CN110010957A - 一种可充电锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可充电锂离子电池及其制备方法，其中，锂离子电池包括电池壳、电池芯和电解质，其中电池芯和电解液密封于电池壳内；所述电池芯包括正极、隔膜和负极；所述的电解质包括液态有机电解质、液态无机电解质和凝胶型聚合物电解质；所述正极由正极集流体及位于两侧表面的活性物质组成；负极由负极集流体及位于两侧表面的活性物质组成；隔膜位于正极与负极之间。本发明提供的可充电锂离子电池，一方面可以克服锌锰干电池、镍氢电池、镍镉电池等的使用寿命短、安全性差等缺点，另一方面能够克服传统锂离子电池电压平台无法适配的缺点。

Description

一种可充电锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及化学储能电池技术领域，特别涉及一种可充电锂离子电池及其制备方法。
背景技术
随着人们生活水平的提升以及含遥控器家用电器、儿童玩具数量以及种类的丰富，人们对于高稳定性、高可靠性、高安全性高循环寿命以及可充电性电池的需求日益增加。1.5V电池作为该领域的主要能量存贮载体，目前市场上主要有以下几种类型：1)锌锰干电池，该电池为一次电池，电池能量密度低，使用寿命寿命短，无法二次利用，而且由于其锌锰干电池的回收率只有不足3％，电池随意抛弃会造成大量的资源浪费和环境污染，同时该电池由于采用强碱性的电解液，电池漏液容易引发安全事故；2)镍镉电池，该电池为可充电电池，经济耐用，但由于该电池有严重的“记忆效应”，电池使用不当，容量会急剧衰减，造成电池使用寿命大打折扣；3)镍氢电池，该电池为二次电池，能量密度相对较高，可重复使用，特殊制备的功率型电池可以进行大电流充放电，但该电池的缺点是电压平台较低(仅为1.2V)，高温和低温差，成本高昂。综合来看，目前的三种主流电池普遍存在回收率低、使用寿命短、高低温性能差、污染环境的缺点。
锂离子电池和以上三种主流电池相比，拥有能量密度高、自放电小、循环性能优异、安全性好、高低温性能好等优点。但是传统的锂离子电池的电压平台分别为2.4V、3.2V、3.6V-3.8V，如果用在现有的1.5V电池的使用场景上面，容易造成用电器烧毁等严重问题，存在较大的安全隐患，因此无法适配。
发明内容
本发明的目的在于，解决传统传统的锂离子电池存在的上述问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种可充电锂离子电池，包括电池壳、电池芯和电解质，其中电池芯和电解液密封于电池壳内；所述电池芯包括正极、隔膜和负极；所述的电解质包括液态有机电解质、液态无机电解质和凝胶型聚合物电解质；所述正极由正极集流体及位于两侧表面的活性物质组成；负极由负极集流体及位于两侧表面的活性物质组成；隔膜位于正极与负极之间。
在一个实施例中，所述正极集流体为铝箔，厚度为6μm～50μm；所述正极活性物质层由预嵌锂的锂钛氧化物材料、导电剂和粘结剂组成，厚度为1μm～300μm，钛酸锂∶导电剂∶粘结剂的质量比为50～95∶2～25∶2～25。
在一个实施例中，所述预嵌锂的锂钛氧化物材料的分子式为Li4+xMdTi5+yO12+z，其中-0.2≤x≤7，-0.2≤y≤0.2，-0.2≤z≤0.2，0≤d≤0.3；M为Na、K、Ca、Mg、Al、V、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、Mn、Zr、Nb、B、Mo、Sr、Ba和Sn中的一种或多种元素，预嵌锂的锂钛氧化物材料平均粒径为0.01μm～50μm；所述导电剂为炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；所述粘结剂选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚烯烃类、SBR橡胶、氟化橡胶、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯和聚乙烯中的一种或多种。
在一个实施例中，所述负极集流体为铜箔，厚度为4μm～50μm；所述负极活性物质层由预嵌锂的锰基氧化物材料、导电剂和粘结剂组成，厚度为1μm～300μm，MnO2∶导电剂∶粘结剂的质量比为50～95∶2～25∶2～25。
在一个实施例中，预嵌锂的锰基氧化物材料的分子式为LixMnyMzO2，其中0≤x≤1，0≤y≤0.9，0≤z≤0.9；M为Na、K、Ca、Mg、Al、V、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、Mn、Zr、Nb、B、Mo、Sr、Ba和Sn中的一种或多种元素，所述预嵌锂的锰基氧化物材料的形貌一维的、两维的、三维的中的一种或多种，所述预嵌锂的锰基氧化物材料的平均粒径为0.01μm～80μm；所述导电剂为炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；所述粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚烯烃类、SBR橡胶、氟化橡胶、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯和聚乙烯中的一种或多种。
在一个实施例中，所述电池壳包括圆柱形、方形和软包性。
另一方面，本发明提供了一种可充电锂离子电池制备方法，包括以下步骤：
将正极和负极材料分别添加粘结剂和溶剂，搅拌调制成浆料；
浆料调好后经120目或150目筛过滤；
将过筛后的浆料放在涂覆机上涂覆或喷涂在集流体上；
将涂布后的极片按照工艺要求裁切成大片，对极片刮粉，并进行烘烤；
将烘烤好的极片用对辊机滚压至工艺要求的厚度；
将辊压后合格的极片点上极耳；
将隔膜纸按照要求进行裁切，用卷绕机将极片按照负极/隔膜纸/正极的顺序卷绕成电芯，并用高温胶纸封口；
将电芯逃入电池壳，并使电池芯到达底部；将盖板与套壳后的电芯焊接在一起，将盖板和铝壳用激光焊接机焊接在一起；
焊接好的电芯开口向上，在真空烤箱中烘烤；每隔0.5-24小时脱气一次；
烘烤结束的电芯在注液房里，用注液机进行注液；要求湿度符合工艺要求，注液量不可过多或过少；
注液后的电池静置0.5-72小时，对电池进行小电流充电激活电池，对电池进行充放电，记录其容量；
电池放置2-7天后，测量其电压。
在一个实施例中，所述正极浆料的固含量为1％～70％；所述负极浆料的固含量为2％～68％。
本发明提供的1.5V可充电锂离子电池，一方面可以克服锌锰干电池、镍氢电池、镍镉电池等的使用寿命短、安全性差等缺点，另一方面能够克服传统锂离子电池电压平台无法适配的缺点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种1.5V可充电锂离子电池结构示意图。
具体实施方式
通过以下结合附图以举例方式对本发明的实施方式进行详细描述后，本发明的其他特征、特点和优点将会更加明显。
在传统的锂离子电池中，锂钛氧化物材料的由于其嵌锂电位为1.55V(vs.Li+/Li)，一般作为锂电池的负极使用，如果将其作为正极使用存在锂离子含量不足以及电池容量低的问题。为了改善锂含量不足的问题，我们将锂钛氧化物材料进行预嵌锂处理。金属锂虽然有比较低的嵌锂电位，但是在充放电过程中容易产生枝晶进而导致内部短路等安全问题，因此不适合作为锂电池的负极材料，所以我们选择拥有同样较低电位且容量非常高的的经过预嵌锂的锰基氧化物材料。预嵌锂的锰基氧化物材料的嵌锂电位为0.2V(vs.Li+/Li)，可以适配预嵌锂的锂钛氧化物材料作为电池的负极。
图1为本发明实施例提供的一种1.5V可充电锂离子电池结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的一种1.5V可充电锂离子电池，包括电池壳、电池芯和电解质，其中电池芯和电解液密封于电池壳内；所述电池芯包括正极、隔膜和负极；所述的电解质包括液态有机电解质、液态无机电解质和凝胶型聚合物电解质；所述正极由正极集流体及位于两侧表面的活性物质组成；负极由负极集流体及位于两侧表面的活性物质组成；隔膜位于正极与负极之间。
正极集流体为铝箔，厚度为6μm～50μm；所述正极活性物质层由预嵌锂的锂钛氧化物材料、导电剂和粘结剂组成，厚度为1μm～300μm，钛酸锂∶导电剂∶粘结剂的质量比为50～95∶2～25∶2～25。
预嵌锂的锂钛氧化物材料的分子式为Li4+xMdTi5+yO12+z，其中-0.2≤x≤7，-0.2≤y≤0.2，-0.2≤z≤0.2，0≤d≤0.3；M为Na、K、Ca、Mg、Al、V、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、Mn、Zr、Nb、B、Mo、Sr、Ba和Sn中的一种或多种元素，预嵌锂的锂钛氧化物材料平均粒径为0.01μm～50μm；所述导电剂为炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；所述粘结剂选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚烯烃类、SBR橡胶、氟化橡胶、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯和聚乙烯中的一种或多种。
优选地，所述负极集流体为铜箔，厚度为4μm～50μm；所述负极活性物质层由预嵌锂的锰基氧化物材料、导电剂和粘结剂组成，厚度为1μm～300μm，MnO2∶导电剂∶粘结剂的质量比为50～95∶2～25∶2～25。
优选地，预嵌锂的锰基氧化物材料的分子式为LixMnyMzO2，其中0≤x≤1，0≤y≤0.9，0≤z≤0.9；M为Na、K、Ca、Mg、Al、V、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、Mn、Zr、Nb、B、Mo、Sr、Ba和Sn中的一种或多种元素，所述预嵌锂的锰基氧化物材料的形貌一维的、两维的、三维的中的一种或多种，所述预嵌锂的锰基氧化物材料的平均粒径为0.01μm～80μm；所述导电剂为炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；所述粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚烯烃类、SBR橡胶、氟化橡胶、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯和聚乙烯中的一种或多种。
优选地，所述电池壳包括圆柱形、方形和软包性。
另一方面，本发明提供了一种1.5V可充电锂离子电池制备方法，包括以下步骤：
将正极和负极材料分别添加粘结剂和溶剂，搅拌调制成浆料；
浆料调好后经120目或150目筛过滤；
将过筛后的浆料放在涂覆机上涂覆或喷涂在集流体上；
将涂布后的极片按照工艺要求裁切成大片，对极片刮粉，并进行烘烤；
将烘烤好的极片用对辊机滚压至工艺要求的厚度；
将辊压后合格的极片点上极耳；
将隔膜纸按照要求进行裁切，用卷绕机将极片按照负极/隔膜纸/正极的顺序卷绕成电芯，并用高温胶纸封口；
将电芯逃入电池壳，并使电池芯到达底部；将盖板与套壳后的电芯焊接在一起，将盖板和铝壳用激光焊接机焊接在一起；
焊接好的电芯开口向上，在真空烤箱中烘烤；每隔0.5-24小时脱气一次；
烘烤结束的电芯在注液房里，用注液机进行注液；要求湿度符合工艺要求，注液量不可过多或过少；
注液后的电池静置0.5-72小时，对电池进行小电流充电激活电池，对电池进行充放电，记录其容量；
电池放置2-7天后，测量其电压。
优选地，所述正极浆料的固含量为1％～70％；所述负极浆料的固含量为2％～68％。
本发明实施例提供的1.5V可充电锂离子电池，一方面可以克服锌锰干电池、镍氢电池、镍镉电池等的使用寿命短、安全性差等缺点，另一方面能够克服传统锂离子电池电压平台无法适配的缺点。
相应地，本发明实施例提供了一种1.5V可充电锂离子电池制备方法，该方法包括以下步骤：
将正极和负极材料分别添加粘结剂和溶剂，搅拌调制成浆料；
浆料调好后经120目或150目筛过滤；
将过筛后的浆料放在涂覆机上涂覆或喷涂在集流体上；
将涂布后的极片按照工艺要求裁切成大片，对极片刮粉，并进行烘烤；
将烘烤好的极片用对辊机滚压至工艺要求的厚度；
将辊压后合格的极片点上极耳；
将隔膜纸按照要求进行裁切，用卷绕机将极片按照负极/隔膜纸/正极的顺序卷绕成电芯，并用高温胶纸封口；
将电芯逃入电池壳，并使电池芯到达底部；将盖板与套壳后的电芯焊接在一起，将盖板和铝壳用激光焊接机焊接在一起；
焊接好的电芯开口向上，在真空烤箱中烘烤；每隔0.5-24小时脱气一次；
烘烤结束的电芯在注液房里，用注液机进行注液；要求湿度符合工艺要求，注液量不可过多或过少；
注液后的电池静置0.5-72小时，对电池进行小电流充电激活电池，对电池进行充放电，记录其容量；
电池放置2-7天后，测量其电压。
优选地，所述正极浆料的固含量为1％～70％；所述负极浆料的固含量为2％～68％。
在一个实施例中，正极的制备方法如下：
将6g聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在250mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，然后向其中加入40g经过预嵌锂的锂钛氧化物材料粉末和8g炭黑，然后真空搅拌10h形成均匀的正极浆料。将该浆料涂布或喷涂在厚度为20μm，宽度为61.5mm铝箔的一面上，将得到的极片在110℃条件下烘干，然后，在将该极片的另一面上进行同样的涂布和干燥操作，将干燥后的极片进行辊压，辊压之后得到厚度为120μm的正极极片，正极极片单面面密度30mg/cm2。
在一个实施例中，负极的制备方法如下：
将2g羧甲基纤维素(CMC)溶解在250mL的去离子中，然后向其中加入15g预嵌锂的锰基氧化物材料粉末和4g炭黑，然后真空搅拌10h形成均匀的负极浆料。将该浆料涂布或喷涂在厚度为20μm，宽度为61.5mm铝箔的一面上，将得到的极片在110℃条件下烘干，然后，在将该极片的另一面上进行同样的涂布和干燥操作，将干燥后的极片进行辊压，辊压之后得到厚度为53μm的负极极片，负极极片单面面密度10mg/cm2。
在一实施例中，电池芯的制备方法如下：
在真空度1.1*10-3MPa的真空操作室内将正极极片、隔膜、负极极片一次分开，用卷针卷绕成柱状，得到电池芯。
在一实施例中，电池的装配方法如下：
将上述电池芯在真空干燥箱中80℃干燥6h，然后在真空度为1.1*10-3MPa的真空操作室内将干燥后的的电池芯放入到18650标准电池壳内，注入电解液，并将电池盖盖上，封口。将制备的电池以50mA的电流进行化成测试，测的的电芯的容量为1650mAh，放电电压平台稳定。
需要说明的是，上述实施例仅用来说明本发明的结构及其工作效果，而并不用作限制本发明的保护范围。本领域内的普通技术人员在不违背本发明思路及结构的情况下对上述实施例进行的调整或优化，仍应视作为本发明权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种可充电锂离子电池，包括电池壳、电池芯和电解质，其中电池芯和电解液密封于电池壳内；所述电池芯包括正极、隔膜和负极；所述的电解质包括液态有机电解质、液态无机电解质和凝胶型聚合物电解质；其特征在于，所述正极由正极集流体及位于两侧表面的活性物质组成；负极由负极集流体及位于两侧表面的活性物质组成；隔膜位于正极与负极之间。
2.如权利要求2所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述正极集流体为铝箔，厚度为6μm～50μm；所述正极活性物质层由预嵌锂的锂钛氧化物材料、导电剂和粘结剂组成，厚度为1μm～300μm，钛酸锂∶导电剂∶粘结剂的质量比为50～95∶2～25∶2～25。
3.如权利要求3所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述预嵌锂的锂钛氧化物材料的分子式为Li4+xMdTi5+yO12+z，其中-0.2≤x≤7，-0.2
≤y≤0.2，-0.2≤z≤0.2，0≤d≤0.3；M为Na、K、Ca、Mg、Al、V、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、Mn、Zr、Nb、B、Mo、Sr、Ba和Sn中的一种或多种元素，预嵌锂的锂钛氧化物材料平均粒径为0.01μm～50μm；所述导电剂为炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；所述粘结剂选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚烯烃类、SBR橡胶、氟化橡胶、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯和聚乙烯中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述负极集流体为铜箔，厚度为4μm～50μm；所述负极活性物质层由预嵌锂的锰基氧化物材料、导电剂和粘结剂组成，厚度为1μm～300μm，MnO2∶导电剂∶粘结剂的质量比为50～95∶2～25∶2～25。
5.如权利要求4所述的可充电锂离子电池，其特征在于，预嵌锂的锰基氧化物材料的分子式为LixMnyMzO2，其中0≤x≤1，0≤y≤0.9，0≤z≤0.9；M为Na、K、Ca、Mg、Al、V、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ti、Mn、Zr、Nb、B、Mo、Sr、Ba和Sn中的一种或多种元素，所述预嵌锂的锰基氧化物材料的形貌一维的、两维的、三维的中的一种或多种，所述预嵌锂的锰基氧化物材料的平均粒径为0.01μm～80μm；所述导电剂为炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；所述粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚烯烃类、SBR橡胶、氟化橡胶、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯和聚乙烯中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的可充电锂离子电池，其特征在于，所述电池壳包括圆柱形、方形和软包性。
7.一种可充电锂离子电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将正极和负极材料分别添加粘结剂和溶剂，搅拌调制成浆料；
浆料调好后经120目或150目筛过滤；
将过筛后的浆料放在涂覆机上涂覆或喷涂在集流体上；
将涂布后的极片按照工艺要求裁切成大片，对极片刮粉，并进行烘烤；
将烘烤好的极片用对辊机滚压至工艺要求的厚度；
将辊压后合格的极片点上极耳；
将隔膜纸按照要求进行裁切，用卷绕机将极片按照负极/隔膜纸/正极的顺序卷绕成电芯，并用高温胶纸封口；
将电芯逃入电池壳，并使电池芯到达底部；将盖板与套壳后的电芯焊接在一起，将盖板和铝壳用激光焊接机焊接在一起；
焊接好的电芯开口向上，在真空烤箱中烘烤；每隔0.5-24小时脱气一次；
烘烤结束的电芯在注液房里，用注液机进行注液；要求湿度符合工艺要求，注液量不可过多或过少；
注液后的电池静置0.5-72小时，对电池进行小电流充电激活电池，对电池进行充放电，记录其容量；
电池放置2-7天后，测量其电压。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述正极浆料的固含量为1％～70％；所述负极浆料的固含量为2％～68％。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述正极材料的制备方法如下：
将6g聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在250mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，然后向其中加入40g经过预嵌锂的锂钛氧化物材料粉末和8g炭黑，然后真空搅拌10h形成均匀的正极浆料；将该浆料涂布或喷涂在厚度为20μm，宽度为61.5mm铝箔的一面上，将得到的极片在110℃条件下烘干，然后，在将该极片的另一面上进行同样的涂布和干燥操作，将干燥后的极片进行辊压，辊压之后得到厚度为120μm的正极极片，正极极片单面面密度30mg/cm2。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述负极材料的制备方法如下：
将2g羧甲基纤维素(CMC)溶解在250mL的去离子中，然后向其中加入15g预嵌锂的锰基氧化物材料粉末和4g炭黑，然后真空搅拌10h形成均匀的负极浆料；将该浆料涂布或喷涂在厚度为20μm，宽度为61.5mm铝箔的一面上，将得到的极片在110℃条件下烘干，然后，在将该极片的另一面上进行同样的涂布和干燥操作，将干燥后的极片进行辊压，辊压之后得到厚度为53μm的负极极片，负极极片单面面密度10mg/cm2。
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CN110350232A (zh) * 2019-07-16 2019-10-18 广东元电科技有限公司 一种铝壳针式蓝牙耳机电池制作方法
CN114784232A (zh) * 2022-04-28 2022-07-22 安徽国洁新能源科技有限公司 一种应用纳米硅材料制作锂离子电芯的方法

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