CN111769254A - 一种超高倍率锂电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高倍率锂电池及其制造方法，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳；正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极材料，正极材料由下述质量份的原料制成：磷酸铁锂90～95份、导电炭黑0.5～4份、碳纳米管1～5份、聚偏氟乙烯乳液1～5份；负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极材料，负极材料由下述质量份的原料制成：石墨粉90～95份、导电炭黑1～5份、羧甲基纤维素钠0.5～4份、丁苯橡胶乳液1～5份。本发明制造的锂电池可满足快充和高脉冲功率的性能要求，具备55C持续放电性能，适用于方程式赛车的车载动力系统，电网储能系统和特种领域的能源供电系统。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种超高倍率锂电池及其制造方法。
背景技术
能源和环境是人类在21世纪必须面对的两个严峻问题，开发新能源和清洁可再生能源是今后世界经济中最具决定性影响的技术领域之一。锂离子电池具有较高的比能量密度、高的电池工作电压、自放电率低、储存寿命长等优点，可以广泛应用于军事、民用小型电器中。
橄榄石结构磷酸铁锂拥有良好的充放电平台，极高的安全性与环保性，极好的可逆容量与极优的循环性能等优点，已得到了越来越多的关注与研究。基于未来市场发展趋势及政策环境，对电池的快速充电、高倍率性能的要求，一些军用设备和航模、电磁弹射装置等场景要求电池满足15C以上高倍率的锂离子电池。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提出一种超高倍率锂电池及其制造方法，可满足对锂电池快充和高脉冲功率的性能要求，具备55C持续放电性能，适用于方程式赛车的车载动力系统，电网储能系统和特种领域的能源供电系统。
本发明提出的一种超高倍率锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳；
所述正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极材料，所述正极材料由下述质量份的原料制成：磷酸铁锂90～95份、导电炭黑0.5～4份、碳纳米管1～5份、聚偏氟乙烯乳液1～5份；
所述负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极材料，所述负极材料由下述质量份的原料制成：石墨粉90～95份、导电炭黑1～5份、羧甲基纤维素钠0.5～4份、丁苯橡胶乳液1～5份。
优选地，所述正极片的单面面密度为60～80g/m2。
优选地，所述负极片的单面面密度为30～40g/m2。
优选地，所述正极片的制备方法为：先将聚偏氟乙烯乳液加入溶剂中搅拌均匀，真空静置消泡后加入磷酸铁锂、导电炭黑、碳纳米管搅拌均匀，然后调节粘度，得到正极浆料，将所述正极浆料涂布在正极集流体上，干燥，即得正极片。
优选地，所述正极片的制备方法为：先将聚偏氟乙烯乳液加入N-甲基吡咯烷酮中搅拌3～6h制得固含量为6～10％的聚偏氟乙烯溶液，在真空度为0.1～0.3Mpa的条件下真空静置消泡1～3h，然后加入磷酸铁锂、导电炭黑、碳纳米管搅拌6～12h，然后加N-甲基吡咯烷酮调节粘度，得到粘度为4000～8000mPa·s，固含量为50～55％的正极浆料，将所述正极浆料涂布在铝箔上，干燥，即得正极片。
优选地，所述负极片的制备方法为：先将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌均匀，真空静置消泡后加入石墨粉、导电炭黑、丁苯橡胶乳液搅拌均匀，然后调节粘度，得到负极浆料，将所述负极浆料涂布在负极集流体上，干燥，即得负极片。
优选地，所述负极片的制备方法为：先将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌3～6h制得固含量为1～3％的羧甲基纤维素钠溶液，在真空度为0.1～0.3Mpa的条件下真空静置消泡1～3h，再加入石墨粉、导电炭黑、丁苯橡胶乳液搅拌6～12h，然后加水调节粘度，得到粘度为3000～6000mPa·s，固含量为40～50％的负极浆料，将所述负极浆料涂布在铜箔上，干燥，即得负极片。
一种所述的超高倍率锂电池的制造方法，包括下述步骤：
S1、制备正极片和负极片；
S2、分别将所述正极片、负极片经过辊压、分切，然后将隔膜置于正极片、负极片之间，卷绕得到电芯；
S3、将所述电芯放入壳体内，注入电解液，封口，即得超高倍率锂电池。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过选择合适的正负极材料和辅料之间的配比，制得阻抗低、导电性高的锂电池，适用于大电流的充放电。
(2)本发明的锂电池极片面密度极低，可有效缩短锂离子在正负极片中的传输路径，提升离子扩散速率，从而提高电池的倍率性能。
(3)本发明制得的锂电池55C放电容量在初始容量的85％以上，能够支持55C的超高倍率持续放电。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的锂电池的1C和55C放电曲线。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种超高倍率锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳；
正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极材料，其中正极材料由下述质量份的原料制成：磷酸铁锂95份、导电炭黑0.5份、碳纳米管1份、聚偏氟乙烯乳液2.5份；
负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极材料，其中负极材料由下述质量份的原料制成：石墨粉95份、导电炭黑1份、羧甲基纤维素钠0.5份、丁苯橡胶乳液2.5份；
正极片的单面面密度为60g/m2，负极片的单面面密度为30g/m2。
超高倍率锂电池的制造：
S1、制备正极片：按质量份计，先将2.5份聚偏氟乙烯乳液加入N-甲基吡咯烷酮中搅拌3h制得固含量为6％的聚偏氟乙烯溶液，在真空度为0.1Mpa的条件下真空静置消泡1h，然后加入95份磷酸铁锂、0.5份导电炭黑、1份碳纳米管搅拌6h，然后加N-甲基吡咯烷酮调节粘度，得到粘度为4000mPa·s，固含量为50％的正极浆料，将所述正极浆料涂布在铝箔上，干燥，得到单面面密度为60g/m2的正极片；
制备负极片：按质量份计，先将0.5份羧甲基纤维素钠加入水中搅拌3h制得固含量为1％的羧甲基纤维素钠溶液，在真空度为0.1Mpa的条件下真空静置消泡1h，再加入95份石墨粉、1份导电炭黑、2.5份丁苯橡胶乳液搅拌6h，然后加水调节粘度，得到粘度为3000mPa·s，固含量为40％的负极浆料，将所述负极浆料涂布在铜箔上，干燥，得到单面面密度为30g/m2的负极片；
S2、分别将正极片、负极片经过辊压、分切，然后将隔膜置于正极片、负极片之间，卷绕得到电芯；
S3、将电芯放入壳体内，注入电解液，封口，即得超高倍率锂电池。
实施例2
一种超高倍率锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳；
正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极材料，其中正极材料由下述质量份的原料制成：磷酸铁锂90份、导电炭黑4份、碳纳米管1份、聚偏氟乙烯乳液5份；
负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极材料，其中负极材料由下述质量份的原料制成：石墨粉90份、导电炭黑4份、羧甲基纤维素钠1份、丁苯橡胶乳液5份；
正极片的单面面密度为80g/m2，负极片的单面面密度为40g/m2。
超高倍率锂电池的制造：
S1、制备正极片：按质量份计，先将5份聚偏氟乙烯乳液加入N-甲基吡咯烷酮中搅拌3～6h制得固含量为10％的聚偏氟乙烯溶液，在真空度为0.3Mpa的条件下真空静置消泡3h，然后加入90份磷酸铁锂、4份导电炭黑、1份碳纳米管搅拌12h，然后加N-甲基吡咯烷酮调节粘度，得到粘度为8000mPa·s，固含量为55％的正极浆料，将所述正极浆料涂布在铝箔上，干燥，得到单面面密度为80g/m2的正极片；
制备负极片：按质量份计，先将1份羧甲基纤维素钠加入水中搅拌3h制得固含量为3％的羧甲基纤维素钠溶液，在真空度为0.3Mpa的条件下真空静置消泡3h，再加入90份石墨粉、4份导电炭黑、5份丁苯橡胶乳液搅拌12h，然后加水调节粘度，得到粘度为6000mPa·s，固含量为50％的负极浆料，将所述负极浆料涂布在铜箔上，干燥，得到单面面密度为40g/m2的负极片；
S2、分别将正极片、负极片经过辊压、分切，然后将隔膜置于正极片、负极片之间，卷绕得到电芯；
S3、将电芯放入壳体内，注入电解液，封口，即得超高倍率锂电池。
实施例3
一种超高倍率锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳；
正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极材料，其中正极材料由下述质量份的原料制成：磷酸铁锂93份、导电炭黑1份、碳纳米管5份、聚偏氟乙烯乳液1份；
负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极材料，其中负极材料由下述质量份的原料制成：石墨粉93份、导电炭黑1份、羧甲基纤维素钠4份、丁苯橡胶乳液2份；
正极片的单面面密度为70g/m2，负极片的单面面密度为35g/m2。
超高倍率锂电池的制造：
S1、制备正极片：按质量份计，先将1份聚偏氟乙烯乳液加入N-甲基吡咯烷酮中搅拌5h制得固含量为8％的聚偏氟乙烯溶液，在真空度为0.2Mpa的条件下真空静置消泡2h，然后加入93份磷酸铁锂、1份导电炭黑、5份碳纳米管搅拌10h，然后加N-甲基吡咯烷酮调节粘度，得到粘度为6000mPa·s，固含量为52％的正极浆料，将所述正极浆料涂布在铝箔上，干燥，得到单面面密度为70g/m2的正极片；
制备负极片：按质量份计，先将4份羧甲基纤维素钠加入水中搅拌5h制得固含量为2％的羧甲基纤维素钠溶液，在真空度为0.2Mpa的条件下真空静置消泡2h，再加入93份石墨粉、1份导电炭黑、2份丁苯橡胶乳液搅拌10h，然后加水调节粘度，得到粘度为5000mPa·s，固含量为45％的负极浆料，将所述负极浆料涂布在铜箔上，干燥，得到单面面密度为35g/m2的负极片；
S2、分别将正极片、负极片经过辊压、分切，然后将隔膜置于正极片、负极片之间，卷绕得到电芯；
S3、将电芯放入壳体内，注入电解液，封口，即得超高倍率锂电池。
实施例4
一种超高倍率锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳；
正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极材料，其中正极材料由下述质量份的原料制成：磷酸铁锂92份、导电炭黑2份、碳纳米管2份、聚偏氟乙烯乳液3份；
负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极材料，其中负极材料由下述质量份的原料制成：石墨粉92份、导电炭黑5份、羧甲基纤维素钠1份、丁苯橡胶乳液2份；
正极片的单面面密度为66g/m2，负极片的单面面密度为33g/m2。
超高倍率锂电池的制造：
S1、制备正极片：按质量份计，先将3份聚偏氟乙烯乳液加入N-甲基吡咯烷酮中搅拌4h制得固含量为7％的聚偏氟乙烯溶液，在真空度为0.1Mpa的条件下真空静置消泡1h，然后加入92份磷酸铁锂、2份导电炭黑、2份碳纳米管搅拌6～12h，然后加N-甲基吡咯烷酮调节粘度，得到粘度为5000mPa·s，固含量为50％的正极浆料，将所述正极浆料涂布在铝箔上，干燥，得到单面面密度为66g/m2的正极片；
制备负极片：按质量份计，先将1份羧甲基纤维素钠加入水中搅拌4h制得固含量为1％的羧甲基纤维素钠溶液，在真空度为0.1Mpa的条件下真空静置消泡1h，再加入92份石墨粉、5份导电炭黑、2份丁苯橡胶乳液搅拌8h，然后加水调节粘度，得到粘度为4000mPa·s，固含量为43％的负极浆料，将所述负极浆料涂布在铜箔上，干燥，得到单面面密度为33g/m2的负极片；
S2、分别将正极片、负极片经过辊压、分切，然后将隔膜置于正极片、负极片之间，卷绕得到电芯；
S3、将电芯放入壳体内，注入电解液，封口，即得超高倍率锂电池。
实施例5
一种超高倍率锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳；
正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极材料，其中正极材料由下述质量份的原料制成：磷酸铁锂93.5份、导电炭黑2.5份、碳纳米管2份、聚偏氟乙烯乳液2份；
负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极材料，其中负极材料由下述质量份的原料制成：石墨粉93.5份、导电炭黑2.5份、羧甲基纤维素钠2份、丁苯橡胶乳液2份；
正极片的单面面密度为62g/m2，负极片的单面面密度为31g/m2。
超高倍率锂电池的制造：
S1、制备正极片：按质量份计，先将2份聚偏氟乙烯乳液加入N-甲基吡咯烷酮中搅拌3h制得固含量为6％的聚偏氟乙烯溶液，在真空度为0.2Mpa的条件下真空静置消泡2h，然后加入93.5份磷酸铁锂、2.5份导电炭黑、2份碳纳米管搅拌6h，然后加N-甲基吡咯烷酮调节粘度，得到粘度为4500mPa·s，固含量为52％的正极浆料，将所述正极浆料涂布在铝箔上，干燥，得到单面面密度为62g/m2的正极片；
制备负极片：按质量份计，先将2份羧甲基纤维素钠加入水中搅拌3h制得固含量为1％的羧甲基纤维素钠溶液，在真空度为0.2Mpa的条件下真空静置消泡2h，再加入93.5份石墨粉、2.5份导电炭黑、2份丁苯橡胶乳液搅拌6h，然后加水调节粘度，得到粘度为3500mPa·s，固含量为42％的负极浆料，将所述负极浆料涂布在铜箔上，干燥，得到单面面密度为31g/m2的负极片；
S2、分别将正极片、负极片经过辊压、分切，然后将隔膜置于正极片、负极片之间，卷绕得到电芯；
S3、将电芯放入壳体内，注入电解液，封口，即得超高倍率锂电池。
实施例6
一种超高倍率锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳；
正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极材料，其中正极材料由下述质量份的原料制成：磷酸铁锂93.5份、导电炭黑2.5份、碳纳米管2份、聚偏氟乙烯乳液2份；
负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极材料，其中负极材料由下述质量份的原料制成：石墨粉93.5份、导电炭黑2.5份、羧甲基纤维素钠2份、丁苯橡胶乳液2份；
正极片的单面面密度为62g/m2，负极片的单面面密度为和31g/m2。
超高倍率锂电池的制造：
S1、制备正极片：按质量份计，先将2份聚偏氟乙烯乳液加入N-甲基吡咯烷酮中搅拌5h制得固含量为8％的聚偏氟乙烯溶液，在真空度为0.3Mpa的条件下真空静置消泡3h，然后加入93.5份磷酸铁锂、2.5份导电炭黑、2份碳纳米管搅拌6h，然后加N-甲基吡咯烷酮调节粘度，得到粘度为4500mPa·s，固含量为52％的正极浆料，将所述正极浆料涂布在铝箔上，干燥，得到单面面密度为62g/m2的正极片；
制备负极片：按质量份计，先将2份羧甲基纤维素钠加入水中搅拌3h制得固含量为1％的羧甲基纤维素钠溶液，在真空度为0.3Mpa的条件下真空静置消泡3h，再加入93.5份石墨粉、2.5份导电炭黑、2份丁苯橡胶乳液搅拌6h，然后加水调节粘度，得到粘度为3500mPa·s，固含量为42％的负极浆料，将所述负极浆料涂布在铜箔上，干燥，得到单面面密度为31g/m2的负极片；
S2、分别将正极片、负极片经过辊压、分切，然后将隔膜置于正极片、负极片之间，卷绕得到电芯；
S3、将电芯放入壳体内，注入电解液，封口，即得超高倍率锂电池。
实施例7
一种超高倍率锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳；
正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极材料，其中正极材料由下述质量份的原料制成：磷酸铁锂94份、导电炭黑2份、碳纳米管2份、聚偏氟乙烯乳液2份；
负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极材料，其中负极材料由下述质量份的原料制成：石墨粉94份、导电炭黑2份、羧甲基纤维素钠2份、丁苯橡胶乳液2份；
正极片的单面面密度为66g/m2，负极片的单面面密度为和33g/m2。
超高倍率锂电池的制造：
S1、制备正极片：按质量份计，先将2份聚偏氟乙烯乳液加入N-甲基吡咯烷酮中搅拌4h制得固含量为7％的聚偏氟乙烯溶液，在真空度为0.2Mpa的条件下真空静置消泡2h，然后加入94份磷酸铁锂、2份导电炭黑、2份碳纳米管搅拌12h，然后加N-甲基吡咯烷酮调节粘度，得到粘度为4000mPa·s，固含量为53％的正极浆料，将所述正极浆料涂布在铝箔上，干燥，得到单面面密度为66g/m2的正极片；
制备负极片：按质量份计，先将2份羧甲基纤维素钠加入水中搅拌4h制得固含量为2％的羧甲基纤维素钠溶液，在真空度为0.2Mpa的条件下真空静置消泡2h，再加入94份石墨粉、2份导电炭黑、2份丁苯橡胶乳液搅拌12h，然后加水调节粘度，得到粘度为3000mPa·s，固含量为44％的负极浆料，将所述负极浆料涂布在铜箔上，干燥，得到单面面密度为33g/m2的负极片；
S2、分别将正极片、负极片经过辊压、分切，然后将隔膜置于正极片、负极片之间，卷绕得到电芯；
S3、将电芯放入壳体内，注入电解液，封口，即得超高倍率锂电池。
对实施例1-7制得的锂电池进行电性能测试，测试结果如表1所示：
表1实施例1～7超高倍率锂电池的电性能
由表1可看出，本发明制得的锂电池具有超高倍率放电性能，55C持续放电至2.3V，容量可达到85％以上。
图1是实施例1制得的锂电池在1C和55C的放电曲线。从图1可以看出55C放电时，本发明的锂电池的放电平台电压保持2.7V左右，同时放电量达到80％DOD时，放电电压在2.6V左右，在截止电压2.0V以上，电池仍具有放电能力，这说明本发明的锂电池具有优异的倍率放电能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超高倍率锂电池，其特征在于，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外壳；
所述正极片包括正极集流体和涂覆在所述正极集流体上的正极材料，所述正极材料由下述质量份的原料制成：磷酸铁锂90～95份、导电炭黑0.5～4份、碳纳米管1～5份、聚偏氟乙烯乳液1～5份；
所述负极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极材料，所述负极材料由下述质量份的原料制成：石墨粉90～95份、导电炭黑1～5份、羧甲基纤维素钠0.5～4份、丁苯橡胶乳液1～5份。
2.根据权利要求1所述的超高倍率锂电池，其特征在于，所述正极片的单面面密度为60～80g/m2。
3.根据权利要求1或2所述的超高倍率锂电池，其特征在于，所述负极片的单面面密度为30～40g/m2。
4.根据权利要求1-3任一项所述的超高倍率锂电池，其特征在于，所述正极片的制备方法为：先将聚偏氟乙烯乳液加入溶剂中搅拌均匀，真空静置消泡后加入磷酸铁锂、导电炭黑、碳纳米管搅拌均匀，然后调节粘度，得到正极浆料，将所述正极浆料涂布在正极集流体上，干燥，即得正极片。
5.根据权利要求1-4任一项所述的超高倍率锂电池，其特征在于，所述正极片的制备方法为：先将聚偏氟乙烯乳液加入N-甲基吡咯烷酮中搅拌3～6h制得固含量为6～10％的聚偏氟乙烯溶液，在真空度为0.1～0.3Mpa的条件下真空静置消泡1～3h，然后加入磷酸铁锂、导电炭黑、碳纳米管搅拌6～12h，然后加N-甲基吡咯烷酮调节粘度，得到粘度为4000～8000mPa·s，固含量为50～55％的正极浆料，将所述正极浆料涂布在铝箔上，干燥，即得正极片。
6.根据权利要求1-5任一项所述的超高倍率锂电池，其特征在于，所述负极片的制备方法为：先将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌均匀，真空静置消泡后加入石墨粉、导电炭黑、丁苯橡胶乳液搅拌均匀，然后调节粘度，得到负极浆料，将所述负极浆料涂布在负极集流体上，干燥，即得负极片。
7.根据权利要求1-6任一项所述的超高倍率锂电池，其特征在于，所述负极片的制备方法为：先将羧甲基纤维素钠加入水中搅拌3～6h制得固含量为1～3％的羧甲基纤维素钠溶液，在真空度为0.1～0.3Mpa的条件下真空静置消泡1～3h，再加入石墨粉、导电炭黑、丁苯橡胶乳液搅拌6～12h，然后加水调节粘度，得到粘度为3000～6000mPa·s，固含量为40～50％的负极浆料，将所述负极浆料涂布在铜箔上，干燥，即得负极片。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的超高倍率锂电池的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、制备正极片和负极片；
S2、分别将所述正极片、负极片经过辊压、分切，然后将隔膜置于正极片、负极片之间，卷绕得到电芯；
S3、将所述电芯放入壳体内，注入电解液，封口，即得超高倍率锂电池。
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