CN109638250A - 一种可快速充电的锂离子电池负极片 - Google Patents

一种可快速充电的锂离子电池负极片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种可快速充电的锂离子电池负极片，所述的锂离子电池负极片包含配料1、配料2，所述配料1包含如下原料：负极活性物质、CMC、SBR、导电炭黑、水；所述配料2包含如下原料：负极活性物质、PVDF、导电炭黑、N‑甲基‑2‑吡咯烷酮；本发明所述的可快速充电的锂离子电池负极片的制备方法，通过对负电极的配料进行了科学的配比设计，并按本发明所述制备方法所制得的电池负极片用于锂电池中，可使电池具有良好的大倍率充电性能，同时充电过程中电池表面温度上升低，循环充放电寿命长，无析锂现象，提高了电池的充电性能。

Description

一种可快速充电的锂离子电池负极片
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种可快速充电的锂离子电池负极片。
背景技术
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。锂电池的自放电率极低，放电电压平缓等优点，而随着科学技术的发展，现阶段锂离子电池已经大量的应用到笔记本电脑、平板电脑、手机、航模、医疗器械、电动工具、汽车等行业中去，已经成为了主流，但是充电速率依旧是制约其应用的主要因素。
为了实现锂电池的快速充电能力，相关研究者做出了不懈努力，如通过发展新型电解质、加入电解质添加剂等途径来进行电池快充性能的改性。然而，事实是在改性的过程中不可避免地引起其他性能的降低，如循环性能和安全性能等。
目前，锂离子电池充电倍率一般为0.5C，充电时间一般在2.0小时以上；其充电电流偏小，充电时间偏长。如若提高充电倍率至3.0C，就会出现充电容量偏低，同时锂离子会富集到负电极表面，形成锂金属析出负极。在同时在大电流充电时电芯表面会发热严重，温度上升明显的问题，同时并发着安全问题。因此小电流、长时间的充电严重的限制了锂离子电池的使用，如应用的应急医疗设备、电动汽车上、通信、航拍等，长时间的充电不利于设备的正常使用。可见，研制一种具有良好的大倍率充电性能，充电过程中电池表面温度上升低，无并且不影响循环寿命的电池具有广阔的前景。
基于此，本发明提供一种可快速充电的锂离子电池负极片及其制备方法。
发明内容
本发明提供了一种可快速充电的锂离子电池负极片及其制备方法，使用本发明所述负电极片的锂电池具有优异的大倍率充电性能，在充电过程中电池表面温度升幅低，可大幅降低充电时间，并且不影响电池的循环充放电寿命。
本发明所要解决的上述技术问题，通过如下技术方案予以实现：
一种可快速充电的锂离子电池负极片，所述的电池负极片包含配方1、配料2；所述配料1包含负极活性物质、CMC、SBR、导电炭黑、水；所述配料2包含负极活性物质、PVDF、导电炭黑、 N-甲基-2-吡咯烷酮；所述配料1与配料2的质量比为1：0.8~1.3。
作为一种优选方案，所述配料1包含如下重量份原料：负极活性物质90~95份、CMC0.2~0.8份、SBR 0.1~0.5份、导电炭黑1~3.5份、水8~12份。
作为一种优选方案，所述配料1包含如下重量份原料：负极活性物质92~94份、CMC0.4~0.6份、SBR 0.3~0.4份、导电炭黑2~3份、水9~11份。
作为一种最优方案，所述配料1包含如下重量份原料：负极活性物质93份、CMC 0.5份、SBR 0.35份、导电炭黑2.5份、水10份。
作为一种优选方案，所述配料2包含如下重量份原料：负极活性物质90~95份、PVDF3~6.5份、导电炭黑6~8.8份、 N-甲基-2-吡咯烷酮 8.5~12.5份。
作为一种优选方案，所述配料2包含如下重量份原料：负极活性物质91~94份、PVDF3.5~4.5份、导电炭黑6.5~8份、 N-甲基-2-吡咯烷酮 9~11.5份。
作为一种最优方案，所述配料2包含如下重量份原料：负极活性物质92.5份、PVDF3.8份、导电炭黑7.8份、 N-甲基-2-吡咯烷酮 10.4份。
作为一种优选方案，所述负极活性物质选自人造石墨、中间相碳微球中的一种或两种，同时使用两种时人造石墨与中间相碳微球的质量比为1：0.5~1.3，所述负极活性物质的粒径 D50为8.0~12.0μm。
作为一种优选方案，所述电池负极片的制备方法，包含如下步骤：
（1）配料1的处理：先将CMC和纯水搅拌分散形成胶液，在另一个分散设备中将负极活性物质、导电炭黑进行高速搅拌混合形成混合干料，再将胶液加入到已经分散好的混合干料中进行高速搅拌混合1~4h，最后加入SBR并调节粘度，得配料1；
（2）配料2的处理：将PVDF、导电炭黑、负极活性物质搅拌分散，形成混合干料，再加入N-甲基-2-吡咯烷酮高速搅拌分散，最后加入碳纳米管，搅拌分散，得配料2；
（3）将配料1和配料2混合，并高速搅拌分散1~3h,得负极浆料，将负极浆料涂覆于负极集流体上，得所述的电池负极片。
作为一种优选方案，步骤（1）所述高速搅拌混合的时间为1~4h，配料1出料粘度2500~4200mPa.s；步骤（2）所述高速搅拌分散时间为1~4h，搅拌分散时间为0.5~2h，配料2出料粘度为4000~6000 mPa.s；步骤（3）所述高速搅拌分散时间为1~3h，所述负极集流体为铜箔，涂覆面密度控制在50~120g/m2。
有益效果：本发明所述的可快速充电的锂离子电池负极片及其制备方法，通过对负电极的配料进行了科学的配比设计，并按本发明所述制备方法所制得的电池负极片用于锂电池中，可有效的降低了电池的内阻，使电池具有良好的大倍率充电性能，同时充电过程中电池表面温度上升低，无明显的温感，循环充放电寿命长，提高了电池的充电性能，还可有效解决了锂离子富集到负电极表面形成的析锂出现象。
附图说明
图1是实施例1含本发明负极片电池15C恒流充电至4.3V的时间-电压曲线图。
图2是实施例1含本发明负极片电池15C恒流充电至4.3V的温升曲线图。
图3是实施例1含本发明负极片电池15C、4.2V 恒流恒压充电/15C恒流放电循环寿命曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1 一种可快速充电的锂离子电池负极片
负电极原料配方：配料1、配料2；
所述配料1包含如下重量份原料：负极活性物质93份、CMC 0.5份、SBR 0.35份、导电炭黑2.5份、水10份；
所述配料2包含如下重量份原料：负极活性物质92.5份、PVDF 3.8份、导电炭黑7.8份、N-甲基-2-吡咯烷酮 10.4份；
所述的负极活性物质为人造石墨与中间相碳微球按质量比为1：1.1组成，人造石墨与中间相碳微球的粒径 D50为10.0μm；
所用的配料1与配料2的质量比为1：1.2。
所述电池负极片的制备方法，具体操作步骤如下：
（1）配料1的处理：先将CMC和纯水搅拌分散形成胶液，在另一个分散设备中将负极活性物质、导电炭黑进行高速搅拌混合形成混合干料，再将胶液加入到已经分散好的混合干料中进行高速搅拌混合2.5h，最后加入SBR并调节粘度，出料粘度3800mPa.s，得配料1；
（2）配料2的处理：将PVDF、导电炭黑、负极活性物质搅拌分散1.5 h，形成混合干料，再加入 N-甲基-2-吡咯烷酮高速搅拌分散3 h，最后加入碳纳米管，搅拌分散1.5h，出料粘度5500 mPa.s，得配料2；
（3）将配料1和配料2混合，并高速搅拌分散2 h，得负极浆料，将负极浆料涂覆于铜箔上，涂覆面密度控制在85g/m2，得所述的电池负极片。
实施例2 一种可快速充电的锂离子电池负极片
实施例2与实施例1的区别在于，负电极原料配方组分的含量不同，其中配料1包含如下重量份原料：负极活性物质90份、CMC 0.2份、SBR 0.1份、导电炭黑1份、水8份；配料2包含如下重量份原料：负极活性物质90份、PVDF 3份、导电炭黑6份、 N-甲基-2-吡咯烷酮 8.5份；其余方法及步骤与实施例1相同。
实施例3 一种可快速充电的锂离子电池负极片
实施例3与实施例1的区别在于，负电极原料配方组分的含量不同，其中配料1包含如下重量份原料：负极活性物质95份、CMC 0.8份、SBR 0.5份、导电炭黑3.5份、水12份；配料2包含如下重量份原料：负极活性物质95份、PVDF 6.5份、导电炭黑8.8份、 N-甲基-2-吡咯烷酮12.5份；其余方法及步骤与实施例1相同。
实施例4 一种可快速充电的锂离子电池负极片
实施例4的负电极原料配方组分与实施例1相同，实施例4与实施例1的区别在于，制备电池负极片的操作参数与实施例1不同；
实施例4所述电池负极片的制备方法，具体操作步骤如下：
（1）配料1的处理：先将CMC和纯水搅拌分散形成胶液，在另一个分散设备中将负极活性物质、导电炭黑进行高速搅拌混合形成混合干料，再将胶液加入到已经分散好的混合干料中进行高速搅拌混合1 h，最后加入SBR并调节粘度，出料粘度2500mPa.s，得配料1；
（2）配料2的处理：将PVDF、导电炭黑、负极活性物质搅拌分散1 h，形成混合干料，再加入 N-甲基-2-吡咯烷酮高速搅拌分散1 h，最后加入碳纳米管，搅拌分散0.5h，出料粘度4000 mPa.s，得配料2；
（3）将配料1和配料2混合，并高速搅拌分散1 h，得负极浆料，将负极浆料涂覆于铜箔上，涂覆面密度控制在50g/m2，得所述的电池负极片。
实施例5 一种可快速充电的锂离子电池负极片
实施例5的负电极原料配方组分与实施例1相同，实施例5与实施例1的区别在于，制备电池负极片的操作参数与实施例1不同；
实施例5所述电池负极片的制备方法，具体操作步骤如下：
（1）配料1的处理：先将CMC和纯水搅拌分散形成胶液，在另一个分散设备中将负极活性物质、导电炭黑进行高速搅拌混合形成混合干料，再将胶液加入到已经分散好的混合干料中进行高速搅拌混合4 h，最后加入SBR并调节粘度，出料粘度4200mPa.s，得配料1；
（2）配料2的处理：将PVDF、导电炭黑、负极活性物质搅拌分散4 h，形成混合干料，再加入 N-甲基-2-吡咯烷酮高速搅拌分散4 h，最后加入碳纳米管，搅拌分散2 h，出料粘度6000mPa.s，得配料2；
（3）将配料1和配料2混合，并高速搅拌分散3h，得负极浆料，将负极浆料涂覆于铜箔上，涂覆面密度控制在120g/m2，得所述的电池负极片。
实施例6
实施例6与实施例1的区别在于，原料中的负极活性物质不同，实施例6中所用的负极活性物质为中间相碳微球，其余方法及步骤与实施例1相同。
实施例7
实施例7与实施例1的区别在于，原料中的负极活性物质不同，实施例7中所用的负极活性物质为人造石墨，其余方法及步骤与实施例1相同。
实施例8
实施例8与实施例1的区别在于，原料中负极活性物质的组成不同，实施例8的负极活性物质中人造石墨与中间相碳微球的质量比为1：0.5，其余方法及步骤与实施例1相同。
实施例9
实施例9与实施例1的区别在于，原料中负极活性物质的组成不同，实施例9的负极活性物质中人造石墨与中间相碳微球的质量比为1：1.3，其余方法及步骤与实施例1相同。
实施例10
实施例10与实施例1的区别在于，所用的配料1与配料2的质量比为1：0.8，其余方法及步骤与实施例1相同。
实施例11
实施例11与实施例1的区别在于，所用的配料1与配料2的质量比为1：1.3，其余方法及步骤与实施例1相同。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1所用的电池负极片为市售常规的电池负极片。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，电池负极片的材料只含配料1，不含配料2，其余方法及步骤与实施例1相同。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于，电池负极片的材料只含配料2，不含配料1，其余方法及步骤与实施例1相同。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于，原料中的负极活性物质不同，对比例4中所用的负极活性物质为中间相碳微球；另外，电池负极片的材料只含配料1，不含配料2，其余方法及步骤与实施例1相同。
对比例5
对比例5与实施例1的区别在于，原料中的负极活性物质不同，对比例5中所用的负极活性物质为中人造石墨；另外，电池负极片的材料只含配料1，不含配料2，其余方法及步骤与实施例1相同。
对比例6
对比例6与实施例1的区别在于，原料中的负极活性物质不同，对比例6中所用的负极活性物质为人造石墨；另外，电池负极片的材料只含配料2，不含配料1，其余方法及步骤与实施例1相同。
对比例7
对比例7与实施例1的区别在于，原料中的负极活性物质不同，对比例7中所用的负极活性物质为中间相碳微球；另外，电池负极片的材料只含配料2，不含配料1，其余方法及步骤与实施例1相同。
将上述实施例1~11和对比例1~7制得的电池负极片与常规的隔膜、电池正极片通过卷绕成卷芯，并注入的常规的电解液，制成含本发明所述的电池负极片的电池，对其电池的充电性能进行测试，具体结果如表1所示。
表1 含不同负极片电池的充电性能效果
组别 15C、4.3V 充电时间（min） 15C、4.2V恒流恒压充电温升（℃） 15C/15C充电循环寿命（次）、 （容量保持率95.87%） 析锂情况 （10℃循环100次后）
实施例1 3.9 4.9 600 无
实施例2 34.5 10.7 278 严重
实施例3 28 10.8 242 轻微
实施例4 43.2 11.2 284 轻微
实施例5 37.5 10.6 302 严重
实施例6 88 8.6 369 严重
实施例7 78 8.4 412 轻微
实施例8 75 7.8 445 轻微
实施例9 68 7.3 486 轻微
实施例10 42 6.6 512 无
实施例11 24 6.1 508 轻微
对比例1 127 12.4 364 轻微
对比例2 105 13.1 313 严重
对比例3 112 11.6 358 严重
对比例4 188 16.4 110 严重
对比例5 179 17.8 102 严重
对比例6 184 18.4 121 严重
对比例7 175 16.4 108 严重
由表1数据可见，实施例1为最佳技术方案，所制得的含本发明所述负极片的电池在充电过程中温升低、充电时间短、循环充放电寿命长且无析锂情况出现；从实施例1与实施例2~3可看出，若电池负电极配方的配料1和配料2的组成与实施例1不同，会使得含此负极片的电池在充电过程中温升比实施例1高，充电时间比实施例1长，循环充放电寿命较实施例1大幅下降，并出现析锂情况；由实施例1与实施例4~5可得，若负电极片的制备操作参数与实施例1不同，会导致含此负极片的电池在充电过程中的温升较高、充电时间较长、循环充放电寿命也大幅降低，且有析锂下情况出现；由实施例1与实施例6~7的比较可得，若所用的负极活性物质只有中间相碳微球或人造石墨，相比于实施例1，含此负极片的电池在充电过程中的温升幅度大、充电时间长、循环充放电寿命降低，还有析锂现象出现；由实施例1与实施例8~9的可看到，若负极活性物质中人造石墨与中间相碳微球的质量比与实施例1不同，含此负极片的电池在充电过程中的温升较大、充电时间较长，循环充放电寿命比实施例1低，还有析锂情况出现；另外，由实施例1与实施例10~11可得到，所用的配料1与配料2的质量比与实施例1的不同，也会不可避免地造成电池在充电过程中的温升略大、充电时间略长，循环充放电寿命下降，与析锂情况的出现；还有，由实施例1与对比例1的比较可看出，含本发明所述负极片的电池在充电过程中的低温升、短充电时间、长循环充放电寿命等性能远优于对比例1所述的含市售常规的负极片的电池，且对比例1还有轻微的现象出现；由实施例1与对比例2~3的比较可见，若电池负极片的材料只含配料1或只含配料2，会致使含此负极片的电池在充电过程中的温升较高、充电时间长、循环充放电寿命也大幅降低，且析锂情况严重；而从实施例1与对比例4~7的对比来看，若原料中的负极活性物质只选自中间相碳微球、人造石墨中的其中一种，且电池负极片的材料也只含配料1、配料2中的其中一种，含此种负极片的电池在充电过程中的温升最大、充电时间最长，循环充放电寿命最短，析锂问题也严重。

Claims (10)

1.一种可快速充电的锂离子电池负极片，其特征在于，所述的电池负极片包含配料1、配料2；所述配料1包含负极活性物质、CMC、SBR、导电炭黑、水；所述配料2包含负极活性物质、PVDF、导电炭黑、 N-甲基-2-吡咯烷酮；所述配料1与配料2的质量比为1：0.8~1.3。
2.根据权利要求1所述的可快速充电的锂离子电池负极片，其特征在于，所述配料1包含如下重量份原料：负极活性物质90~95份、CMC0.2~0.8份、SBR0.1~0.5份、导电炭黑1~3.5份、水8~12份。
3.根据权利要求2所述的可快速充电的锂离子电池负极片，其特征在于，所述配料1包含如下重量份原料：负极活性物质92~94份、CMC 0.4~0.6份、SBR0.3~0.4份、导电炭黑2~3份、水9~11份。
4.根据权利要求2所述的可快速充电的锂离子电池负极片，其特征在于，所述配料1包含如下重量份原料：负极活性物质93份、CMC 0.5份、SBR 0.35份、导电炭黑2.5份、水10份。
5.根据权利要求1所述的可快速充电的锂离子电池负极片，其特征在于，所述配料2包含如下重量份原料：负极活性物质90~95份、PVDF 3~6.5份、导电炭黑6~8.8份、 N-甲基-2-吡咯烷酮 8.5~12.5份。
6.根据权利要求5所述的可快速充电的锂离子电池负极片，其特征在于，所述配料2包含如下重量份原料：负极活性物质91~94份、PVDF 3.5~4.5份、导电炭黑6.5~8份、 N-甲基-2-吡咯烷酮 9~11.5份。
7.根据权利要求5所述的可快速充电的锂离子电池负极片，其特征在于，所述配料2包含如下重量份原料：负极活性物质92.5份、PVDF 3.8份、导电炭黑7.8份、 N-甲基-2-吡咯烷酮 10.4份。
8.根据权利要求1所述的可快速充电的锂离子电池负极片，其特征在于，所述负极活性物质选自人造石墨、中间相碳微球中的一种或两种，同时使用两种时人造石墨与中间相碳微球的质量比为1：0.5~1.3，所述负极活性物质的粒径 D50为8.0~12.0μm。
9.根据权利要求1所述的可快速充电的锂离子电池负极片，其特征在于，所述电池负极片的制备方法，包含如下步骤：
（1）配料1的处理：先将CMC和纯水搅拌分散形成胶液，在另一个分散设备中将负极活性物质、导电炭黑进行高速搅拌混合形成混合干料，再将胶液加入到已经分散好的混合干料中进行高速搅拌混合，最后加入SBR并调节粘度，得配料1；
（2）配料2的处理：将PVDF、导电炭黑、负极活性物质搅拌分散1~4h，形成混合干料，再加入 N-甲基-2-吡咯烷酮高速搅拌分散，最后加入碳纳米管，搅拌分散，得配料2；
（3）将配料1和配料2混合，并高速搅拌分散，得负极浆料，将负极浆料涂覆于负极集流体上，得所述的电池负极片。
10.根据权利要求9所述的可快速充电的锂离子电池负极片的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述高速搅拌混合的时间为1~4h，配料1出料粘度2500~4200mPa.s；步骤（2）所述高速搅拌分散时间为1~4h，搅拌分散时间为0.5~2h，配料2出料粘度为4000~6000 mPa.s；步骤（3）所述高速搅拌分散时间为1~3h，所述负极集流体为铜箔，涂覆面密度控制在50~120g/m2。
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