CN109256524A - 一种快充型高倍率锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快充型高倍率锂离子电池及其制备方法。使用叠片工艺，包括正负极耳、正极片、负极片、隔离膜、电解液；所述正极片组成为：钴酸锂、PVDF、复合导电剂；所述负极片组成为：石墨、导电剂、水性粘结剂；所述隔离膜为湿法隔膜，所述电解液组由LIPF6、溶剂和添加剂组成。本发明的快充型高倍率锂离子电池，充电快，输出功率高，可以满足5C倍率充电及35C倍率持续放电、高功率负载100C /4S性能要求，适合要求快速充电及快速放电双重要求的用电器，如手持电动工具、无人机、汽车应急启动电源。

Description

一种快充型高倍率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技术领域，具体涉及一种快充型高倍率锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是目前应用最为广泛的一种能源。如今锂离子电池已经广泛地应用于民用及军用的各个领域。随着科技的不断进步，人们对电池的性能提出了更多更高的要求，使用过程中要求尽可能短的时间内进行充电，而且需要大功率的输出，如手持电动工具、无人机、汽车启动应急电源、电动车等。
目前市场上大部分锂离子电池一般只兼顾电池的快速放电性能，即高倍率放电性能，但充电时，往往需要时间过长，一般需要充电1.5至2.5小时，甚至时间更长。
因此有必要发明一种既能快速充电又能高倍率放电且其他性能良好的锂离子电池。
发明内容
针对现有的锂离子电池在高倍率充电性能方面所存在的不足，本发明的目的在于提供一种快充型高倍率锂离子电池及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是一种快充型高倍率锂离子电池，由正极片、负极片、正极耳、负极耳、隔离膜、电解液组成并通过叠片工艺制作而成，所述正极片组成的质量百分比为94.5-95.5％钴酸锂、1.0-1.5％PVDF（聚偏氟乙烯）和3.5-4.0％复合导电剂；所述负极片组成的质量百分比为94.0-95.5％石墨、2.0-3.0％导电剂、水性粘结剂2.5-3.0％；所述电解液组成的质量百分比为12-13％LiPF6、75-86％溶剂和2-5％添加剂。
作为优选的，所述正极片中钴酸锂颗粒中粒径D50为5-10μm，比表面积为0.3-0.6m2 /g，振实密度≥2.0g/ cm³，克容量为142-145mAh/g。
作为优选的，所述负极片中石墨颗粒中粒径D50为8.5-11.5μm，比表面积为1.0-1.4m2 /g，振实密度1.0-1.3g/ cm³，克容量为320～330mAh/g。
作为优选的，所述隔离膜为湿法隔膜，其孔隙率为45-55％。
作为优选的，所述电解液中的溶剂包括有EC、EMC、DEC，锂盐浓度为1.15mol/L-1.25mol/L，该电解液的电导率为12.0-12.50mS/cm，密度为1.20-1.30g/cm³，水分含量≤20ppm。
作为优选的，所述水性粘结剂是由低极性聚合物为核芯、高极性聚合物为壳层形成的水性聚合物乳液，其中低极性聚合物为丁基橡胶、二元乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、聚丁二烯、聚异丁烯、ABS、SBS、聚丙烯酸酸酯、氯丁橡胶、聚醋酸乙烯酯、乙烯一醋酸乙烯酯共聚物中的至少一种。
作为优选的，所述正极片中的复合导电剂由普通导电炭黑和具有独特支链状形态的导电炭黑组成，其中具有独特支链状形态的导电炭黑质量百分比占0.5-0.8 wt%。
作为优选的，所述正极耳为铝带，负极耳为镀镍铜带。
一种快充型高倍率锂离子电池的制备方法，该方法包括以下制备步骤：
（1）按照质量百分比加入94.5-95.5％钴酸锂、1.0-1.5％PVDF、3.0-3.5％导电剂，通过搅拌机混料得到正极浆料，正极浆料经涂布机涂布成正极大片，正极浆料涂布温度为110-120℃；
（2）按照质量百分比94.0-95.5％石墨、2.0-3.0％导电剂、水性粘结剂2.5-3.0％通过搅拌机混料得到负极浆料；负极浆料经涂布机涂布成负极大片，负极浆料涂布温度为95-105℃；
（3）对正负极大片的卷料进行烘烤处理，正极烘烤条件为100-110℃下8-10小时，真空度小于-0.090MPa，负极烘烤条件为80-100℃下8-10小时，真空度小于-0.090MPa；
（4）按辊压-制片-叠片-装配-烘烤-注液-化成-分容等工序制成快充型高倍率锂离子电池。
本发明的优点是 ：本发明的一种快充型高倍率锂离子电池特别适合要求既能快速充电又能快速放电双重要求的用电器，如手持电动工具、无人机、汽车应急启动电源，减少充电过程的等待时间，在充电时间、内阻、35C放电性能、100C/4S间隙负裁性能等方面具有明显的性能优势。
附图说明
图1为本发明的快充型高倍率锂离子电池的5C充电曲线图。
图2为本发明的电池100C/4S 间隙性负载曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明一种快充型高倍率锂离子电池及其制备方法作进一步的详细说明。
实施例：
倍率型锂离子电池所选择的材料体系均具有一定的共性，提高电池快充性能是本发明的核心。本发明正负极活性物质均选用小粒的材料，对电池的正极导电剂进行优化，对负极体系进行改良，从而提升电池的快速充放电的性能。
本发明首选小粒径的钴酸锂为正极材料。
本发明首选小粒径的石墨为负极材料。
为提升快速充放电性能，正极导电剂除使用常规的导电剂外，还添加了一种支链状
的导电剂，此导电剂占0.5-0.8 wt%，与其它用于电池的导电碳黑及碳纳米管相比较，此导电剂具有独特的支链状形态。这种形态的优点在于，导电体的导电接触点很多，因而只需很少的添加量即可达到极高的导电率（注：其它碳黑多为圆球状、片状、管状，故需要很高的添加量才能达到所需的导电性）。因为超高导电性，其使用量比其它导电碳黑少，因而可以填充多的活性物质，提高了电池的容量，因而可延长电池的使用时间。另一个优点是电池在充放电过程中电阻不会因为体积的变化而增加，这是因为支链状形态，与活性物质之间有充分接触，会因为间隙的变化而失去接触。因其支链状结构，与活性物质及铝箔接触更充分，降低了电的极化。
为提升快速充放电性能，本发明对负极体系进行了改良，未采用常规的SBR+CMC，
而是直接采用水性粘剂。它是由低极性聚合物为核芯、高极性聚合物为壳层形成的水性聚合
物乳液。其核芯部分的低极性聚合物可以是丁基橡胶、二元乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈
橡胶、丁苯橡胶、聚丁二烯、聚异丁烯、ABS、SBS、聚丙烯酸酸酯、氯丁橡胶、聚醋酸乙
烯酯、乙烯一醋酸乙烯酯共聚物中的至少一种。其壳层的高极性聚合物由两种或两种以上的
不同极性的单体共聚形成，其分子链同时具有高极性亲水结构单元和低极亲油结构单元，相
应的共聚单体按极性分为亲水性和亲油性单体两类，聚合反应需同时使用两类单元。
本发明的具体实施方式为一种快充型高倍率锂离子电池，材料体系以小粒径高倍率钴酸锂为正极材料，以小粒径的石墨为负极材料，以复合导电剂为导电剂，负极采用水性粘结剂替代传统的SBR+CMC，所述正极材料克容量为142-145mAh/g，涂布双面面密度为170～180g/m²，正极压实密度3.45～3.55g/cm³。石墨负极材料的克容量为 320～330mAh/g，涂布双面面密度为 85～90g/m²，负极压实密度为1.50～1.55g/cm³，且负极极片面密度以对应的正极活性物质过量比为 8%～12%。
正极片的制作方式如下：
（1）先将质量百分比1.0-1.5％聚偏氟乙烯（PVDF）与 70-80 wt% 溶剂 N-甲基吡咯烷酮（NMP）制成胶液，公转30rpm，自转2100 rpm；
（2）再加入质量百分比 3.5-4.0% 复合导电剂进行高速分散，公转35rpm，自转2500rpm；
（3）最后加入质量百分比94.5-95.5％活性材料钴酸锂，混合成浆料；
（4）再使用高速分散机对其分散，调节粘度；
（5）在涂布机上用厚度为18 ～20μm 的铝箔上涂出极片（正极双面密度为170～ 180g/m²）；正极浆料涂布温度为110-120℃；
（6）对正极大片的卷料进行烘烤处理，正极烘烤条件为100-110℃下8-10小时，真空度小于-0.090MPa；
（7）辊压分切得到正极片 ，压实密度3.4～3.5g/cm³；
（8）用模切机制成正极片小片。
负极片的制作方式如下：
（1）负极极片的制作是先将质量百分比2.5-3.0％水性粘结剂加入去离子水进行稀释；
（2）再加入质量百分比2.0-3.0%导电剂进行高速分散分散；
（3）最后加入质量百分比 94.0～94.5%石墨搅拌，混合成浆料；
（4）在涂布机上用厚度为9～12μm 的铜箔上涂出极片（正极双面密度为85～90g/m²）；负极浆料涂布温度为95-105℃；
（5）对负极大片的卷料进行烘烤处理，负极烘烤条件为80-100℃下8-10小时，真空度小于-0.090MPa；
（6）辊压分切得到负极片 ，压实密度1.35～1.5g/cm³；
（7）用模切机制成负极片小片。
再按照叠片-装配-烘烤-注液-化成-分容等工序制成快充型高倍率锂离子电池。
优先选的，正极耳为铝带，负极耳为镀镍铜带。
作为优选的，所述正极片中钴酸锂颗粒中粒径D50为5-10μm，比表面积为0.3-0.6m2 /g，振实密度≥2.0g/ cm³，克容量为142-145mAh/g。
作为优选的，所述负极片中石墨颗粒中粒径D50为8.5-11.5μm，比表面积为1.0-1.4m2 /g，振实密度1.0-1.3g/ cm³，克容量为320～330mAh/g。
作为优选的，所述隔离膜为湿法隔膜，其孔隙率为45-55％。
作为优选的，所述电解液中的溶剂包括有EC、EMC、DEC，锂盐浓度为1.15mol/L-1.25mol/L，该电解液的电导率为12.0-12.50mS/cm，密度为1.20-1.30g/cm³，水分含量≤20ppm。
比较例：当前市场上的高倍率锂离子电池，型号5542125，标称容量2500mAh。
表1为本发明的快充型高倍率锂离子电池与当前市场上的高倍率锂离子电池对比，以型号5542125，标称容量2500mAh为例，对其进行比较。详情如下：
表1：本发明的快充型高倍率锂离子电池与当前市场上的高倍率锂离子电池性能比较
注：100C/4S负载为间隙性，每负裁4S后，搁置30S ，当下限电压≤3.0V时负载结束。
从表1可以看出，相对于比较例（当前市场上的高倍率锂离子电池），本发明的快充型高倍率锂离子电池在充电时间、内阻、35C放电性能、100C/4S间隙负裁性能等方面具有明显的性能优势。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例数据，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快充型高倍率锂离子电池，由正极片、负极片、正极耳、负极耳、隔离膜、电解液组成并通过叠片工艺制作而成，其特征在于，所述正极片组成的质量百分比为94.5-95.5％钴酸锂、1.0-1.5％PVDF（聚偏氟乙烯）和3.5-4.0％复合导电剂；所述负极片组成的质量百分比为94.0-95.5％石墨、2.0-3.0％导电剂、水性粘结剂2.5-3.0％；所述电解液组成的质量百分比为12-13％LiPF6、75-86％溶剂和2-5％添加剂。
2.根据权利要求1所述的一种快充型高倍率锂离子电池，其特征在于，所述正极片中钴酸锂颗粒中粒径D50为5-10μm，比表面积为0.3-0.6m2 /g，振实密度≥2.0g/ cm³，克容量为142-145mAh/g。
3.根据权利要求1所述的一种快充型高倍率锂离子电池，其特征在于，所述负极片中石墨颗粒中粒径D50为8.5-11.5μm，比表面积为1.0-1.4m2 /g，振实密度1.0-1.3g/ cm³，克容量为320～330mAh/g。
4.根据权利要求1所述的一种快充型高倍率锂离子电池，其特征在于，所述隔离膜为湿法隔膜，其孔隙率为45-55％。
5.根据权利要求1所述的一种快充型高倍率锂离子电池，其特征在于，所述电解液中的溶剂包括有EC、EMC、DEC，锂盐浓度为1.15mol/L-1.25mol/L，该电解液的电导率为12.0-12.50mS/cm，密度为1.20-1.30g/cm³，水分含量≤20ppm。
6.根据权利要求1所述的一种快充型高倍率锂离子电池，其特征在于，所述水性粘结剂是由低极性聚合物为核芯、高极性聚合物为壳层形成的水性聚合物乳液，其中低极性聚合物为丁基橡胶、二元乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、聚丁二烯、聚异丁烯、ABS、SBS、聚丙烯酸酸酯、氯丁橡胶、聚醋酸乙烯酯、乙烯一醋酸乙烯酯共聚物中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种快充型高倍率锂离子电池，其特征在于，所述正极片中的复合导电剂由普通导电炭黑和具有独特支链状形态的导电炭黑组成，其中具有独特支链状形态的导电炭黑质量百分比占0.5-0.8 wt%。
8.根据权利要求1所述的一种快充型高倍率锂离子电池，其特征在于，所述正极耳为铝带，负极耳为镀镍铜带。
9.一种快充型高倍率锂离子电池的制备方法，其特征在于，该方法包括以下制备步骤：
（1）按照质量百分比加入94.5-95.5％钴酸锂、1.0-1.5％PVDF、3.0-3.5％导电剂，通过搅拌机混料得到正极浆料，正极浆料经涂布机涂布成正极大片，正极浆料涂布温度为110-120℃；
（2）按照质量百分比94.0-95.5％石墨、2.0-3.0％导电剂、水性粘结剂2.5-3.0％通过搅拌机混料得到负极浆料；负极浆料经涂布机涂布成负极大片，负极浆料涂布温度为95-105℃；
（3）对正负极大片的卷料进行烘烤处理，正极烘烤条件为100-110℃下8-10小时，真空度小于-0.090MPa，负极烘烤条件为80-100℃下8-10小时，真空度小于-0.090MPa；
（4）按辊压-制片-叠片-装配-烘烤-注液-化成-分容等工序制成快充型高倍率锂离子电池。
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