CN110911645B - 一种汽车启动电源高倍率锂电池极片及其制作工艺和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车启动电源高倍率锂电池极片，其工艺包括以下步骤：取2％PVDF分散后，先后加入1％的KS‑6，1％的VGCF，1.5％的碳纳米管，分若干次加入94.5％的磷酸铁锂活性物质，每次加入各物质后进行分散操作；分散结束后抽真空至‑0.09mpa；再将浆料过200目筛网；成型制作：将滤后浆料涂布在铝箔材料表面；再把涂布号的极片放105℃的真空烘箱，真空达到≤‑90KPA，循环烘烤8小时，每1.5小时换气一次,等温度降低到50℃时进行辊压。

Description

一种汽车启动电源高倍率锂电池极片及其制作工艺和应用
技术领域
本发明涉及一种汽车启动电源高倍率锂电池极片及其制作工艺和应用。
背景技术
随着汽车普及，启动电源的需求呈爆发式增长。一般汽车启动电源为铅酸电池，因体积大不环保而逐渐被锂电池替代。聚合物锂电池具有体积小、重量轻、寿命长、低温性能好等特性，是铅酸电池最佳替代者。汽车启动电源的容量大、能瞬间或持续提供20C倍率的电流。
原来使用普通磷酸铁锂存在难分散和导电率差的问题，选用碳黑包覆的磷酸铁锂工艺和新的导电剂配方，改善正极浆料的分散性和导电性。
而目前常规使用的配方：磷酸铁锂为92％，碳纳米管为1％，导电炭黑KS-6为2％，SP为1.5％，PVDF为3.5％。由于使用SP比例较高，导致浆料中PVDF含量增加，导致浆料在分散时，时间达到5小时，造成配料效率降低，而且SP和PVDF受到材料本身的制约，使用量偏高，使正极的活性物质量降低，间接降低了产品的能量密度，导电性能欠佳，电池只能进行10C的放电，不能满足汽车启动需要的20C的放电能力。
具体的来说，由于使用了SP导电剂，SP炭黑颗粒的高比表面积，类似葡萄球形状，堆积紧密，于颗粒之间紧密接触在一起，组成了电极中的导电网络，利用电解质的吸附而提高离子电导率。另外，炭一次颗粒团聚形成支链结构，导致导电剂比表面积较大，比表面积的增加带来的工艺问题是分散困难，电池的浆料在搅拌过程中容易团聚，不能充分发挥导电剂的作用，一般仅能满足10C的放电；特别是遇到水分比较高的时候，浆料会出现吸水现象，整个浆料会出现“果冻”状，导致浆料很难涂布，而且浆料在涂布时，涂布机的刀口浆料与空气长时间接触会出现凝固，涂布的刀口边缘上就会出现小颗粒，造成电极料表面出现颗粒，使涂布量极其不稳定。涂布量的不稳定又直接影响电池的循环性能下降。电池的容量偏差大，电池极片在放电过程中容易出现析锂，导致电池的安全性能下降。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种汽车启动电源高倍率锂电池极片及其制作工艺和应用，旨在解决现有倍率锂电池活性物质量、产品的能量密度降低，导电性能欠佳，不能满足汽车启动需要的20C的放电能力以及浆料分散时间长，配料效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种汽车启动电源高倍率锂电池极片，包括以下质量百分比的各物质：磷酸铁锂为94.5％，碳纳米管为1.5％，VGCF为1％，KS-6为1％，PVDF为2％。
一种汽车启动电源高倍率锂电池极片的制作工艺，包括以下步骤：
配料：取2％PVDF分散后，先后加入1％的KS-6，1％的VGCF，1.5％的碳纳米管，分若干次加入94.5％的磷酸铁锂活性物质，每次加入各物质后进行分散操作；分散结束后抽真空至-0.09mpa；再将浆料过200目筛网；
成型制作：将滤后浆料涂布在铝箔材料表面；再把涂布号的极片放105℃的真空烘箱，真空达到≤-90KPA，循环烘烤8小时，每1.5小时换气一次,等温度降低到50℃时进行辊压。
优选的，在配料过程中，采取以下工序参数进行：
3.1：设备分散20HZ，搅拌30HZ，运行5min；
3.2：加2％PVDF溶液，分散30HZ，搅拌40HZ，抽真空至-0.08mpa，运行30min；
3.3：加1％KS-6，分散30HZ，搅拌30HZ，抽真空至-0.08mpa，运行30min；
3.4：加1％VGCF，分散30HZ，搅拌30HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
3.5：加1.5％碳纳米管，分散30HZ，搅拌30HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
3.6：第一次加94.5％磷酸铁锂活性物质三分之一，分散30HZ，搅拌35HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
3.7：第二次加94.5％磷酸铁锂活性物质三分之一，分散10HZ，搅拌15HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
3.8：第三次加94.5％磷酸铁锂活性物质三分之一，分散40HZ，搅拌35HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；抽真空至-0.09mpa 1h结束；
3.9：浆料过200目筛网。
优选的，对进行压实时，按照3.3的辊压系数进行，采用河北邢台纳科诺尔精轧科技的500系列压机进行热压压实。
一种汽车启动电源高倍率锂电池极片的制作工艺的应用，还包括，压实后的极片用三本机械的冲切设备进行极片制作，极片的尺寸为宽48mm*长度117mm,用自动叠片机生产3.7Ah电池，型号为8550123L磷酸铁锂3.2V电池；
电池在封装后进行36小时的烘烤作业，再进行注液，电解液用山东海容的8848B型号(通过热压后液体电解液形成凝胶状，电池能够在60度环境下搁置24h能正常工作。解决电池包的高低温倍率放电性能)；在45度活化12小时后进行化成充电，充电制度按照0.02C充电5小时，0.2C充电3小时，再进行老化48小时，电池进行抽真空处理。
本发明的有益效果：使用了新型导电剂配方，使电极配方进行了优化，改进后使正极材料的活性物质含量提高2％，产品的能量密度增加3％左右。
通过导电剂的种类变化，使磷酸铁锂的晶体结构与导电剂的契合更加完善，改善了离子的传导能力，能改善电池的放电倍率，并且通过导电剂的改善使热能的散发效率提高，降低了产品在工作时的温度，极大的提高了产品的安全性能。
使用该配方产品的容量集中度得到改善，之前产品由于涂布浆料分散不充分，导致涂布时的面密度偏差大，使产品95％容量等级集中在7个档次，现在改善了浆料的流动性，使极片的面密度一致性得到改善，按照同样的标准进行分选，电池的95％的容量等级集中在4个档次。提高了产品的一致性，使产品在配对时整个电池组一致性得到改善。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明的不同温度标准放电容量测试报告。
图3为本发明的-20℃放电特征图。
图4为本发明的-10℃放电特征图。
图5为本发明的10℃放电特征图。
图6为本发明的20℃放电特征图。
图7为本发明的25℃放电特征图。
图8为本发明的30℃放电特征图。
图9为本发明的40℃放电特征图。
图10为本发明的55℃放电特征图。
图11为传统材料产品与本发明材料工艺产品的效果对比图。
图12为本发明的挤压检测对比报告。
图13为本发明的耐过热检测对比报告。
图14为本发明的针刺性能检测对比报告。
图15为本发明的重物冲击检测对比报告。
具体实施方式
一种汽车启动电源高倍率锂电池极片，包括以下质量百分比的各物质：磷酸铁锂为94.5％，碳纳米管为1.5％，VGCF为1％，KS-6为1％，PVDF为2％。
如图1所示，其极片制作方法包括：
配料：采取以下工序参数进行：
3.1：设备分散20HZ，搅拌30HZ，运行5min；
3.2：加2％PVDF溶液，分散30HZ，搅拌40HZ，抽真空至-0.08mpa，运行30min；
3.3：加1％KS-6，分散30HZ，搅拌30HZ，抽真空至-0.08mpa，运行30min；
3.4：加1％VGCF，分散30HZ，搅拌30HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
3.5：加1.5％碳纳米管，分散30HZ，搅拌30HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
3.6：第一次加94.5％磷酸铁锂活性物质三分之一，分散30HZ，搅拌35HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
3.7：第二次加94.5％磷酸铁锂活性物质三分之一，分散10HZ，搅拌15HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
3.8：第三次加94.5％磷酸铁锂活性物质三分之一，分散40HZ，搅拌35HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；抽真空至-0.09mpa 1h结束；
3.9：浆料过200目筛网。
成型制作：将滤后浆料涂布在铝箔材料表面；再把涂布号的极片放105℃的真空烘箱，真空达到≤-90KPA，循环烘烤8小时，每1.5小时换气一次,等温度降低到50℃时进行辊压，极片按照3.3的辊压系数进行，采用河北邢台纳科诺尔精轧科技的500系列压机进行热压压实。
压实后的极片用三本机械的冲切设备进行极片制作，极片的尺寸为宽48mm*长度117mm,用自动叠片机生产3.7Ah电池，型号为8550123L磷酸铁锂3.2V电池；电池在封装后进行36小时的烘烤作业，再进行注液，电解液用山东海容的8848B型号(通过热压后液体电解液形成凝胶状，电池能够在60度环境下搁置24h能正常工作。解决电池包的高低温倍率放电性能)；在45度活化12小时后进行化成充电，充电制度按照0.02C充电5小时，0.2C充电3小时，再进行老化48小时，电池进行抽真空处理。
如图2-11所示，本发明通过导电剂的种类变化，去除SP，增加VGCF，改变配方结构，这样利用VGCF在电极中容易形成良好的导电网络优势，表现出较好的导电性，因而减轻电极极化，降低电池内阻及改善电池性能。
在碳纤维作为导电剂的电池内部，活物质与导电剂接触形式为点线接触，相比于使用SP导电炭黑与活性物质的点点接触形式，不仅有利于提高电极导电性，更能降低导电剂用量，降低导电剂的含量，使配料搅拌更加方便，增加了浆料的分散性能，使浆料混合的更加充分，在涂布时，浆料的流动性增强，使极片的厚度保持一致，涂布量保持稳定，使电池能够达到20C的放电能力，而且循环性能良好。
但是VGCF是高强度纤维状长径比大的材料，电池的极片在辊压后容易出现厚度反弹，影响电池的整体厚度。为稳定极片的质量，保证产品的一致性，在辊压时更改工艺，由原来采用的冷辊压工艺更换为热辊压工艺，产品质量如图12-15所示。
通过热辊压工艺，减小了极片在轧制后的表面材料的反弹率，热辊压可以减少约20-30％的极片反弹，加VGCF的极片的辊压厚度一般在0.065mm，搁置12小时，极片反弹后的厚度为0.072mm左右，通过热压工艺同样厚度为0.065mm的极片在热压后搁置12小时，厚度为0.069mm。这样就消除了由VGCF带来的厚度变化。
通过热压工艺消减极片的内应力，因为在膜切工序进行时，极片会由于内应力的释放而产生扭曲、翻转等不良现象；由于在极片热轧过程中，电池材料中的粘合剂处于熔融状态，这样可增强活性物质与集流体之间的粘合力，避免涂层容易脱落、掉粉等现象，降低了低压不良的产生。降低电池极片的变形抗力，致使极片上活性物质的孔架结构不被破坏，有利于提高活性物质吸液量指数的提高，使产品的保液量提高5％，从而提升了产品的循环性能。
由于电池极片得到改善，正负极片间的离子交换更加充分，使电池的循环性能加以提升，之前单颗电池2000次循环后的容量保存率为80％，现在单颗电池2000次的容量保存率为89％，4000次的容量保存率超过80％,极大的延长了产品的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种汽车启动电源高倍率锂电池极片的制作工艺，其特征在于，包括以下质量百分比的各物质：磷酸铁锂为94.5％，碳纳米管为1.5％，VGCF为1％，KS-6为1％，PVDF为2％；
其制作工艺包括以下步骤：
配料：取2％PVDF分散后，先后加入1％的KS-6，1％的VGCF，1.5％的碳纳米管，分若干次加入94.5％的磷酸铁锂活性物质，每次加入各物质后进行分散操作；分散结束后抽真空至-0.09mpa；再将浆料过200目筛网；
成型制作：将滤后浆料涂布在铝箔材料表面；再把涂布好的极片放105℃的真空烘箱，真空达到≤-90KPA，循环烘烤8小时，每1.5小时换气一次,等温度降低到50℃时进行辊压；
在配料过程中，采取以下工序进行：
1.1：设备分散20HZ，搅拌30HZ，运行5min；
1.2：加2％PVDF溶液，分散30HZ，搅拌40HZ，抽真空至-0.08mpa，运行30min；
1.3：加1％KS-6，分散30HZ，搅拌30HZ，抽真空至-0.08mpa，运行30min；
1.4：加1％VGCF，分散30HZ，搅拌30HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
1.5：加1.5％碳纳米管，分散30HZ，搅拌30HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
1.6：第一次加94.5％磷酸铁锂活性物质三分之一，分散30HZ，搅拌35HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
1.7：第二次加94.5％磷酸铁锂活性物质三分之一，分散10HZ，搅拌15HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；
1.8：第三次加94.5％磷酸铁锂活性物质三分之一，分散40HZ，搅拌35HZ，抽真空至-0.08mpa，运行1h；抽真空至-0.09mpa 1h结束；
1.9：浆料过200目筛网。
2.根据权利要求1所述一种汽车启动电源高倍率锂电池极片的制作工艺，其特征在于，对进行压实时，按照3.3的辊压系数进行；压实后的极片用冲切设备进行极片制作，极片的尺寸为宽48mm*长度117mm,用自动叠片机生产3.7Ah电池，型号为8550123L磷酸铁锂3.2V电池；
电池在封装后进行36小时的烘烤作业，再进行注液，在45度活化12小时后进行化成充电，充电制度按照0.02C充电5小时，0.2C充电3小时，再进行老化48小时，电池进行抽真空处理。
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