CN109659485A - 一种比能量达270Wh/Kg的圆柱形锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种容量高达3400mAh的18650圆柱锂离子电池池的制备方法。所使用的正负极活性物质分别为镍钴铝酸锂正极与硅碳负极，其中正极浆料使用的材料有：镍钴铝酸锂、导电碳纳米管、聚偏氟乙烯、N‑甲基吡咯烷酮。负极浆料所使用的材料有：硅碳复合材料、导电炭黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶乳液、去离子水、N‑甲基吡咯烷酮。正负极配料采用一种新的配料工艺，使得配料时间能缩短1‑3小时。其盖帽采用的是含CID的动力型防爆盖帽，有效的保护电池的安全性能；隔膜采用高强度湿法拉伸隔膜，具有机械强度高、耐热性好、透过性好等特点有效保护电池的安全性能；本发明提供的18650圆柱形锂离子电池，具有容量高（达3400mAh）比能量高（达270Wh/kg）、循环性能优越、倍率性能优良、高低温性能优良的特点。

Description

一种比能量达270Wh/Kg的圆柱形锂离子电池
技术领域
本发明涉及新能源领域，具体涉及一种高容量圆柱形锂离子电池及其制作工艺。
背景技术
随着新能源领域尤其是锂电领域的不断发展，对于锂离子电池的能量密度要求越来越高。18650圆柱形电池，以其尺寸固定、生产工序相对简便而被大量使用。常规的2000mAh左右的18650圆柱锂离子电池其能量密度在170Wh/kg左右，难以满足特定领域对于高能量密度电池的需求。此外，在锂电池生产过程中，湿混配料工艺，一般采用先打胶，再依次加入导电剂、活性物等，其除去打胶时间，配料时间在6-8小时。鉴于此，本发明采旨在采用一种新的湿混配料工艺，缩短配料时间，制备容量能达3400mAh以上的18650圆柱锂离子电池，其能量密度能达270Wh/kg以上。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于采用新的湿混配料工艺，制备一种比能量达270Wh/Kg的圆柱形锂离子电池，该配料工艺具有时间较短，效率高的特点。所制备锂离子电池具有成本低、容量高（3400mAh）、比能量高（达270Wh/kg）、循环性能优越、倍率性能优良、高低温性能优良的特点。
本发明的一种锂离子电池，包括电芯，所述电芯包括钢壳、以及密封设于所述钢壳端部的盖帽，所述电芯还包括收容于所述钢壳内的电芯主体、以及灌注于所述电芯主体内的电解液，所述电芯主体由均连接有极耳的正极极片和负极极片、以及夹设于两者之间的隔膜卷绕构成，所述电芯主体两端分别设有上绝缘片和下绝缘片，所述正极极片为涂覆有镍钴铝酸锂的铝箔、负极极片为涂覆有硅碳复合材料的铜箔，且所述铝箔、铜箔的厚度分别为12-15µm、6-9µm。
进一步的，所述盖帽为防爆盖帽。
进一步的，所述电解液为溶于碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸甲乙酯（EMC）混合溶液的六氟磷酸锂（LiPF6），并含有适用负极硅碳材料的特殊添加剂氟代碳酸乙烯酯（FEC）。
进一步的，所述隔膜是高强度湿法拉伸薄隔膜，其厚度在12µm-14µm。
本发明的一种锂离子电池的制备方法，包括正极浆料和负极浆料的制备、涂布、制片、装配和注液的步骤，其中正极浆料和负极浆料的制备的具体步骤为：称取质量百分比分别为NCA（96%-98.5%）、CNTs（0.5%-1%）、PVDF（0.8%-1.3%）、NMP（20%-25%）的正极物料，先于行星分散真空搅拌机中加入NMP、PVDF、CNTs分散均匀搁置10-12h待用，再加入NCA进行搅拌均匀，过程中使用的搅拌速度为公转10-30Hz、自转15-45Hz，得到固含量为68%-75%、粘度为3500±1500mPa.s的正极浆料；称取质量百分比分别为SiC（95%-97%）、SP（0-1%）、CMC（1.3%-1.8%）、SBR（固体含量1.5%-2.0%）、H2O（100%-120%）、NMP（3%-5%）的负极物料，先于行星分散真空搅拌机中加入H2O、CMC、SP分散均匀搁置10-12h待用，再加入依次加入SiC、SBR、NMP进行搅拌均匀，过程中使用的搅拌速度为公转10-30Hz、自转15-45Hz，得到固含量为43%-48%，粘度在3000±1500mPa.s的负极浆料。
进一步的，制备的所述锂离子电池的容量为3400mAh。
进一步的，涂布步骤具体是使用间隙式涂布机将正极浆料和负极浆料分别涂布于厚度为12-15µm的铝箔和6-9µm的铜箔上，并将两者在90-120℃下烤箱烘烤干燥，走速为4-6m/min，得到面密度为47.0 -49.0mg/cm2正极极片和面密度为22.5 -24.0mg/cm2负极极片。
制片步骤具体是将已涂布并干燥好的正极极片和负极极片于辊压机上辊压至得到表面光滑的厚度为145-155µm正极片和145-155µm的负极片。然后将已辊压好的正极极片和负极极片于自动分条机上分切成相应宽度的小片，并于制片机上将极片焊上极耳，贴上高温胶。
装配步骤具体是将正极极片和负极极片、以及夹在两者之间的高强度拉伸湿法隔膜在相对湿度小于30%的条件下于卷绕机上卷绕成电芯主体，高强度湿法拉伸薄隔膜厚度为12-14µm，经过外观及短路测试合格后，电芯主体与下绝缘片、上绝缘片放入钢壳内，通过逆变直流点焊机将负极极耳与钢壳焊接，经过滚槽，测短路，在70-90℃下于真空烤箱真空烘烤38-58h。
注液步骤具体是向烘烤完毕后于湿度≤1%的注液房中，向电芯主体内注入电解液并在钢壳端部焊接含CID的动力型防爆盖帽，于封口机中封口，得到电芯，清洗干净并涂上防锈油于常温下搁置36-72h。
进一步的，所述制片步骤中，正极极片的压实密度为3.45 -3.55g/cm3，活性物质负载量为8.7mAh/cm2-9.2mAh/cm2。负极极片的压实密度为1.60 -1.70g/cm3，活性物质负载量为10.0 -10.2mAh/cm2。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明使用配料工艺较普通的打胶工艺时间能缩短1-3h，大大提高制作效率。镍钴铝酸锂作为正极材料，具有比容量高、原料资源丰富、安全性好和环境友好等优点；使用硅碳复合材料作为负极材料，具有比容量高、循环性能好、造价低等特点；由镍钴铝酸锂-硅碳负极制成的高容量圆柱形锂离子电池，具有比能量高（达270Wh/Kg）、循环性能优良（0.5C/0.5C循环300周后容量保持率约为90%）、倍率性能优良（3C倍率放电相对0.2C倍率下的保持率约为86.5%）、高低温性能优良（相对于室温25℃放电，55℃放电容量保持率为101.5%，-20℃放电容量保持率为85.3%）的特点。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明中圆柱型锂离子电池的结构示意图。
图2是本发明中实施例一中圆柱形锂离子电池分析测试（1）的工艺参数。
图3是本发明中实施例一中圆柱形锂离子电池分析测试（3）的在0.2C、0.5C、1C、2C、3C、5C放电倍率下的放电曲线图。
图4是本发明中实施例一中圆柱形锂离子电池分析测试（4）的在0.5C放电倍率下的循环曲线图。
图5是本发明中实施例一中圆柱形锂离子电池分析测试（5）的在0.2C不同温度下的放电曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，本发明一较佳实施例所述的一种锂离子电池，包括电芯，所述电芯包括钢壳1、以及密封设于所述钢壳1端部的盖帽2，所述电芯还包括收容于所述钢壳1内的电芯主体、以及灌注于所述电芯主体内的电解液3，所述电芯主体由均连接有极耳9的正极极片4和负极极片5、以及夹设于两者之间的隔膜6卷绕构成，所述电芯主体两端分别设有上绝缘片7和下绝缘片8，所述正极极片4为涂覆有镍钴铝酸锂的铝箔、负极极片5为涂覆有硅碳材料的铜箔，且所述铝箔、铜箔的厚度分别为12-15µm、6-9µm。
为了提高锂离子电池的安全性能，所述盖帽2为防爆盖帽。
优选的，所述电解液3为溶于碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸甲乙酯（EMC）混合溶液的六氟磷酸锂（LiPF6），并含有适用负极硅碳材料的特殊添加剂氟代碳酸乙烯酯（FEC）。
优选的，所述隔膜6材质为高强度湿法拉伸隔膜，隔膜厚度为12-14µm，具有厚度薄、机械强度高、耐热性好、透过性好等特点，有效保护电池的安全性能。
圆柱型锂离子电池的制备方法如下：
（1）制备含导电剂胶液：正极取含5%导电碳纳米管的导电剂浆料重量816g，PVDF（苏威5130）重量51g，NMP重量1219g，于行星分散真空搅拌机中以公转10-30Hz、自转15-45Hz混匀，搁置10-12小时；负极取导电剂Super P重量16g，CMC重量47g，去离子水3600g，于行星分散真空搅拌机中以公转10-30Hz、自转15-45Hz混匀，搁置10-12小时。
（2）制备浆料：正极取镍钴铝酸锂5000g，加入含有导电胶液的行星分散真空搅拌机中以公转10-30Hz、自转15-45Hz搅拌约4小时混匀，得到固含量72%、粘度3500±1500mPa.s的正极浆料；负极取硅碳复合材料3000g，50%固含量的SBR重量112g，NMP重量156g，依次分不同阶段加入含导电剂胶液的行星分散真空搅拌机中以公转10-30Hz、自转15-45Hz搅拌约5小时混匀，得到固含量45%、粘度3000±1500mPa.s的负极浆料。
（3）涂布：使用间隙式涂布机将正极浆料涂于厚度为12µm铝箔上，负极浆料涂于厚度为6µm的铜箔上，制成面密度分别为48±0.4mg/cm2和23.4±0.3mg/cm2的正负极片，并在烤箱温度为90-120℃中烘烤，走速为5m/min。
（4）制片：将已涂布并干燥好的极片于辊压机上辊压得到表面光滑的厚度为149±2µm和148±2µm的正极极片和负极极片；再将已辊压好的极片于自动分切机分条制成正负极宽度为57mm和59mm的极片，将极片于自动制片机上焊上极耳，贴上高温胶带。
（5）装配：将极片于相对湿度小于30%的环境下于卷绕机上将厚度为12µm的高强度湿法拉伸隔膜、正极极片和负极极片卷绕成电芯主体，经过外观及短路测试合格后，电芯主体与下绝缘片、上绝缘片放入直径18±0.3mm、高度68±0.5mm的钢壳内，通过逆变直流点焊机将负极极耳与钢壳焊接相连，经过滚槽，测短路，于真空烤箱中70-90℃条件下烘烤38-58h。
（6）注液：将已烘烤好电芯于湿度≤1%的注液房中，注入5.4-5.8g电解液，焊上含CID的动力型防爆盖帽后，将盖帽折好后，于封口机中封口制成直径≤18.3mm，高度≤66.3mm的标准电芯，清洗干净并涂上防锈油于常温下搁置36-72h。
将上述制备的圆柱型锂离子电池做测试分析如下：
（1）化成分容：将注液搁置后的电芯于化成分容检测柜上以小电流充电进行化成激活电池，并使用680mA的电流进行分容，以20mAh一档筛选出容量合格的电池，工艺参数如图2所示。
（2）老化：将筛选合格的电池贴上不干胶面垫、套上PVC套管，于常温下搁置7天，再测试电压内阻，筛选出电压≥3.85V，内阻≤40mΩ的电池。
（3）倍率性能测试：电芯进行0.2C充电至4.2V，分别采用0.2C、0.5C、1C、2C、3C、5C放电至2.75V，查看其相对于0.2C时的放电容量保持率，如图3所示，电芯在0.2C、0.5C、1C、2C、3C、5C 放电倍率下容量分别为3443.97mAh、3345.91mAh、3290.02mAh、3178.13mAh、2974.6mAh、2259.71mAh相对于0.2C时的放电容量，0.5C-5C其容量保持率分别为97.2%、95.5%、92.3%、86.4%、65.6%。
（4）循环性能测试：使用0.5C充电至4.2V，分别用0.5C放电至2.75V，以此充放电方式循环300周，查看其循环300周后的容量相对于首次放电容量时的保持率，如图4所示，电芯首次循环放电容量为3321mAh，循环300周后其放电容量为2951mAh，相对首次放电容量时的保持率为88.9%。
（5）高低温性能测试：电池每次在25℃下搁置3h后，以0.2C恒流恒压充电至4.2V，截止电流0.01C,再分别在25℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、55℃下搁置3h后以0.2C放电至2.75V，查看其相对于25℃时的放电容量保持率，如图5所示，电芯在25℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、55℃下容量分别为3369.31mAh、2874.39mAh、3031.44mAh、3140mAh、3237.42mAh、3418.92mAh相对于25℃时的放电容量，-20℃、-10℃、0℃、10℃、55℃下其容量保持率分别为85.3%、90.0%、93.2%、96.1%、101.5%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种比能量高达270Wh/kg的18650圆柱形锂离子电池的制备方法，包括正极浆料和负极浆料的制备、涂布、制片、装配和注液的步骤，其特征在于：正极浆料采用的材料为：镍钴铝酸锂（NCA）、导电碳纳米管（CNTs）、聚偏氟乙烯（PVDF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP），其质量百分比依次为：NCA（96%-98.5%）、CNTs（0.5%-1%）、PVDF（0.8%-1.3%）、NMP（20%-25%），浆料固含量在（67%-75%），粘度在3500±1500mPa.s；负极浆料采用的材料为：硅碳复合材料（SiC）、导电炭黑（SP）、羧甲基纤维素钠（CMC）、丁苯橡胶乳液（SBR）、去离子水（H2O）、N-甲基吡咯烷酮（NMP），其质量百分比依次为:SiC（95%-97%）、SP（0-1%）、CMC（1.3%-1.8%）、SBR（固体含量1.5%-2.0%）、H2O（100%-120%）、NMP（3%-5%），浆料固含量在43%-48%，粘度在3000±1500mPa.s。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：采用在正负极打胶的过程中将导电剂（导电碳纳米管或导电碳黑）加入其中同时搅拌的新配料工艺。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在装配过程所使用的隔膜是高强度湿法拉伸薄隔膜，其厚度在12µm-14µm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在注液过程所使用的电解液是溶于碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸甲乙酯（EMC）混合溶液的六氟磷酸锂（LiPF6），并含有适用负极硅碳材料的特殊添加剂氟代碳酸乙烯酯（FEC）。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：正极极片的厚度为145-155µm，面密度为47.0-49.0mg/cm2，压实密度为3.45 -3.55g/cm3，活性物质负载量为8.7 -9.2mAh/cm2。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：负极极片的厚度为145-155µm，面密度为22.5-24.0mg/cm2，压实密度为1.60 -1.70g/cm3，活性物质负载量为10.0 -10.2mAh/cm2。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：制备的所述锂离子电池的容量为3400mAh。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：制备的所述锂离子电池的比能量高，循环、倍率及高低温性能优良（比能量高达270Wh/kg，0.5C循环300周容量保持约90%，3C倍率放电相对0.2C倍率下的保持率约为86.5%，相对于室温25℃放电，55℃放电容量保持率为101.5%，-20℃放电容量保持率为85.3%）。
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CN112599840A (zh) * 2020-12-14 2021-04-02 广西卓能新能源科技有限公司 一种高倍率高比能量锂离子电池及其制备方法
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