CN110797582A - 一种新型钛酸锂正极电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型钛酸锂正极电池的制备方法属于化学电源技术领域。一种新型钛酸锂正极电池包括正极、负极、电解液、隔膜、外壳，钛酸锂电极作为正极，石墨电极作为负极。正极制作工艺为将钛酸锂、导电剂、粘结剂混合均匀后涂覆在铝箔上，烘干后制成钛酸锂正极。负极制作工艺为首先将石墨、导电剂、粘结剂、混合均匀后涂覆在铜箔上。负极极片需要进行预嵌锂处理，之后正负极极片还要进行装配和化成。新型钛酸锂正极电池工作电压为1.1~1.5V，可以直接应用于低压场景，摒弃了复杂的电路设计，提升了产品的可靠性。石墨负极预嵌锂解决了新型钛酸锂正极电池正极锂源的问题，降低了石墨负极的初始电位，电池在组装完成后可以顺利充放电。

Description

一种新型钛酸锂正极电池的制备方法
技术领域
本发明公开了一种电池的制备方法属于化学电源技术领域，具体涉及一种新型钛酸锂正极电池的制备方法
背景技术
传统的镍镉、镍氢电池由于存在资源问题、成本问题以及环保等问题，所以在大部分的应用领域中被锂离子电池替代。传统锂离子电池电压较高，磷酸铁锂电池电压3.2V，钴酸锂电池电压3.7V，锰酸锂离子电池电压3.7V，三元电池电压3.6V。但是仍然有部分场景由于用电器件、设备的工作电压在1.1～1.5V。如果用高电压的锂离子电池需要做电压的转化，电压转化不但额外增加的能量损耗，同时降低产品的可靠性。
钛酸锂(LTO)作为锂离子嵌入电极的优势在于其“零应变”特性，从初始状态Li4Ti5O12到完全锂化状态Li7Ti5O12，晶格参数几乎没有变化(0.2％)。使得LTO稳定的电压平台，高安全性，长循环寿命，制造工艺简单，成为锂离子电池应用领域中最突出的电极材料之一，由于LTO对锂的平台电位1.5V，所以通常被用来做负极材料，正极采用磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料等材料，电池的电压一般在1.9～2.4V，而钛酸锂作为正极材料却鲜有报道。
现有技术存在两点问题一方面是传统锂电池电压过高，不适用需要在1.1～1.5V工作电压下电器件，需要做电压的转化，而电压转化不但额外增加的能量损耗，同时降低产品的可靠性。另一方面若用钛酸锂作为电池正极会出现锂源问题，负极的初始电位过高，这样电池在组装完成后无法充放电。
发明内容
为了获得工作电压1.1～1.5V锂离子电池，本发明提供一种新型钛酸锂正极电池。该方法具有工艺简单，成本低等优势。
本发明的目的可以通过以下技术方案达到：
一种新型钛酸锂正极电池的制备方法，所述一种新型钛酸锂正极电池包括正极、负极、电解液、隔膜、外壳，钛酸锂电极作为正极，石墨电极作为负极，其制备包括以下步骤：
1)将正极材料钛酸锂与导电剂、粘结剂、活性物质混合均匀得到正极混料，将负极材料石墨与导电剂、粘结剂、活性物质混合均匀得到负极混料。
2)涂布：将钛酸锂正极混料连续、均匀涂覆在铝箔上，将石墨负极混料连续、均匀涂覆在铜箔上。
3)辊压：将涂布后的极片进一步压实得到极片卷，来提高电池的体积能量密度，降低电池的内阻。
4)极片成型：将辊压后得到的极片卷分成所需要的小条正负极极片然后得到成型的极片。
5)负极预嵌锂：将石墨与金属锂箔贴紧并用夹具固定，浸入锂盐溶液中搁置24～72h，进行预嵌锂处理。
6)装配：将极片成型的正极极片和预嵌锂的负极极片进行装配车间工艺：
卷绕→极耳焊接→入壳→盖板焊接→注液→搁置
首先卷绕就是用隔膜将正负极极片隔开，再卷裹在一起；极耳焊接是将多个极耳一起焊接成为裸电芯；然后将裸电芯入壳；注液将电解液加入到电芯中；搁置目前一般采用高温搁置，目的是为了电解液充分浸润。
7)化成：正负极极片经过装配车间工艺后再进行化成车间工艺：化成→老化→分容→入库→分选→包装
化成是激活锂电池的电化学性能，分容是对电池的电压和容量以及内阻做一次分类帅选。老化是对锂电池做一次完整的充放电循环，目的是检测整个电池组的性能，重点是检测电芯点焊和保护板焊接以及组装是否有问题。
优选的，所述步骤1)中正极的钛酸锂质量百分比为90％～94％，正极导电剂为质量百分比为2.5％～5％，正极粘连剂质量百分比为3.5％～5％；负极的石墨质量百分比为93.5％～95％，负极导电剂为质量百分比为1％～2％，负极粘连剂质量百分比为4％～4.5％。
优选的，所述步骤1)中的导电剂包括炭黑、导电石墨、碳纳米管和纳米碳纤维(VGCF)，粘结剂包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠。
优选的，所述步骤5)中预嵌锂处理用的锂盐溶液，锂盐溶液的溶质包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂，质量百分百比为3％～15％，锂盐溶液的溶剂包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲基乙基酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸丙烯酯(PC)，质量百分百比为85～97％，溶质与溶剂混合均匀制成嵌锂溶液。
优选的，所述步骤2)中铝箔的厚度为14～18um，铜箔厚度为8～12um。
优选的，所述步骤1)中混料时使用锂电池真空混料机，步骤2)涂布时使用间隙涂布机，步骤3)辊压时使用辊压机，步骤4)分条时使用全自动分切机，步骤6)装配车间工艺使用的仪器包括全自动极耳焊接机、半自动卷绕机、注液机、滚槽机、型封口机，步骤7)化成车间工艺使用仪器包括化成设备、分容柜。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
1.新型钛酸锂正极电池，较传统的镍氢、镍镉电池安全环保、循环寿命长。工作电压为1.1～1.5V，适用需要在1.1～1.5V工作电压下电器件，由于工作电压接近不需要做电压的转化，较传统的锂离子电池电压低，可以直接应用于低压应用场景，摒弃了复杂的电路设计，提升了产品的可靠性。
2.石墨负极预嵌锂解决了新型钛酸锂正极电池正极锂源的问题，降低了石墨负极的初始电位，电池在组装完成后，电池可以顺利充放电。
附图说明
图1是本发明一种新型钛酸锂正极电池的制备方法流程图。
具体实施方式
实施例1
一种新型钛酸锂正极电池的制备方法，其制备包括以下步骤：
1)将正极材料钛酸锂质量百分比为90％与正极导电剂炭黑质量百分比为5％、正极粘结剂PVDF质量百分比为5％，通过锂电池真空混料机混合均匀得到正极混料，和正极材料一样将负极材料石墨质量百分比为93.5％与负极导电剂炭黑质量百分比为2％、负极粘结剂PVDF质量百分比为4.5％通过锂电池真空混料机混合均匀得到负极混料。
2)涂布：将正极混料通过间隙涂布机连续、均匀涂覆在厚度为14～18um铝箔上，将负极混料通过间隙涂布机连续、均匀涂覆在8～12um铜箔上。
3)辊压：将涂布后的极片进一步通过辊压机压实得到极片卷，来提高电池的体积能量密度，降低电池的内阻。
4)极片成型：将辊压后得到的极片卷通过全自动分切机分成所需要的小条正负极极片然后得到成型的极片。
5)负极预嵌锂：将石墨与金属锂箔贴紧并用夹具固定，浸入锂盐溶液中搁置24h，进行预嵌锂处理。预嵌锂处理用的锂盐溶液，锂盐溶液的溶质为六氟磷酸锂质量百分百比为3％，锂盐溶液的溶剂为碳酸乙烯酯(EC)质量百分百比为97％，溶质与溶剂混合均匀制成嵌锂溶液。
6)装配：将分条得到的成型的正负极极片进行装配车间工艺：卷绕→极耳焊接→入壳→盖板焊接→电芯烘烤→注液→搁置
首先卷绕就是通过半自动卷绕机用隔膜将正负极极片隔开，再卷裹在一起；极耳焊接是通过全自动极耳焊接机将多个极耳一起焊接成为裸电芯，然后将裸电芯入壳；注液是通过注液机将电解液加入到电芯中；搁置目前一般采用高温搁置，目的是为了电解液充分浸润。
7)化成：正负极极片经过装配车间工艺后再使用化成设备进行化成车间工艺：
化成→补液封口→分容→老化→入库→分选→包装
化成是激活锂电池的电化学性能，分容是对电池的电压和容量以及内阻做一次分类筛选。老化是对锂电池做一次完整的充放电循环，目的是检测整个电池组的性能，重点是检测电芯点焊和保护板焊接以及组装是否有问题。
最终嵌锂后的石墨负极，在无水无氧的环境中与正极钛酸锂电极装配成电池，注液体封装制成0.5Ah电池。
实施例2：
实施例2与实施例1的制备步骤相同，不同之处在于：
步骤1)中钛酸锂的质量百分比为92％、正极导电剂的质量百分比为4％，正极粘结剂的质量百分比为4％，石墨的质量百分比为94％，负极导电剂的质量百分比为1.5％、负极粘结剂的质量百分比为4.5％。
步骤2)中将石墨与金属锂箔贴紧并用夹具固定，浸入锂盐溶液中搁置48h。预嵌锂用锂盐溶液，锂盐溶液的溶质为六氟磷酸锂，质量百分百比5％，溶剂碳酸二甲酯(DMC)，质量百分百比95％，溶质与溶剂混合均匀制成嵌锂溶液。
最终嵌锂后的石墨负极，在无水无氧的环境中与正极钛酸锂电极装配成电池，注液体封装制成1.8Ah电池。
实施例3：
实施例2与实施例1的制备步骤相同，不同之处在于：
步骤1)中钛酸锂的质量百分比为94％、正极导电剂的质量百分比为2.5％，正极粘结剂的质量百分比为3.5％，石墨的质量百分比为95％，负极导电剂的质量百分比为1.0％、负极粘结剂的质量百分比为4.0％。
步骤2)中将石墨与金属锂箔贴紧并用夹具固定，浸入锂盐溶液中搁置72h。预嵌锂用锂盐溶液，锂盐溶液的溶质为六氟磷酸锂，质量百分百比13％，溶剂为碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲基乙基酯(EMC),质量百分百比分别为30％和57％，溶质与溶剂混合均匀制成嵌锂溶液。
最终嵌锂后的石墨负极，在无水无氧的环境中与正极钛酸锂电极装配成电池，注液体封装制成3.2Ah电池。
表1为实施例1-3采用不同质量百分比的材料及锂盐溶液最终形成不同容量的电池对比表；表2为本发明与现有技术正极材料的性能数据比较如下。
Figure BDA0002218160710000071
Figure BDA0002218160710000081
表1
表2为本发明与现有技术正极材料的性能数据比较如下
Figure BDA0002218160710000082
表2

Claims (6)

1.一种新型钛酸锂正极电池的制备方法，所述一种新型钛酸锂正极电池包括正极、负极、电解液、隔膜、外壳，钛酸锂电极作为正极，石墨电极作为负极，其制备方法包括以下步骤：
1)将正极材料钛酸锂与导电剂、粘结剂混合均匀得到正极混料，将负极材料石墨与导电剂、粘结剂混合均匀得到负极混料；
2)涂布：将钛酸锂正极混料连续、均匀涂覆在铝箔上，将石墨负极混料连续、均匀涂覆在铜箔上；
3)辊压：将涂布后的极片进一步压实得到极片卷，来提高电池的体积能量密度，降低电池的内阻；
4)极片成型：将辊压后得到的极片卷分成所需要的小条正负极极片然后得到成型的极片；
5)负极预嵌锂：将石墨与金属锂箔贴紧并用夹具固定，浸入锂盐溶液中搁置24~72h，进行预嵌锂处理；
6)装配：将极片成型的正极极片和预嵌锂的负极极片进行装配车间工艺：
卷绕、极耳焊接、入壳、 盖板焊接、注液 、搁置；
7)化成：正负极极片经过装配车间工艺后再进行化成车间工艺：
化成 、老化、分容、入库 、分选、包装。
2.根据权利要求1所述的一种新型钛酸锂正极电池的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中正极的钛酸锂质量百分比为90%~94%，正极导电剂为质量百分比为2.5%~5%，正极粘连剂质量百分比为3.5%~5%;负极的石墨质量百分比为93.5%~95%，负极导电剂为质量百分比为1%~2%，负极粘连剂质量百分比为4%~4.5%。
3.根据权利要求1所述的一种新型钛酸锂正极电池的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的导电剂包括炭黑、导电石墨、碳纳米管和纳米碳纤维（VGCF），粘结剂包括聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠。
4.根据权利要求1所述的一种新型钛酸锂正极电池的制备方法，其特征在于，所述步骤5）中预嵌锂处理用的锂盐溶液 ，锂盐溶液的溶质包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂，质量百分百比为3%~15%，锂盐溶液的溶剂包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲基乙基酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸丙烯酯(PC)，质量百分百比为85~97%，溶质与溶剂混合均匀制成嵌锂溶液。
5.根据权利要求1所述的一种新型钛酸锂正极电池的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中铝箔的厚度为14~18um ，铜箔厚度为8~12um。
6.根据权利要求1所述的一种新型钛酸锂正极电池的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中混料时使用锂电池真空混料机，步骤2）涂布时使用间隙涂布机，步骤3）辊压时使用辊压机，步骤4）分条时使用全自动分切机，步骤6）装配车间工艺使用的仪器包括全自动极耳焊接机、半自动卷绕机、注液机、滚槽机、型封口机，步骤7）化成车间工艺使用仪器包括化成设备、分容柜。
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