
表1：实施例1-3、对比例1-5的锂离子电池性能的比较
表2：实施例1-3、对比例1-5的锂离子电池安全性能的比较
综上所述，本发明通过对锂离子电池正负极活性物质原料及其他参数的合理配伍和优化，虽然较纯镍锰钴酸锂正极的锂离子电池在能量密度上有所牺牲，但在其他性能尤其是循环寿命和安全性能上有明显提高，从而在整体上提高了锂离子电池的综合性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种高安全高能量密度的三元锂离子电池，其特征在于，所述三元锂离子电池包括正极极片、负极极片、隔膜，所述正极极片上涂覆有正极材料，所述负极极片上涂覆有负极材料，所述正极材料包括正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂，所述正极活性物质由重量百分比为60％-80％的镍锰钴酸锂和重量百分比为20％-40％的磷酸锰铁锂组成，所述磷酸锰铁锂的铁元素和锰元素的重量比为(17-23):(77-83)。
2.一种如权利要求1所述的三元锂离子电池，其特征在于，所述负极材料包括石墨，所述石墨的粒径D5为20nm，克容量为340-360mAh/g。
3.一种如权利要求1所述的三元锂离子电池，其特征在于，所述正极极片的面密度为335-360g/m2。
4.一种如权利要求1所述的三元锂离子电池，其特征在于，所述正极极片辊压采用2.90-3.00g/cm3的压实密度，负极极片辊压采用1.6-1.8g/cm3的压实密度。
5.一种如权利要求1所述的三元锂离子电池，其特征在于，所述三元锂离子电池的负极容量与正极容量的比例为1.16-1.18。
6.一种如权利要求1所述的三元锂离子电池，其特征在于，所述正极极片的集流体箔材厚度为11-13μm，负极极片的集流体箔材厚度为7-9μm。
7.一种如权利要求1所述的三元锂离子电池，其特征在于，所述隔膜为双面陶瓷隔膜。
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