CN111600020A - 一种锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、电解液和隔膜，正极极片的正极材料为：氢氧化锂，氧化锂或碳酸锂和卤族元素反应得到卤化锂中的一种或者几种；本发明还公开了该锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：正极极片制备；负极极片制备；由正极极片、负极极片、电解液和隔离膜组装得到的干电芯用铝塑膜封装，注液，化成制备得到目标锂离子电池；该发明的正极材料在锂离子完全脱出的情况下结构基本上不发生变化或发生的变化很小，正极材料具有较高的克容量发挥，锂离子电池具有很好的循环性能和使用寿命。

Description

一种锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池及其制备方法。
背景技术
与其它类型的二次电池相比，锂离子电池的功率密度高，循环寿命长的优点。近年来，随着新能源产业的不断发展对锂离子电池的性能提出了更高的要求。锂离子电池功率密度的提高取决于所使用的正极负极活性物质，以及正负极极片的配方及结构设计。以LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)为代表的高镍三元正极材料由于放电比容量高、循环稳定性好等诸多优点逐渐成为动力电池正极材料的首选物质。在实际使用过程中，锂离子电池的工作环境更加复杂，高温，高电压，大电流放电等都会导致三元正极材料的结构失稳进而导致电芯容量快速衰减。厦门大学孙世刚教授和CATL魏奕民首次在Li/NCM811电池中使用丁二酸酐(SA)作为功能添加剂的研究(Chen-Guang Shi,Chong-Heng Shen,Xin-Xing Peng,etal.A special enable for boosting cyclic life and rate capability ofLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2[J].Nano Energy65(2019)104084)中指出，如图1所示，当Li/NCM811电池循环100次后，二次粒子从内部裂缝和过渡金属溶解，二次颗粒破碎，破碎暴露的新界面成为与电解液发生副反应的新位点消耗活性锂导致的容量损失，同时反应伴随着产气等问题，给用户的使用带来更高的安全风险。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种锂离子电池，该发明的正极材料在锂离子完全脱出的情况下结构基本上不发生变化或发生的变化很小，正极材料具有较高的克容量发挥，锂离子电池具有很好的循环性能和使用寿命。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、电解液和隔膜；
正极极片的正极材料为：
氢氧化锂，氧化锂或碳酸锂和卤族元素反应得到卤化锂中的一种或者几种。
优选正极材料为氟化锂、氯化锂、溴化锂和碘化锂中的一种或者几种。
优选负极极片的负极材料为石墨或石墨与SiOx的混合物。
本发明的第二个目的在于提供一种锂离子电池的制备方法，该发明制得锂离子电池适合大功率充放电，循环性能好和使用寿命长。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种锂离子电池制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
正极极片制备；
将所述正极材料同导电剂、粘结剂并加入一定量的有机溶剂混合均匀得到正极浆料，将上述正极浆料涂布在集流体上，经过烘干，辊压，分条，裁片得到正极极片；
负极极片制备；
将石墨或石墨与SiOx的混合物与一定量的导电剂和液体型粘结剂在去离子水中搅拌混合均匀得到阳极浆料，将阳极浆料涂布在集流体上，经过烘干，辊压，分条，裁片得到负极极片；
由正极极片、负极极片、电解液和隔离膜组装得到的干电芯用铝塑膜封装，注液，化成制备得到目标锂离子电池。
优选正极极片和负极极片浆料的导电剂为导电碳黑，乙炔黑，科琴黑，多壁碳纳米管，单壁碳纳米管，导电石墨，石墨烯中的一种或者几种。
优选所述正极极片使用的粘结剂为聚偏氟乙烯,聚四氟乙烯，氢化丁腈橡胶和聚丙烯酸酯类共聚物中的一种或者几种；
所述负极极片使用的液体型粘结剂为聚苯乙烯-丁二烯橡胶，苯乙稀-丙烯酸酯共聚，聚丙烯酰胺及基于聚丙烯酰胺的共聚物，聚丙烯酸及基于聚丙烯酸的共聚物，聚乙烯醇及基于聚乙烯醇的共聚物或者聚丙烯酸酯类共聚物中的一种。本发明中负极极片使用的液体型粘结剂还具有一定的分散作用。
优选正极极片使用的集流体为涂炭铝箔，不锈钢带，涂炭不锈钢带或者导电碳支撑膜中的一种。
优选负极极片制备还包括分散剂，分散剂为为海藻酸钠、羧甲基纤维素钠和环糊精中的一种。分散剂在负极浆料制备中起到对活性材料增稠和分散的作用。
优选所述电解液为含有1M LiPF6的EC/DEC/EMC(1:1:1vol.％)溶液。
优选电池的注液及封装过程需要在空气湿度≤2％的干燥空气环境下进行。该步骤不同于其它已经量产的锂离子电池在注液过程需要抽真空或者在惰性气体环境下进行，本发明通过电池注液和封装工艺条件的改变是为了利用空气中的氧气促进正负极表面固态电解质膜的形成，保证电芯的长期循环寿命。
本发明的第三个目的在于提供卤化锂作为锂电池正极材料的应用，卤化锂作为正极材料在锂离子完全脱出的情况下其结构基本上不发生变化或发生的变化很小，卤化锂具有较高的克容量发挥，使用卤化锂作为正极材料的锂离子电池具有很好的循环性能和使用寿命。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
三元材料中含有毒重金属元素Ni、Co或Mn，具备有毒物质潜质，与主流的二次锂离子电池正极材料相比，氢氧化锂，氧化锂或碳酸锂和卤族元素反应得到的合成物合成方法简单，分子结构明确，结构稳定，来源广泛，且分子中不含有毒的重金属元素。本发明使用卤化锂作为正极材料配合适当负极材料以及相应的助剂，制备的二次锂离子电池功率密度高，可以实现15C以上持续的放电，搭配合理的负极配方制备的电芯可以实现8C以上持续的充放电循环，可以满足无人机，大功率电动工具，混合动力电动汽车上的应用需求。
从而实现本发明的上述目的。
附图说明
图1现有技术中锂电池循环100次后NCM811电极的横截面图像(30℃，倍率：1C充电，1C放电)；
图2是本发明实施例1锂离子电池循环前和循环100次后正极的SEM图(25℃，倍率：6C充电，6C放电)。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例1
本实施例公开一种锂离子电池制备方法及通过该方法制备的锂离子电池，包括以下步骤：
正极极片制备：
称取95.0wt.％的碘化锂加入2.5wt.％科琴黑，2.5wt.％PVDF在一定量的N-甲基吡咯烷酮中分散混合均匀得到正极浆料，将上述正极浆料涂布在涂炭不锈钢集流体上，经过烘干，辊压，分条，裁片得到正极极片；
负极极片制备：
将97.0wt.％石墨与1.0wt.％的SP，1.2wt.％粘结剂SBR，0.8wt.％分散剂CMC在去离子水中搅拌混合均匀等到阳极浆料，将上述浆料按照设计需求涂布在一定厚度的铜箔上，经过烘干，辊压，分条，模切等工序得到锂离子电池负极极片。
电解液为含有1M LiPF6的EC/DEC/EMC(1:1:1vol.％)溶液。
本实施例中隔膜使用聚乙烯微孔膜。
由以上正负极极片，电解液，隔离膜组装得到的干电芯用铝塑膜封装，注液，化成等工序制备得到锂离子二次电池。
本实施例中电池的注液及封装过程需要在空气湿度≤2％的干燥空气环境下进行。
随后，在25℃下进行充电倍率性能测试，具体测试数据详见表1；以6C充电6C放电的倍率在25℃下进行循环测试具体测试数据详见表2。
实施例2
本实施例公开一种锂离子电池制备方法及通过该方法制备的锂离子电池，包括以下步骤：
正极极片制备：
称取96.5wt.％的碘化锂加入0.5wt.％多壁碳纳米管，1.0wt.％SP，2.0wt.％PVDF在一定量的N-甲基吡咯烷酮中分散混合均匀得到正极浆料，将上述正极浆料涂布在涂炭不锈钢集流体上，经过烘干，辊压，分条，裁片工序得到正极极片；
负极极片制备：
将97.0wt.％石墨与1.0wt.％的SP，1.2wt.％粘结剂SBR，0.8wt.％分散剂CMC等在去离子水中搅拌混合均匀等到阳极浆料，将上述浆料按照设计需求涂布在一定厚度的不锈钢集流体上，经过烘干，辊压，分条，模切等工序得到锂离子电池负极极片。
电解液为含有1M LiPF6的EC/DEC/EMC(1:1:1vol.％)溶液。
本实施例中隔膜使用聚丙烯微孔膜。
由以上正负极极片，电解液，隔离膜组装得到的干电芯用铝塑膜封装，注液，化成等工序制备得到锂离子二次电池。
本实施例中电池的注液及封装过程需要在空气湿度≤2％的干燥空气环境下进行。
随后，在25℃下进行充电倍率性能测试，具体测试数据详见表1；以6C充电6C放电的倍率在25℃下进行循环测试具体测试数据详见表2。
实施例3
本实施例公开一种锂离子电池制备方法及通过该方法制备的锂离子电池，包括以下步骤：
正极极片制备：
称取96.5wt.％碘化锂加入0.5wt.％多壁碳纳米管，1.0wt.％SP，2.0wt.％PVDF在一定量的N-甲基吡咯烷酮中分散混合均匀得到正极浆料，将上述正极浆料涂布在涂炭不锈钢集流体上，经过烘干，辊压，分条，裁片(或模切)等工序得到锂离子电池正极极片。
负极极片制备：
本实施例中将95.0wt.％混合粉末，2.0wt.％的SP，2.5wt.％粘结剂，使用去离子水搅拌混合均匀等到阳极浆料，将上述浆料按照设计需求涂布在一定厚度的不锈钢集流体上，经过烘干，辊压，分条，模切等工序得到锂离子电池负极极片；
本实施例中的粘结剂为聚丙烯酰胺与丙烯酸酯的共聚物；
本实施例中混合粉末按照质量分数包括90％石墨和10％SiOx。
电解液为含有1M LiPF6的EC/DEC/EMC(1:1:1vol.％)溶液。
本实施例中隔膜使用聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层微孔膜。
由以上正负极极片，电解液，隔离膜组装得到的干电芯用铝塑膜封装，注液，化成等工序制备得到锂离子二次电池。随后，在25℃下进行充电倍率性能测试，具体测试数据详见表1；以6C充电6C放电的倍率在25℃下进行循环测试具体测试数据详见表2。
对比例
本对比例与实施例2的主要区别在于，正极材料使用等量的NCM811，其具体的制备方法和测试方式同实施例2。本对比例制得锂离子电池在25℃下进行充电倍率性能测试，具体测试数据详见表1；以6C充电6C放电的倍率在25℃下进行循环测试具体测试数据详见表2。
表1.实施例1至3与对比例制得例电池倍率性能(不同放电倍率下电芯的容量保持情况@25℃)
项目 3C 5C 8C 10C 15C 20C
对比例 89.00％ 80.20％ 68.90％ 50.50％ 30.30％ NA
实施例1 100.00％ 98.30％ 95.10％ 85.10％ 72.20％ 49.80％
实施例2 100.00％ 100.00％ 96.30％ 88.00％ 75.90％ 55.60％
实施例3 95.50％ 89.80％ 86.10％ 77.50％ 62.90％ 42.70％
表2实施例1至3和对比例制得锂电池的循环过程数据(25℃，6C/6C)
项目 1cls 10cls 50cls 100cls 200cls 500cls 800cls 1000cls
对比例 100.00％ 99.20％ 98.30％ 96.20％ 92.40％ 87.40％ 82.10％ 76.90％
实施例1 100.00％ 100.00％ 100.00％ 99.00％ 97.70％ 93.60％ 89.80％ 84.30％
实施例2 100.00％ 100.00％ 100.00％ 100.00％ 99.00％ 95.60％ 92.20％ 86.60％
实施例3 100.00％ 100.00％ 99.30％ 98.30％ 95.10％ 90.50％ 85.70％ 81.10％
本发明中的隔膜也可以使用双层PP微孔膜，双层PP/PE微孔膜等，其厚度不限制和处理方式包括陶瓷涂覆或者陶瓷+聚合物涂覆等商品化的锂离子电池隔离膜产品。
结合表1和表2可知，实施例1至3制得二次锂离子电池使用了卤化锂作为正极材料，功率密度高，可以实现15C以上持续的放电，搭配合理的负极配方制备的电芯可以实现8C以上持续的充放电循环。可以满足无人机，大功率电动工具，混合动力电动汽车上的应用需求。
从图2可以看出，经过100次循环的电池正极材料在锂离子完全脱出的情况下结构基本上不发生变化或发生的变化很小，正极材料具有较高的克容量发挥，锂离子电池具有很好的循环性能和使用寿命。
上述实施例并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (11)

1.一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、电解液和隔膜；
其特征在于：
正极极片的正极材料为：
氢氧化锂，氧化锂或碳酸锂和卤族元素反应得到卤化锂中的一种或者几种。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池，其特征在于：正极材料为氟化锂、氯化锂、溴化锂和碘化锂中的一种或者几种。
3.如权利要求1所述的一种锂离子电池，其特征在于：负极极片的负极材料为石墨或石墨与SiOx的混合物。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种锂离子电池制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
正极极片制备；
将所述正极材料同导电剂、粘结剂并加入一定量的有机溶剂混合均匀得到正极浆料，将上述正极浆料涂布在集流体上，经过烘干，辊压，分条，裁片得到正极极片；
负极极片制备；
将石墨或石墨与SiOx的混合物与一定量的导电剂和液体型粘结剂在去离子水中搅拌混合均匀得到阳极浆料，将阳极浆料涂布在集流体上，经过烘干，辊压，分条，裁片得到负极极片；
由正极极片、负极极片、电解液和隔离膜组装得到的干电芯用铝塑膜封装，注液，化成制备得到目标锂离子电池。
5.如权利要求4所述的一种锂离子电池制备方法，其特征在于：正极极片和负极极片浆料的导电剂为导电碳黑，乙炔黑，科琴黑，多壁碳纳米管，单壁碳纳米管，导电石墨，石墨烯中的一种或者几种。
6.如权利要求4所述的一种锂离子电池制备方法，其特征在于：所述正极极片使用的粘结剂为聚偏氟乙烯,聚四氟乙烯，氢化丁腈橡胶和聚丙烯酸酯类共聚物中的一种或者几种；
所述负极极片使用的液体型粘结剂为聚苯乙烯-丁二烯橡胶，苯乙稀-丙烯酸酯共聚，聚丙烯酰胺及基于聚丙烯酰胺的共聚物，聚丙烯酸及基于聚丙烯酸的共聚物，聚乙烯醇及基于聚乙烯醇的共聚物或者聚丙烯酸酯类共聚物中的一种。
7.如权利要求4所述的一种锂离子电池制备方法，其特征在于：正极极片使用的集流体为涂炭铝箔，不锈钢带，涂炭不锈钢带或者导电碳支撑膜中的一种。
8.如权利要求6所述的一种锂离子电池制备方法，其特征在于：负极极片制备还包括分散剂，分散剂为为海藻酸钠、羧甲基纤维素钠和环糊精中的一种。
9.如权利要求4所述的一种锂离子电池制备方法，其特征在于：所述电解液为含有1MLiPF6的EC/DEC/EMC(1:1:1vol.％)溶液。
10.如权利要求4所述的一种锂离子电池制备方法，其特征在于：电池的注液及封装过程需要在空气湿度≤2％的干燥空气环境下进行。
11.卤化锂作为锂离子电池正极材料的应用。
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