CN109585847B - 一种快充型钛酸锂电池及其制备方法 - Google Patents

一种快充型钛酸锂电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快充型钛酸锂电池，由正极、负极、隔膜、电解液和铝塑膜组成，正极包括正极涂碳铝箔集流体和涂覆在正极涂碳铝箔集流体上的正极材料，负极包括负极涂碳铝箔集流体和涂覆在负极涂碳铝箔集流体上的负极材料；其特征在于：所述正极材料由以下质量百分比组成：84～94％的正极活性物质，3％～9％的正极粘结剂，3％～9％的正极导电剂，1％～6％二氧化硅气凝胶；所述负极材料由以下质量百分比组成：84～94％的负极活性物质，0.25％～0.75％木质素磺酸盐，3％～9％的负极粘结剂，3％～9％的负极导电剂。本发明所得的钛酸锂电池具有较好的循环性能和倍率性能。

Description

一种快充型钛酸锂电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池领域，具体涉及一种快充型钛酸锂电池及其制备方法。
背景技术
目前，能源危机已经成为21世纪最严峻的问题，不可再生化石能源将被绿色能源替代已经成为必然的发展趋势。锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、绿色环保等优点，在能量储存设备市场上已占据重要地位。
目前锂电池主流市场为三元和磷酸铁锂电池，三元电池能量密度较高，续航能力较强，是国家重点扶持和发展的领域。但该电池体系不能满足快充的需求，充电时间较长，并且有一定的安全隐患，因此发展钛酸锂快充电池技术是一个很好的方向。目前商品化的锂离子电池普遍存在循环性能和倍率性能较差的缺陷。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种快充型钛酸锂电池及其制备方法，所得的钛酸锂电池具有较好的循环性能和倍率性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种快充型钛酸锂电池，由正极、负极、隔膜、电解液和铝塑膜组成，正极包括正极涂碳铝箔集流体和涂覆在正极涂碳铝箔集流体上的正极材料，负极包括负极涂碳铝箔集流体和涂覆在负极涂碳铝箔集流体上的负极材料；所述正极材料由以下质量百分比组成：
84～94％的正极活性物质，3％～9％的正极粘结剂，3％～9％的正极导电剂，1％～6％二氧化硅气凝胶；
所述负极材料由以下质量百分比组成：
84～94％的负极活性物质，0.25％～0.75％木质素磺酸盐，3％～9％的负极粘结剂，3％～9％的负极导电剂。
进一步地，按质量百分比计，所述正极粘结剂和负极粘结剂含有1～5％的全氟烷基丙烯酸酯共聚乳液的聚偏氟乙烯、丁苯橡胶或羧甲基纤维素钠。
进一步地，所述隔膜采用湿法PE隔膜，厚度为9～15um，孔隙率为55～60％，透气率为100～200s/100m，其上涂覆有1～3微米厚的二氧化钛涂层。
进一步地，按质量百分比计，所述负极导电剂和正极导电剂为含有4～10％的导电炭黑的导电石墨、石墨烯或碳纳米管。
进一步地，所述的导电炭黑为具链状结构的导电炭黑。
进一步地，所述正极活性物质为LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2；所述负极活性物质为钛酸锂。
本发明还提供了上述一种快充型钛酸锂电池的制备方法，包括如下步骤：
S1、正、负极片制备：
按上述的配方称取各组分；
将称取的正极活性物质、正极粘结剂、正极导电剂进行干粉搅拌，接着加入二氧化硅气凝胶、N-甲基吡咯烷酮超声分散制成正极浆料，将正极浆料均匀涂覆于正极涂碳铝箔集流体上，在90～120℃下烘烤10～30h后辊压得到正极极片；
按称取的负极活性物质、木质素磺酸盐、负极粘结剂和负极导电剂进行干粉搅拌，接着加入N-甲基吡咯烷酮超声分散制成负极浆料，将负极浆料均匀涂覆于负极涂碳铝箔集流体上，在90～120℃下烘烤10～30h后辊压得到负极极片；
S2、制作电芯：将得到的正、负极片裁剪后，按照正极片、隔膜、负极片的顺序采用叠片式结构或卷绕式结构制成电芯；
S3、将电芯中的正、负极片分别将极耳焊接在一起，形成正、负极引出端，然后将电芯放入铝塑包装膜中，分别引出正、负极耳，在极耳胶处加热，使铝塑袋的塑胶与极耳胶熔合，得到软包电池，软包电池的一侧为开口状态，待电解液注入；
S4、封装注液：将高压电解液注入电芯后，封好注液口；
S5、化成及老化：将包装好的电池化成、老化后分容即得到具有高倍率的钛酸锂电池。
优选地，所述步骤S5中，化成温度为40～100℃，化成压力为0.3～0.6MPa；所述的老化温度为40～100℃，老化压力为0.3～0.6MPa，老化时间为30～50h。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中正负极均采用涂层铝箔，在电池充放电过程中能使正极活性物质有序、均一的在负极钛酸锂材料中嵌入和脱出，能明显增加其倍率性能，并且采用含有4～10％的导电炭黑的导电石墨、石墨烯或碳纳米管作为正负极导电材料，能有效提高正负极导电率。
2、二氧化硅气凝胶/木质素磺酸盐和全氟烷基丙烯酸酯共聚乳液的添加可以很好的保护正负极活性材料，能防止循环使用过程中活性物质塌陷和电极极化引起的倍率下降问题。
3、采用高孔隙率和低透气率隔膜，能够显著增加离子的通过速率，明显改善其倍率性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种快充型钛酸锂电池，由正极、负极、隔膜、电解液和铝塑膜组成，正极包括正极涂碳铝箔集流体和涂覆在正极涂碳铝箔集流体上的正极材料，负极包括负极涂碳铝箔集流体和涂覆在负极涂碳铝箔集流体上的负极材料；所述正极材料由以下质量百分比组成：
89％的LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2，5％的正极粘结剂，5％的正极导电剂，1％二氧化硅气凝胶；
所述负极材料由以下质量百分比组成：
89％的钛酸锂，0.5％木质素磺酸盐，5.25％的负极粘结剂，5.25％的负极导电剂。
所述正极粘结剂和负极粘结剂含有2.5％的全氟烷基丙烯酸酯共聚乳液的聚偏氟乙烯、丁苯橡胶或羧甲基纤维素钠。所述隔膜采用湿法PE隔膜，厚度为12um，孔隙率为57％，透气率为100～200s/100m，其上涂覆有2微米厚的二氧化钛涂层。按质量百分比计，所述负极导电剂和正极导电剂为含有7％的导电炭黑的导电石墨、石墨烯或碳纳米管；所述的导电炭黑为具链状结构的导电炭黑。
实施例2
一种快充型钛酸锂电池，由正极、负极、隔膜、电解液和铝塑膜组成，正极包括正极涂碳铝箔集流体和涂覆在正极涂碳铝箔集流体上的正极材料，负极包括负极涂碳铝箔集流体和涂覆在负极涂碳铝箔集流体上的负极材料；所述正极材料由以下质量百分比组成：
84％的LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2，5.5％的正极粘结剂，5.5％的正极导电剂，5％二氧化硅气凝胶；
所述负极材料由以下质量百分比组成：
84％的钛酸锂，0.75％木质素磺酸盐，7.625％的负极粘结剂，7.625％的负极导电剂。
所述正极粘结剂和负极粘结剂含有1％的全氟烷基丙烯酸酯共聚乳液的聚偏氟乙烯、丁苯橡胶或羧甲基纤维素钠。所述隔膜采用湿法PE隔膜，厚度为9um，孔隙率为55％，透气率为100～200s/100m，其上涂覆有1微米厚的二氧化钛涂层。按质量百分比计，所述负极导电剂和正极导电剂为含有4％的导电炭黑的导电石墨、石墨烯或碳纳米管；所述的导电炭黑为具链状结构的导电炭黑。
实施例3
一种快充型钛酸锂电池，由正极、负极、隔膜、电解液和铝塑膜组成，正极包括正极涂碳铝箔集流体和涂覆在正极涂碳铝箔集流体上的正极材料，负极包括负极涂碳铝箔集流体和涂覆在负极涂碳铝箔集流体上的负极材料；所述正极材料由以下质量百分比组成：
90％的LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2，4％的正极粘结剂，4％的正极导电剂，2％二氧化硅气凝胶；
所述负极材料由以下质量百分比组成：
90％的钛酸锂，0.5％木质素磺酸盐，4.75％的负极粘结剂，4.75％的负极导电剂。
所述正极粘结剂和负极粘结剂含有5％的全氟烷基丙烯酸酯共聚乳液的聚偏氟乙烯、丁苯橡胶或羧甲基纤维素钠。所述隔膜采用湿法PE隔膜，厚度为15um，孔隙率为60％，透气率为100～200s/100m，其上涂覆有3微米厚的二氧化钛涂层。按质量百分比计，所述负极导电剂和正极导电剂为含有10％的导电炭黑的导电石墨、石墨烯或碳纳米管；所述的导电炭黑为具链状结构的导电炭黑。
本发明还提供了上述一种快充型钛酸锂电池的制备方法，包括如下步骤：
S1、正、负极片制备：
按实施例1-实施例3所述的配方称取各组分；
将称取的正极活性物质、正极粘结剂、正极导电剂进行干粉搅拌，接着加入二氧化硅气凝胶、N-甲基吡咯烷酮超声分散制成正极浆料，将正极浆料均匀涂覆于正极涂碳铝箔集流体上，在90～120℃下烘烤10～30h后辊压得到正极极片；
按称取的负极活性物质、木质素磺酸盐、负极粘结剂和负极导电剂进行干粉搅拌，接着加入N-甲基吡咯烷酮超声分散制成负极浆料，将负极浆料均匀涂覆于负极涂碳铝箔集流体上，在90～120℃下烘烤10～30h后辊压得到负极极片；
S2、制作电芯：将得到的正、负极片裁剪后，按照正极片、隔膜、负极片的顺序采用叠片式结构或卷绕式结构制成电芯；
S3、将电芯中的正、负极片分别将极耳焊接在一起，形成正、负极引出端，然后将电芯放入铝塑包装膜中，分别引出正、负极耳，在极耳胶处加热，使铝塑袋的塑胶与极耳胶熔合，得到软包电池，软包电池的一侧为开口状态，待电解液注入；
S4、封装注液：将高压电解液注入电芯后，封好注液口；
S5、化成及老化：将包装好的电池化成、老化后分容即得到具有高倍率的钛酸锂电池；所述步骤S5中，化成温度为40～100℃，化成压力为0.3～0.6MPa；所述的老化温度为40～100℃，老化压力为0.3～0.6MPa，老化时间为30～50h。
根据实施例1制备20Ah电池，进行不同倍率充电测试，记录恒流充电容量和时间，得：10C倍率快充电：6min可充电96％，15C倍率充电：4min内可充电94％，20C在3min内可充电90％以上，即电池在3min内基本可充满，充电倍率很好，并且充电曲线较规整，工作电压范围较宽。
钛酸锂电池循环性能测试：首先记录循环前电池的厚度d1，然后在以0.5C的倍率充电，0.5C的倍率放电进行循环测试，循环500次后再次记录电池的厚度d2，计算其厚度膨胀率(d2-d1)/d1。测试电压范围：1.4-2.8V。所述20Ah电池的测试结果为：循环厚度膨胀率为2.0％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种快充型钛酸锂电池，由正极、负极、隔膜、电解液和铝塑膜组成，正极包括正极涂碳铝箔集流体和涂覆在正极涂碳铝箔集流体上的正极材料，负极包括负极涂碳铝箔集流体和涂覆在负极涂碳铝箔集流体上的负极材料；其特征在于：所述正极材料由以下质量百分比组成：
84～94％的正极活性物质，3％～9％的正极粘结剂，3％～9％的正极导电剂，1％～6％二氧化硅气凝胶；
所述负极材料由以下质量百分比组成：
84～94％的负极活性物质，0.25％～0.75％木质素磺酸盐，3％～9％的负极粘结剂，3％～9％的负极导电剂。
2.如权利要求1所述的一种快充型钛酸锂电池，其特征在于：按质量百分比计，所述正极粘结剂和负极粘结剂含有1～5％的全氟烷基丙烯酸酯共聚乳液的聚偏氟乙烯、丁苯橡胶或羧甲基纤维素钠。
3.如权利要求1所述的一种快充型钛酸锂电池，其特征在于：所述隔膜采用湿法PE隔膜，厚度为9～15um，孔隙率为55～60％，透气率为100～200s/100m，其上涂覆有1～3微米厚的二氧化钛涂层。
4.如权利要求1所述的一种快充型钛酸锂电池，其特征在于：按质量百分比计，所述负极导电剂和正极导电剂为含有4～10％的导电炭黑的导电石墨、石墨烯或碳纳米管。
5.如权利要求4所述的一种快充型钛酸锂电池，其特征在于：所述的导电炭黑为具链状结构的导电炭黑。
6.如权利要求1所述的一种快充型钛酸锂电池，其特征在于：所述正极活性物质为LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2；所述负极活性物质为钛酸锂。
7.一种快充型钛酸锂电池的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、正、负极片制备：
按权利要求1所述的配方称取各组分；
将称取的正极活性物质、正极粘结剂、正极导电剂进行干粉搅拌，接着加入二氧化硅气凝胶、N-甲基吡咯烷酮超声分散制成正极浆料，将正极浆料均匀涂覆于正极涂碳铝箔集流体上，在90～120℃下烘烤10～30h后辊压得到正极极片；
按称取的负极活性物质、木质素磺酸盐、负极粘结剂和负极导电剂进行干粉搅拌，接着加入N-甲基吡咯烷酮超声分散制成负极浆料，将负极浆料均匀涂覆于负极涂碳铝箔集流体上，在90～120℃下烘烤10～30h后辊压得到负极极片；
S2、制作电芯：将得到的正、负极片裁剪后，按照正极片、隔膜、负极片的顺序采用叠片式结构或卷绕式结构制成电芯；
S3、将电芯中的正、负极片分别将极耳焊接在一起，形成正、负极引出端，然后将电芯放入铝塑包装膜中，分别引出正、负极耳，在极耳胶处加热，使铝塑袋的塑胶与极耳胶熔合，得到软包电池，软包电池的一侧为开口状态，待电解液注入；
S4、封装注液：将高压电解液注入电芯后，封好注液口；
S5、化成及老化：将包装好的电池化成、老化后分容即得到具有高倍率的钛酸锂电池。
8.如权利要求7所述的一种快充型钛酸锂电池的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中，化成温度为40～100℃，化成压力为0.3～0.6MPa；所述的老化温度为40～100℃，老化压力为0.3～0.6MPa，老化时间为30～50h。
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