CN110993939A - 锂离子电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锂离子电池，包括正极片、负极片及隔膜，所述正极片、负极片及隔膜进行叠片形成所述锂离子电池；所述正极片包括正极集流体及涂布于所述正极集流体上的正极浆料；所述正极浆料包括质量百分比为96‑89％：1‑5％：2‑3％：2‑3％的正极活性材料、补锂材料、导电剂及粘结剂；所述正极活性材料的比容量≥195mAh/g；所述负极片包括负极集流体及涂布于所述负极集流体上的负极浆料；所述负极浆料包括质量百分比为95‑92％：2‑3％：3‑5％的负极活性材料、导电剂及粘结剂；所述负极活性材料的比容量为420mAh/g‑650mAh/g。本发明还提供一种锂离子电池的制备方法。本发明提供的锂离子电池及其制备方法，能够提高正极活性材料的容量发挥，进而提高了锂离子电池的能量密度。
Description
【技术领域】
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种锂离子电池及其制备方法。
【背景技术】
随着新能源产业的兴起，以锂离子电池为动力系统的新能源汽车发展迅猛，锂离子电池的能量密度直接影响新能源汽车的续航里程。目前，为提高锂离子电池的能量密度，正极活性材料逐渐由NCM523，NCM622过渡至NCM811和NCA，负极活性材料正在由高容量硅碳负极材料取代传统石墨负极。然而，高容量硅碳负极材料中，随着氧化亚硅掺入量的增大，负极首次库伦效率降低，则会导致正极材料的容量无法完全发挥，造成了正极活性材料的容量损失，进而锂离子电池的首次库伦效率低，影响了锂离子电池的能量密度。
鉴于此，实有必要提供一种新型的锂离子电池及其制备方法以克服上述缺陷。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种锂离子电池及其制备方法，能够提高正极活性材料的容量发挥，很好的弥补了首次不可逆容量损失所消耗的活性锂，进而提高了锂离子电池的能量密度。
为了实现上述目的，本发明提供一种锂离子电池，包括正极片、负极片及隔膜，所述正极片、负极片及隔膜进行叠片形成所述锂离子电池；所述正极片包括正极集流体及涂布于所述正极集流体上的正极浆料；所述正极浆料包括质量百分比为96-89％：1-5％：2-3％：2-3％的正极活性材料、补锂材料、导电剂及粘结剂；所述正极活性材料的比容量≥195mAh/g；所述负极片包括负极集流体及涂布于所述负极集流体上的负极浆料；所述负极浆料包括质量百分比为95-92％：2-3％：3-5％的负极活性材料、导电剂及粘结剂；所述负极活性材料的比容量为420mAh/g-650mAh/g。
在一个优选实施方式中，所述补锂材料为Li5FeO4或者Li2NiO2。
在一个优选实施方式中，所述正极活性材料为镍钴锰或者镍钴铝；所述负极活性材料为硅氧碳复合材料。
在一个优选实施方式中，所述导电剂为SP、CNT、VGCF的一种或多种；所述粘结剂为PVDF或PAA；所述溶剂为NMP。
在一个优选实施方式中，所述隔膜包括基膜及陶瓷层，所述基膜的厚度为9um，所述陶瓷层的厚度为3um。
在一个优选实施方式中，所述正极集流体包括铝箔及涂碳层，所述铝箔厚度为12-16um，所述涂碳层的厚度为1um；所述负极集流体包括铜箔及涂碳层，所述铜箔厚度为6-8um，所述涂碳层的厚度为1um。
本发明还提供一种锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：正极片的制备：按照质量百分比为96-89％：1-5％：2-3％：2-3％称取正极活性材料、补锂材料、导电剂及粘结剂，并与溶剂混合，采用湿法工艺匀浆制得正极浆料；将分散均匀后的正极浆料涂覆在正极集流体上，烘干，对辊，分条，模切，制得所述正极片；所述正极活性材料的比容量≥195mAh/g；负极片的制备：按照质量百分比为95-92％：2-3％：3-5％称取负极活性材料、导电剂及粘结剂，并与去离子水混合，采用捏合工艺匀浆制得负极浆料；将分散均匀后的负极浆料涂覆在负极集流体上，烘干，对辊，分条，模切，制得所述负极片；所述负极活性材料的比容量为420mAh/g-650mAh/g；将所述正极片、所述负极片及隔膜进行叠片，焊接极耳后封装，注入电解液后进行老化、化成、分容，制得最终的锂离子电池。
在一个优选实施方式中，所述正极片的制备的步骤中，包括如下步骤：将所述粘结剂与所述溶剂按重量比1：10加入搅拌机中，搅拌至粘结剂充分溶解；加入所述导电剂继续搅拌后，加入所述正极活性材料及补锂材料搅拌；加入所述溶剂调节所述正极浆料的调粘度，控制所述正极浆料的粘度范围为6500-8500mPa·s。
在一个优选实施方式中，所述负极片的制备的步骤中，包括如下步骤：将所述负极活性材料与所述导电剂加入搅拌机中搅拌；将所述粘结剂按照粘结剂总量的50％、20％、30％分3次加入，进行搅拌；加入去离子水调节所述负极浆料的粘度，所述负极浆料的粘度范围为2500-4000mPa·s。
在一个优选实施方式中，所述正极片的面密度为370-430g/m2，所述负极片的面密度180-220g/m2；所述正极片的压实密度3.30-3.55g/cm3，所述负极片的压实密度为1.60-1.75g/cm3。
相比于现有技术，本发明提供的锂离子电池及其制备方法，采用高容量的正极活性材料及负极活性材料，并在正极浆料中添加补锂材料，能够提高正极活性材料的容量发挥，很好的弥补了首次不可逆容量损失所消耗的活性锂，提高了电池的首次库伦效率，进而提高了锂离子电池的能量密度；正极浆料采用湿法工艺匀浆，负极浆料使用捏合工艺匀浆，使得活性物质与导电剂充分混匀，降低电池阻抗，提升放电均压。本发明制备的软包锂离子电池，其质量能量密度高达280-290Wh/kg，且循环次数均能达到1000周以上，其它性能均能满足动力电池要求。并且，在正极材料中加入补锂材料，能够避免负极补锂、液态补锂、电化学补锂过程中对于设备、工艺、安全的复杂需求，操作简单，易于实现。
为使发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的锂离子电池的1C充放电循环曲线图；
图2为本发明实施例2的锂离子电池的1C充放电循环曲线图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本发明提供一种锂离子电池，包括正极片、负极片及隔膜，所述正极片、负极片及隔膜进行叠片形成所述锂离子电池；
所述正极片包括正极集流体及涂布于所述正极集流体上的正极浆料；所述正极浆料包括质量百分比为96-89％：1-5％：2-3％：2-3％的正极活性材料、补锂材料、导电剂及粘结剂；所述正极活性材料的比容量≥195mAh/g；
所述负极片包括负极集流体及涂布于所述负极集流体上的负极浆料；所述负极浆料包括质量百分比为95-92％：2-3％：3-5％的负极活性材料、导电剂及粘结剂；所述负极活性材料的比容量为420mAh/g-650mAh/g。
本发明提供的锂离子电池，采用高容量的正极活性材料及负极活性材料，并在正极浆料中添加补锂材料，能够提高正极活性材料的容量发挥，很好的弥补了首次不可逆容量损失所消耗的活性锂，提高了电池的首次库伦效率，进而提高了锂离子电池的能量密度。并且，在正极材料中加入补锂材料，能够避免负极补锂、液态补锂、电化学补锂过程中对于设备、工艺、安全的复杂需求，操作简单，易于实现。
所述补锂材料为Li5FeO4或者Li2NiO2，Li5FeO4的首次嵌锂容量≥700mAh/g，Li2NiO2的首次嵌锂容量≥400mAh/g，能够合理的补充锂源。
所述正极活性材料为镍钴锰NCM或者镍钴铝NCA，正极活性材料的Ni的百分含量为0.80-0.88；所述负极活性材料为硅氧碳复合材料(SiO/C)，负极活性材料的首次库伦效率≥85％，采用高容量的正极活性材料及负极活性材料，能够双重保证电池的首次库伦效率发挥最大。具体的，所述锂离子电池的负极过量比设定为10-20％，即N/P＝10-20％。
所述导电剂为SP、CNT、VGCF的一种或多种；所述粘结剂为PVDF或PAA；所述溶剂为NMP。
所述隔膜包括基膜及陶瓷层，所述基膜的厚度为9um，所述陶瓷层的厚度为3um。
所述正极集流体包括铝箔及涂碳层，所述铝箔厚度为12-16um，所述涂碳层的厚度为1um；所述负极集流体包括铜箔及涂碳层，所述铜箔厚度为6-8um，所述涂碳层的厚度为1um；涂碳铝箔和涂碳铜箔能够使高能量密度电池的倍率性能更优。。
本发明还提供一种锂离子电池的正极材料的制备方法，包括如下步骤：
正极片的制备：按照质量百分比为96-89％：1-5％：2-3％：2-3％称取正极活性材料、补锂材料、导电剂及粘结剂，并与溶剂混合，采用湿法工艺匀浆制得正极浆料；将分散均匀后的正极浆料涂覆在正极集流体上，烘干，对辊，分条，模切，制得所述正极片；所述正极活性材料的比容量≥195mAh/g；
负极片的制备：按照质量百分比为95-92％：2-3％：3-5％称取负极活性材料、导电剂及粘结剂，并与去离子水混合，采用捏合工艺匀浆制得负极浆料；将分散均匀后的负极浆料涂覆在负极集流体上，烘干，对辊，分条，模切，制得所述负极片；所述负极活性材料的比容量为420mAh/g-650mAh/g；
将所述正极片、所述负极片及隔膜进行叠片，焊接极耳后封装，注入电解液后进行老化、化成、分容，制得最终的锂离子电池。
具体的，所述正极片的制备的步骤中，包括如下步骤：
将所述粘结剂与所述溶剂按重量比1：10加入搅拌机中，搅拌至粘结剂充分溶解；加入所述导电剂继续搅拌后，加入所述正极活性材料及补锂材料搅拌；加入所述溶剂调节所述正极浆料的调粘度，控制所述正极浆料的粘度范围为6500-8500mPa·s。
具体的，所述负极片的制备的步骤中，包括如下步骤：
将所述负极活性材料与所述导电剂加入搅拌机中搅拌；将所述粘结剂按照粘结剂总量的50％、20％、30％分3次加入，进行搅拌；加入去离子水调节所述负极浆料的粘度，所述负极浆料的粘度范围为2500-4000mPa·s。
本实施方式中，所述正极片的面密度为370-430g/m2，所述负极片的面密度180-220g/m2；所述正极片的压实密度3.30-3.55g/cm3，所述负极片的压实密度为1.60-1.75g/cm3。
本发明提供的锂离子电池及其制备方法，采用高容量的正极活性材料及负极活性材料，并在正极浆料中添加补锂材料，能够提高正极活性材料的容量发挥，很好的弥补了首次不可逆容量损失所消耗的活性锂，提高了电池的首次库伦效率，进而提高了锂离子电池的能量密度；正极浆料采用湿法工艺匀浆，负极浆料使用捏合工艺匀浆，使得活性物质与导电剂充分混匀，降低电池阻抗，提升放电均压。本发明制备的软包锂离子电池，其质量能量密度高达280-290Wh/kg，且循环次数均能达到1000周以上，其它性能均能满足动力电池要求。并且，在正极材料中加入补锂材料，能够避免负极补锂、液态补锂、电化学补锂过程中对于设备、工艺、安全的复杂需求，操作简单，易于实现。
实施例1：
(1)正极片的制备：将正极活性材料NCM811(比容量195mAh/g)、补锂材料Li5FeO4、导电剂SP+CNT、粘结剂PVDF按照重量比94％：2％：2％：2％称取，采用湿法匀浆工艺，先将粘结剂PVDF与溶剂NMP按重量比1：10加入搅拌机中，搅拌3h至PVDF充分溶解，再加入导电剂SP+CNT搅拌1h，最后加入正极活性材料及补锂材料搅拌3h，使用NMP调粘度，控制粘度范围在6500-8500mPa·s之间，制得正极浆料。将分散均匀后的正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，铝箔厚度16um，涂碳层厚度1um，涂覆面密度380g/m2(N/P＝15％)，烘干后对辊，压实密度3.42g/cm3，分条，模切，制得正极片。
(2)负极片的制备：将负极活性材料SiO/C(比容量450mAh/g，)、导电剂SP+VGCF、粘结剂PAA按照重量比94％：3％：3％称取，采用捏合匀浆工艺，先将负极活性材料SiO/C与导电剂SP+VGCF同时加入搅拌机中混合1h，将粘结剂PAA分3次加入(粘结剂总量的50％、20％、30％)，搅拌时间分别为30min，30min，3h，使用去离子水调粘度，将控制粘度范围在2500-4000mPa·s之间，制得负极浆料。将分散均匀后的负极浆料涂覆在涂碳铜箔上，铜箔厚度8um，涂碳层厚度1um，涂覆面密度190g/m2，烘干后对辊，压实密度1.65g/cm3，分条，模切，制得负极片。
(3)将步骤(1)，(2)中得到的正、负极片与隔膜按Z字形叠片，极耳焊接，铝塑膜封装，将烘烤后的电池注入电解液，高温老化，化成，分容后得到最终的软包高能量密度锂离子电池。
请参阅图1，图1为本发明实施例1的锂离子电池的1C充放电循环曲线图。从图1可以看出，本实施例中，全电池的首次库伦效率达到88.5％，质量能量密度283.6Wh/kg，电压区间：4.15-2.75V，1C充放电循环次数1350周，容量保持率达到83％。
实施例2：
(1)正极片的制备：将正极活性材料NCA(比容量198mAh/g)、补锂材料Li2NiO2、导电剂SP+CNT、粘结剂PVDF按照重量比94％：2％：2％：2％称取，采用湿法匀浆工艺，先将粘结剂PVDF与溶剂NMP按重量比1:10加入搅拌机中，搅拌3h至PVDF充分溶解，再加入导电剂SP+CNT搅拌1h，最后加入正极活性材料及补锂材料搅拌3h，使用NMP调粘度，控制粘度范围在6500-8500mPa·s之间，制得正极浆料。将分散均匀后的正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，铝箔厚度12um，涂碳层厚度1um，涂覆面密度400g/m2(N/P＝10％)，烘干后对辊，压实密度3.38g/cm3。分条，模切，制得正极片。
(2)负极片的制备：将负极活性材料SiO/C(比容量500mAh/g，)、导电剂SP+VGCF、粘结剂PAA按照重量比94％：3％：3％称取，采用捏合匀浆工艺，先将负极活性材料与导电剂SP+VGCF同时加入搅拌机中混合1h，将粘结剂PAA分3次加入(粘结剂总量的50％、20％、30％)，搅拌时间分别为30min，30min，3h，使用去离子水调粘度，将控制粘度范围在2500-4000mPa·s之间，制得负极材料。将分散均匀后的负极浆料涂覆在涂碳铜箔上，铜箔厚度6um，涂碳层厚度1um，涂覆面密度200g/m2，烘干后对辊，压实密度1.70g/cm3，分条，模切，制得负极片。
(3)将步骤(1)，(2)中得到的正、负极片与隔膜按Z字形叠片，极耳焊接，铝塑膜封装，将烘烤后的电池注入电解液，高温老化，化成，分容后得到最终的软包高能量密度锂离子电池。
请参阅图2，图2为本发明实施例2的锂离子电池的1C充放电循环曲线图。从图2可以看出，本实施例中，全电池首次库伦效率达到86.3％，质量能量密度287.2Wh/kg，电压区间：4.15-2.75V，1C充放电循环次数1200周，容量保持率达到82％。
本发明提供的锂离子电池及其制备方法，采用高容量的正极活性材料及负极活性材料，并在正极浆料中添加补锂材料，能够提高正极活性材料的容量发挥，很好的弥补了首次不可逆容量损失所消耗的活性锂，提高了电池的首次库伦效率，进而提高了锂离子电池的能量密度；正极浆料采用湿法工艺匀浆，负极浆料使用捏合工艺匀浆，使得活性物质与导电剂充分混匀，降低电池阻抗，提升放电均压。本发明制备的软包锂离子电池，其质量能量密度高达280-290Wh/kg，且循环次数均能达到1000周以上，其它性能均能满足动力电池要求。并且，在正极材料中加入补锂材料，能够避免负极补锂、液态补锂、电化学补锂过程中对于设备、工艺、安全的复杂需求，操作简单，易于实现。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极片、负极片及隔膜，所述正极片、负极片及隔膜进行叠片形成所述锂离子电池；
所述正极片包括正极集流体及涂布于所述正极集流体上的正极浆料；所述正极浆料包括质量百分比为96-89％：1-5％：2-3％：2-3％的正极活性材料、补锂材料、导电剂及粘结剂；所述正极活性材料的比容量≥195mAh/g；
所述负极片包括负极集流体及涂布于所述负极集流体上的负极浆料；所述负极浆料包括质量百分比为95-92％：2-3％：3-5％的负极活性材料、导电剂及粘结剂；所述负极活性材料的比容量为420mAh/g-650mAh/g。
2.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述补锂材料为Li5FeO4或者Li2NiO2。
3.如权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极活性材料为镍钴锰或者镍钴铝；所述负极活性材料为硅氧碳复合材料。
4.如权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于，所述导电剂为SP、CNT、VGCF的一种或多种；所述粘结剂为PVDF或PAA；所述溶剂为NMP。
5.如权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于，所述隔膜包括基膜及陶瓷层，所述基膜的厚度为9um，所述陶瓷层的厚度为3um。
6.如权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极集流体包括铝箔及涂碳层，所述铝箔厚度为12-16um，所述涂碳层的厚度为1um；所述负极集流体包括铜箔及涂碳层，所述铜箔厚度为6-8um，所述涂碳层的厚度为1um。
7.一种锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
正极片的制备：按照质量百分比为96-89％：1-5％：2-3％：2-3％称取正极活性材料、补锂材料、导电剂及粘结剂，并与溶剂混合，采用湿法工艺匀浆制得正极浆料；将分散均匀后的正极浆料涂覆在正极集流体上，烘干，对辊，分条，模切，制得所述正极片；所述正极活性材料的比容量≥195mAh/g；
负极片的制备：按照质量百分比为95-92％：2-3％：3-5％称取负极活性材料、导电剂及粘结剂，并与去离子水混合，采用捏合工艺匀浆制得负极浆料；将分散均匀后的负极浆料涂覆在负极集流体上，烘干，对辊，分条，模切，制得所述负极片；所述负极活性材料的比容量为420mAh/g-650mAh/g；
将所述正极片、所述负极片及隔膜进行叠片，焊接极耳后封装，注入电解液后进行老化、化成、分容，制得最终的锂离子电池。
8.如权利要求7所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述正极片的制备的步骤中，包括如下步骤：
将所述粘结剂与所述溶剂按重量比1：10加入搅拌机中，搅拌至粘结剂充分溶解；加入所述导电剂继续搅拌后，加入所述正极活性材料及补锂材料搅拌；加入所述溶剂调节所述正极浆料的调粘度，控制所述正极浆料的粘度范围为6500-8500mPa·s。
9.如权利要求8所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述负极片的制备的步骤中，包括如下步骤：
将所述负极活性材料与所述导电剂加入搅拌机中搅拌；将所述粘结剂按照粘结剂总量的50％、20％、30％分3次加入，进行搅拌；加入去离子水调节所述负极浆料的粘度，所述负极浆料的粘度范围为2500-4000mPa·s。
10.如权利要求9所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述正极片的面密度为370-430g/m2，所述负极片的面密度180-220g/m2；所述正极片的压实密度3.30-3.55g/cm3，所述负极片的压实密度为1.60-1.75g/cm3。
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