CN109244532A - 一种可-40℃低温充放电的锂离子电池及其制备工艺 - Google Patents

一种可-40℃低温充放电的锂离子电池及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种可‑40℃低温充放电的锂离子电池及其制备工艺。所述锂离子电池包括负极、正极、隔膜以及电解液；其特征在于，所述电解液由重量比22％～28％的碳酸乙烯酯、重量比20％～28％的碳酸二乙酯、重量比44％～58％的碳酸二甲酯以及锂盐组成，所述锂盐占碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯及碳酸二甲酯三者总重量的10％～16％。本发明提供的锂离子电池，使电池可以在‑40℃低温环境下进行充电以及放电，且充电容量达到了常温容量(0.2C@25℃)的90％以上，并且当恢复为常温环境时，其恢复容量不低于原常温容量的95％，经多次充放循环后，解剖电池后电池内部未有析锂等不良现象，是一种可应用在‑40℃低温或以上低温环境需求进行充放电的锂离子电池。

Description

一种可-40℃低温充放电的锂离子电池及其制备工艺
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种可-40℃低温环境下进行充电、放电的锂离子电池及其制备工艺。
背景技术
随着能源的短缺，环境污染日益严重，锂离子电池具有能量密度高、功率大、安全性能好、循环寿命长、工作电压平稳、无污染、无泄露等特点,是理想的绿色环保能源并已经广泛应用于各种领域中。但是在低温环境下，锂离子电池的充电一直是不易突破的瓶颈，限制了其部分应用。这是因为在低温环境下，电解液趋于凝结，导电率下降、电池内阻变大，充电时锂离子难以嵌入负极，在表面形成金属锂沉积，严重时还会形成安全隐患导致电池损坏或者燃烧爆炸等安全问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供一种安全性能好的可-40℃低温充放电的锂离子电池及其制备工艺。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下实现：
一种可-40℃低温充放电的锂离子电池，所述锂离子电池包括负极、正极、隔膜以及电解液；所述电解液由重量比22％～28％的碳酸乙烯酯、重量比20％～28％的碳酸二乙酯、重量比44％～58％的碳酸二甲酯以及锂盐组成，所述锂盐占碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯及碳酸二甲酯三者总重量的10％～16％。
上述方案中，所述锂盐为LiPF6、LiBF6或LiClF6中的一种或任意两种以上的混合。
上述方案中，所述负极包括重量比76％～86％中间相碳微球和/或天然石墨、重量比7％～12％导电炭黑和/或导电石墨、以及重量比7％～12％聚偏氟乙烯。
上述方案中，所述正极包括重量比75％～85％镍钴锰酸锂和/或钴酸锂、重量比6％～13％导电炭黑和/或导电石墨和/或气相生长碳纤维、以及重量比9％～12％聚偏氟乙烯。
上述方案中，所述正极敷料面密度为8mg/cm2～12mg/cm2。
上述方案中，所述负极敷料面密度为4mg/cm2～8mg/cm2。
所述的可-40℃低温充放电的锂离子电池的制备工艺，所述工艺包括以下步骤：
1)物料干燥：将各原材料真空干燥；
2)浆料制备：按工艺生产要求顺序，将正负极所需物料按预定配比进行真空混和搅拌，形成浆料；
3)极片制备：将步骤2)中制备好的合格正负极浆料分别涂覆在金属箔上，制备成所需尺寸的极片；
4)电芯制备：使用隔膜隔离正负极片，并按预定工艺卷绕成卷芯，然后装入钢壳中焊接；
5)注液：将步骤4)中焊接好的电芯干燥后将电解液组分进行注液；
6)活化：将步骤5)中注液后的电池进行活化制得-40℃低温充放电的锂离子电池。
上述方案中，所述活化工艺为在低温-10℃±3℃环境中采用0.01C恒流恒压充电至4.23V，截止电流为小于0.005C。
本发明的有益效果为：本发明所用正极、负极材料组成成分，增加了电池在低温下的反应活性，使用的电解液配比组分，减少了电解液的凝结趋势并改善了正负极表面与电解液界面性质，从而实现了锂离子电池在-40℃低温环境下的充电、放电。
具体实施方式
下面结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供一种可-40℃低温充放电的锂离子电池，该锂离子电池包括负极、正极、隔膜以及电解液。
该负极由重量比76％～86％的中间相碳微球和/或天然石墨、重量比7％～12％的导电炭黑和/或导电石墨、以及重量比7％～12％的聚偏氟乙烯构成混合料涂覆在8μm铜箔上构成。该负极敷料面密度为4mg/cm2～8mg/cm2。
该正极由重量比75％～85％的镍钴锰酸锂和/或钴酸锂、重量比6％～13％的导电炭黑和/或导电石墨和/或气相生长碳纤维、重量比9％～12％的聚偏氟乙烯构成的混合料涂覆在15μm铝箔上构成。该正极敷料面密度为8mg/cm2～12mg/cm2。
该电解液由重量比22％～28％的碳酸乙烯酯(以下简称EC)、重量比20％～28％的碳酸二乙酯(以下简称DC)、重量比44％～58％的碳酸二甲酯(以下简称DMC)以及锂盐构成；所述锂盐占碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯及碳酸二甲酯三者总重量的10％～16％。所述锂盐为LiPF6、LiBF6或LiClF6。
该锂离子电池的隔膜为PP-PE-PP复合三层微孔膜。
按实施例配比使用以下生产工艺进行组装生产，电池测试型号为圆柱形电池：直径14mm，高度50.5mm，具体步骤如下：
1)物料干燥：将各原材料使用真空干燥箱持续真空干燥6h～8h；
2)浆料制备：按工艺生产要求顺序，将正负极膜所需物料按预定配比进行真空混和搅拌，形成浆料；
3)极片制备：将步骤2)中制备好的合格正负极浆料分别涂覆在铝箔、铜箔上，经干燥、压实、分切、焊接引流条(正、负极耳)制备成所需尺寸的极片；
4)电芯制备：使用PP-PE-PP复合三层微孔膜隔离正负极片按一定工艺卷绕成卷芯，然后装入钢壳中焊接；
5)注液：将步骤4)中焊接好的电芯在真空干燥箱内干燥后将电解液组分进行注液；
6)活化：将步骤5)中注液后的电池进行活化制得-40℃低温充放电的锂离子电池。该锂离子电池的活化工艺为在低温-10℃±3℃环境中采用0.01C恒流恒压充电至4.23V，截止电流为小于0.005C。
下面以具体实施例进行说明：
实施例1
本实施例提供一种可-40℃低温充放电的锂离子电池，该锂离子电池包括负极、正极、隔膜以及电解液。
该负极由重量比51％的中间相碳微球混合重量比33％天然石墨、重量比5％导电炭黑混合重量比2％导电石墨、以及重量比9％的聚偏氟乙烯构成混合料涂覆在8μm铜箔上构成。该负极敷料面密度为7.6mg/cm2。
该正极由重量比39％的镍钴锰酸锂混合重量比42％的钴酸锂、重量比6％的导电炭黑混合重量比4％的气相生长碳纤维、重量比9％的聚偏氟乙烯构成的混合料涂覆在15μm铝箔上构成。该正极敷料面密度为11.5mg/cm2。
该电解液由重量比23.6％的碳酸乙烯酯、重量比26.2％的碳酸二乙酯、重量比50.2％的碳酸二甲酯以及占碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯及碳酸二甲酯三者总重量的3.6％LiPF6、4.2％LiBF6、4.2％LiClF6的混合锂盐构成。
该锂离子电池的隔膜为PP-PE-PP复合三层微孔膜。
实施例2
本实施例提供一种可-40℃低温充放电的锂离子电池，该锂离子电池包括负极、正极、隔膜以及电解液。
该负极由重量比60％的中间相碳微球混合重量比21％天然石墨、重量比4.7％导电炭黑混合重量比3.3％导电石墨、以及重量比11％的聚偏氟乙烯构成混合料涂覆在8μm铜箔上构成。该负极敷料面密度为6.5mg/cm2。
该正极由重量比35％的镍钴锰酸锂混合重量比47％的钴酸锂、重量比5％的导电炭黑混合重量比3％的气相生长碳纤维、重量比10％的聚偏氟乙烯构成的混合料涂覆在15μm铝箔上构成。该正极敷料面密度为10.5mg/cm2。
该电解液由重量比23.6％的碳酸乙烯酯、重量比26.2％的碳酸二乙酯、重量比50.2％的碳酸二甲酯以及占碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯及碳酸二甲酯三者总重量的3.6％LiPF6、4.2％LiBF6、4.2％LiClF6的混合锂盐构成。
该锂离子电池的隔膜为PP-PE-PP复合三层微孔膜。
实施例3
本实施例提供一种可-40℃低温充放电的锂离子电池，该锂离子电池包括负极、正极、隔膜以及电解液。
该负极由重量比37％的中间相碳微球混合重量比46％天然石墨、重量比4.5％导电炭黑混合重量比6.5％导电石墨、以及重量比8％的聚偏氟乙烯构成混合料涂覆在8μm铜箔上构成。该负极敷料面密度为6.5mg/cm2。
该正极由重量比40％的镍钴锰酸锂混合重量比40％的钴酸锂、重量比7％的导电炭黑混合重量比4％的气相生长碳纤维、重量比9％的聚偏氟乙烯构成的混合料涂覆在15μm铝箔上构成。该正极敷料面密度为10.5mg/cm2。
该电解液由重量比23.6％的碳酸乙烯酯、重量比26.2％的碳酸二乙酯、重量比50.2％的碳酸二甲酯以及占碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯及碳酸二甲酯三者总重量的3.6％LiPF6、4.2％LiBF6、4.2％LiClF6的混合锂盐构成。
该锂离子电池的隔膜为PP-PE-PP复合三层微孔膜。
对比例1
本对比例与实施例1所用材料和比例均相同，不同之处在于所用电解液由重量比1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯构成溶剂以及占碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯及碳酸二甲酯三者总重量的15％LiPF6锂盐构成。
对比例2
本对比例与实施例2所用材料和比例均相同，不同之处在于电解液由重量比1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯构成溶剂以及占碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯及碳酸二甲酯三者总重量的3.6％LiPF6、4.2％LiBF6、4.2％LiClF6的混合锂盐构成。
对比例3
本对比例与实施例3所用材料和比例均相同，不同之处在于所用电解液由重量比1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯构成溶剂，所用锂盐由占溶剂总重量的6％LiPF6、3％LiBF6、1％LiClF6的混合锂盐构成。
对制备完成的本发明电池和对比电池进行如下测试：
1)25℃常温容量测试：在25℃常温环境下以0.2C电流恒流放电至2.75V，静置10min，然后再以0.2C恒流恒压充电到4.20V，截止充电电流0.02C，静置10min，再以0.2C电流恒流放电至2.75V，测试电池的常温容量。
2)在25℃常温环境下以0.2C电流恒流放电至2.75V，然后将电池在-40℃低温环境下静置4h，然后再以0.1C恒流恒压充电到4.20V，截止充电电流0.02C，测试了-40℃低温充电容量。
3)将低温充电测试完成的电池在25℃常温环境下静置4h，然后以0.2C电流恒流放电至2.75V，静置10min，然后再以0.2C恒流恒压充电到4.20V，截止充电电流0.02C，静置10min，再以0.2C电流恒流放电至2.75V，测试电池的常温恢复容量。
测试对比结果如表1、表2。
表1 -40℃充电容量与常温容量对比表
表2电池低温后恢复容量与常温容量对比表
从表1、表2数据对比可以看出，本发明电池比对比例电池在低温充电方面性能优异，且-40℃低温环境下充电容量达到了常温容量(0.2C@25℃)的90％以上，并且当恢复为常温环境时，其恢复容量不低于原常温容量的95％，经多次充放循环后，解剖电池后电池内部未有析锂等不良现象，是一种可应用在-40℃低温或以上低温环境需求进行充放电的锂离子电池。
本发明提供的工艺方法，使电池可以在-40℃低温环境下进行充电以及放电，且充电容量达到了常温容量(0.2C@25℃)的90％以上，并且当恢复为常温环境时，其恢复容量不低于原常温容量的95％，经多次充放循环后，解剖电池后电池内部未有析锂等不良现象，是一种可应用在-40℃低温或以上低温环境需求进行充放电的锂离子电池。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可-40℃低温充放电的锂离子电池，所述锂离子电池包括负极、正极、隔膜以及电解液；其特征在于，所述电解液由重量比22％～28％的碳酸乙烯酯、重量比20％～28％的碳酸二乙酯、重量比44％～58％的碳酸二甲酯以及锂盐组成，，所述锂盐占碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯及碳酸二甲酯三者总重量的10％～16％。
2.如权利要求1所述的可-40℃低温充放电的锂离子电池，其特征在于，所述锂盐为LiPF6、LiBF6或LiClF6中的一种或任意两种以上的混合。
3.如权利要求1所述的可-40℃低温充放电的锂离子电池，其特征在于，所述负极包括重量比76％～86％中间相碳微球和/或天然石墨、重量比7％～12％导电炭黑和/或导电石墨、以及重量比7％～12％聚偏氟乙烯。
4.如权利要求1所述的可-40℃低温充放电的锂离子电池，其特征在于，所述正极包括重量比75％～85％镍钴锰酸锂和/或钴酸锂、重量比6％～13％导电炭黑和/或导电石墨和/或气相生长碳纤维、以及重量比9％～12％聚偏氟乙烯。
5.如权利要求1所述的可-40℃低温充放电的锂离子电池，其特征在于，所述正极敷料面密度为8mg/cm2～12mg/cm2。
6.如权利要求1所述的可-40℃低温充放电的锂离子电池，其特征在于，所述负极敷料面密度为4mg/cm2～8mg/cm2。
7.如权利要求1-6任一项所述的可-40℃低温充放电的锂离子电池的制备工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
1)物料干燥：将各原材料真空干燥；
2)浆料制备：按工艺生产要求顺序，将正负极所需物料按预定配比进行真空混和搅拌，形成浆料；
3)极片制备：将步骤2)中制备好的合格正负极浆料分别涂覆在金属箔上，制备成所需尺寸的极片；
4)电芯制备：使用隔膜隔离正负极片，并按预定工艺卷绕成卷芯，然后装入钢壳中焊接；
5)注液：将步骤4)中焊接好的电芯干燥后将电解液组分进行注液；
6)活化：将步骤5)中注液后的电池进行活化制得-40℃低温充放电的锂离子电池。
8.如权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，所述活化工艺为在低温-10℃±3℃环境中采用0.01C恒流恒压充电至4.23V，截止电流为小于0.005C。
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