CN111969209B - 一种长寿命的锂离子动力电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种长寿命的锂离子动力电池，锂离子动力电池包括正极片和负极片；正极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体表面的正极浆料，按重量百分比计，正极浆料包括以下组分：镍钴铝酸锂92‑98.5％、导电炭黑0.5‑2%、磷化铌0.5‑2%和聚偏氟乙烯0.5‑4％；负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体表面的负极浆料，按重量百分比计，负极浆料包括以下组分：负极材料92‑98％、羧甲基纤维素钠0.5‑2％、丁苯橡胶0.5‑2％、导电炭黑0.5‑2%和磷化铌0.5‑2%。本发明长寿命的锂离子动力电池，将电芯的安全性、倍率及循环提升到新的高度，综合性能完全达到国家标准要求。

Description

一种长寿命的锂离子动力电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种长寿命的锂离子动力电池及其制备方法。
背景技术
锂离子动力电池是20世纪开发成功的新型高能电池，因其具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已被广泛应用于军事和民用小型电器中。
对于锂离子动力电池，正极材料可以选用三元复合材料。三元复合正极材料以镍盐、钴盐、铝盐、锰盐为原料，镍钴锰的比例可以根据实际需要调整，三元材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性更高。
但是，现有的锂离子动力电池加工性能不稳定，因为三元材料对生产环境的湿度要求高，浆料吸水后容易出现变稠的现象，导致涂布面密度不稳定，生产的产品合格率低于90％，同时电极存在局部热岛，导致严重性能急剧衰退；同时，现有产品的安全性能及高倍率充放电循环性能差，具体表现为：在电池针刺实验中，通过率低；电池的热稳定性差，内部短路后容易发生热扩散，导致爆炸起火现象；电池的循环性能差，1C充5C放低于1000周，功率性能低，电池放电平台低至3 .6V，重量比功率低至506Wh/Kg。
发明内容
本发明的目的是在于克服、补充现有技术中存在的不足，提供一种长寿命的锂离子动力电池及其制备方法，减少电极局部热岛，提高电池的安全性能，增强热稳定性能，充放电倍率大，重量比功率大，循环性能优，寿命长。本发明采用的技术方案是：
一种长寿命的锂离子动力电池，其中：所述锂离子动力电池包括正极片和负极片；所述正极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体表面的正极浆料，按重量百分比计，所述正极浆料包括以下组分：镍钴铝酸锂92-98.5％、导电炭黑0.5-2% 、磷化铌0.5-2%和聚偏氟乙烯0.5-4％；所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体表面的负极浆料，按重量百分比计，所述负极浆料包括以下组分：负极材料92-98％、羧甲基纤维素钠0.5-2％、丁苯橡胶0.5-2％、导电炭黑0.5-2% 和磷化铌0.5-2%。
优选的是，所述的长寿命的锂离子动力电池，其中：所述镍钴铝酸锂中，镍、钴和铝三者的质量比为0.8：0.15：0.05。
优选的是，所述的长寿命的锂离子动力电池，其中：所述正极浆料涂覆后正极片的面密度为230-250g/㎡，压实密度为3.50-3.75g/mm3。
优选的是，所述的长寿命的锂离子动力电池，其中：所述负极材料为石墨、中间相碳微球、硬碳中的一种或多种，所述负极材料的理论克容量为300-350mAh/g；所述负极浆料涂覆后负极片的面密度为88-98g/㎡，压实密度为1.50-1.6g/mm3。
优选的是，所述的长寿命的锂离子动力电池，其中：所述正极集流体为铝箔，厚度为15-20μm；所述负极集流体为铜箔，厚度为8-12μm。
一种长寿命的锂离子动力电池的制备方法，其中：包括以下步骤：
（1）制备正极片：将镍钴铝酸锂、导电炭黑、磷化铌和聚偏氟乙烯置于混合机中，进行一次混炼至均匀后加入第一溶剂，进行二次混炼，得到正极浆料，将正极浆料分散并喷涂于正极集流体的表面上，烘干，压实，得到正极片；
（2）制备负极片：将负极材料、羧甲基纤维素钠、导电炭黑和磷化铌置于混合机中，进行一次混炼至均匀后加入第二溶剂和丁苯橡胶，进行二次混炼，得到负极浆料，将负极浆料分散并喷涂于负极集流体的表面上，烘干，压实，得到负极片；
（3）卷芯、干燥：分别将所述正极片和所述负极片裁剪，并提供电池隔膜，然后将裁剪后的正极片、负极片和电池隔膜卷绕成电芯，烘干；
（4）装配、注液：将烘干后的电芯装入预设壳体，并注入电解液，密封，得到半成品电池；
（5）后处理：将半成品电池依次经过活化、化成、第一次老化、筛选、第二次老化处理，得到锂离子动力电池。
优选的是，所述的长寿命的锂离子动力电池的制备方法，其中：所述步骤（1）和步骤（2）一次混炼的时间均为40～60min，二次混炼的时间均为90～120min，所述负极浆料和负极浆料分散后的粘度为5000～7000mPa.s。
优选的是，所述的长寿命的锂离子动力电池的制备方法，其中：所述步骤（3）具体为：将电芯置于真空烤箱中，循环操作抽真空、充氮气和烘烤这三个步骤12-24h；所述步骤（4）电芯装入预设壳体在温度为20-25℃，露点≦-48℃的条件下进行。
优选的是，所述的长寿命的锂离子动力电池的制备方法，其中：所述步骤（5）后处理具体为：将半成品电池在35-45℃的环境下活化36h，在化成柜化成，并将电池置于35～45℃的环境下第一次老化处理5天，控制电池的电芯分容单充电压在3.6-3.9V，最后在35～45℃的环境下第二次老化处理5天。
优选的是，所述的长寿命的锂离子动力电池的制备方法，其中：所述第一溶剂为N-甲基吡咯烷酮，所述第二溶剂为去离子水；所述电池隔膜为聚烯烃类电池隔膜或聚酰亚胺类隔膜。
本发明的优点：
( 1 )本发明长寿命的锂离子动力电池，将电芯的安全性、倍率及循环提升到新的高度，综合性能完全达到国家标准要求。
( 2 )本发明长寿命的锂离子动力电池，可以通过《GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》的相关要求，包括：过充电、过放电、短路、跌落、加热、挤压、针刺、海水浸泡、温度循环、低气压等安全测试要求；该电池的循环性能1C充10C放循环1500周，容量保持率>80％，重量比功率低为2880WH/Kg；而目前的电池1C充5C放循环1000周，容量保持率<80％，重量比功率低为576WH/Kg。
( 3 )本发明长寿命的锂离子动力电池，制备方法简单，高效安全，可操作性强。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种长寿命的锂离子动力电池，锂离子动力电池包括正极片和负极片；正极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体表面的正极浆料，按重量百分比计，所述正极浆料包括以下组分：镍钴铝酸锂95％、导电炭黑0.5% 、磷化铌1.5%和聚偏氟乙烯2％；所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体表面的负极浆料，按重量百分比计，所述负极浆料包括以下组分：中间相碳微球95％、羧甲基纤维素钠1.5％、丁苯橡胶1.5％、导电炭黑1% 和磷化铌1%。
其中，镍钴铝酸锂中，镍、钴和铝三者的质量比为0.8：0.15：0.05；正极浆料涂覆后正极片的面密度为230-250g/㎡，压实密度为3.65-3.75g/mm3；负极材料为中间相碳微球，所述负极材料的理论克容量为300-350mAh/g；所述负极浆料涂覆后负极片的面密度为88-98g/㎡，压实密度为1.55-1.6g/mm3；所述正极集流体为铝箔，厚度为15-20μm；所述负极集流体为铜箔，厚度为8-12μm。
一种使用寿命长的锂离子动力电池，包括以下步骤：
（1）制备正极片：按照重量百分比计把正极浆料由按照重量百分比计的镍钴铝酸锂(LiNi0.85Co0.1Al0.05O2) 95％、导电炭黑（super-P）0.5％、磷化铌粉末(10μm)1.5%、聚偏氟乙烯( PVDF )2％；置于双行星混料机中，在公转速度为35r/min的条件下，打制50min，然后加入溶剂，在公转速度为58r/min、自转速度为2000r/min的条件下，打制120min，制成浆料，再用高速分散机在3500±500r/min的转速下进行分散，直至粘度达到6500±1000mPa.s；接着，用喷涂设备按照230-250g/㎡的面密度将正极浆料涂覆在厚度为16-20μm的铝箔上，烘干，制成极片(含水量≤0 .1％)；然后滚压，制成活性物质的压实密度为3 .65-3 .75g/mm3的正极片，以极片不粘棍，对折不能透光、不掉粉为准；
（2）制备负极片：按照重量百分比计中间相碳微球95％、磷化铌粉末(10μm)1%、导电炭黑1％、羧甲基纤维素钠( CMC )1 .5％置于双行星混合机中，在公转速度为25r/min的条件下，打制40min，然后加入溶剂和丁苯橡胶( SBR )1.5％，在公转速度为48r/min、自转速度为1600r/min的条件下，打制90min，制成浆料，再用高速分散机在3300±500r/min的转速下进行分散，直至粘度达到5500±1000mPa .s；接着，用喷涂设备按照90-95g/㎡的面密度将负极浆料涂覆在厚度为8-12μm的铜箔上，烘干，制成极片(含水量≤0 .1％)，然后滚压，制成活性物的压实密度为1.55-1 .6g/mm3的负极片，以极片不粘棍、不掉粉为准；
（3）卷芯、干燥：分别将正极片和负极片按照预设壳体的规格进行裁剪，另取聚烯烃电池隔膜，然后将裁剪后的正极片、负极片和电池隔膜卷绕成电芯；接着，放入真空烤箱，通过抽真空，充氮气，恒温恒压烘烤( 95±10℃，-40至-90MPa )三步循环13-20h，将卷芯中的水份含量减少至≤100PPM；
（4）装配、注液：在环境温度为20-25℃，露点≦-48℃的条件下，将电芯入壳体，然后并注入电解液，密封；
（5）后处理：将电芯在温度为35-45℃的环境下活化38h后，上到化成柜上进行化成，结束后，将电芯先在温度为40±5℃的环境下老化5天，然后对电芯进行电压内阻筛选，合格电芯分容单充电压控制在3 .6-3 .9V；接着，在温度为40±5℃的环境下老化5天，然后通过配组机筛选电芯成不同电压内阻档次，最后将合格电芯分容，把FQC外观全检合格后的电芯，经过OQC全检，合格后，出货。
对实施例1的锂离子动力电池进行性能测试，测试方法依据《GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》进行。结果表明，实施例1的锂离子动力电池安全性能高，在针刺实验中百分之百通过，热稳定性好；循环性能优，1C电充10C放电循环超过2000周，容量保持率达到94.8%，比功率达到为3880WH/Kg。
实施例2：
一种长寿命的锂离子动力电池，锂离子动力电池包括正极片和负极片；正极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体表面的正极浆料，按重量百分比计，所述正极浆料包括以下组分：镍钴铝酸锂94.5％、导电炭黑1% 、磷化铌1%和聚偏氟乙烯2％；所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体表面的负极浆料，按重量百分比计，所述负极浆料包括以下组分：中间相碳微球94.5％、羧甲基纤维素钠1％、丁苯橡胶1.5％、导电炭黑1%和磷化铌2%，磷化铌颗粒度为10μm。
其中，镍钴铝酸锂中，镍、钴和铝三者的质量比为0.8：0.15：0.05；正极浆料涂覆后正极片的面密度为230-250g/㎡，压实密度为3.65-3.75g/mm3；负极材料为中间相碳微球，所述负极材料的理论克容量为300-350mAh/g；所述负极浆料涂覆后负极片的面密度为88-98g/㎡，压实密度为1.55-1.6g/mm3；所述正极集流体为铝箔，厚度为15-20μm；所述负极集流体为铜箔，厚度为8-12μm。
一种使用寿命长的锂离子动力电池，包括以下步骤：
（1）制备正极片：按照重量百分比计把正极浆料由按照重量百分比计的镍钴铝酸锂(LiNi0.85Co0.1Al0.05O2) 94.5％、导电炭黑（super-P）1％、磷化铌粉末(10μm)1%、聚偏氟乙烯( PVDF )2％；置于双行星混料机中，在公转速度为35r/min的条件下，打制50min，然后加入溶剂，在公转速度为58r/min、自转速度为2000r/min的条件下，打制120min，制成浆料，再用高速分散机在3500±500r/min的转速下进行分散，直至粘度达到6500±1000mPa .s；接着，用喷涂设备按照230-250g/㎡的面密度将正极浆料涂覆在厚度为16-20μm的铝箔上，烘干，制成极片(含水量≤0 .1％)；然后滚压，制成活性物质的压实密度为3 .65-3 .75g/mm3的正极片，以极片不粘棍，对折不能透光、不掉粉为准；
（2）制备负极片：按照重量百分比计中间相碳微球94.5％、磷化铌粉末(10μm)2%、导电炭黑1％、羧甲基纤维素钠( CMC )1％置于双行星混合机中，在公转速度为25r/min的条件下，打制40min，然后加入溶剂和丁苯橡胶( SBR )1.5％，在公转速度为48r/min、自转速度为1600r/min的条件下，打制90min，制成浆料，再用高速分散机在3300±500r/min的转速下进行分散，直至粘度达到5500±1000mPa .s；接着，用喷涂设备按照90-95g/㎡的面密度将负极浆料涂覆在厚度为8-12μm的铜箔上，烘干，制成极片(含水量≤0 .1％)，然后滚压，制成活性物的压实密度为1.55-1 .6g/mm3的负极片，以极片不粘棍、不掉粉为准；
（3）卷芯、干燥：分别将正极片和负极片按照预设壳体的规格进行裁剪，另取聚烯烃电池隔膜，然后将裁剪后的正极片、负极片和电池隔膜卷绕成电芯；接着，放入真空烤箱，通过抽真空，充氮气，恒温恒压烘烤( 95±10℃，-40至-90MPa )三步循环13-20h，将卷芯中的水份含量减少至≤100PPM；
（4）装配、注液：在环境温度为20-25℃，露点≦-48℃的条件下，将电芯入壳体，然后并注入电解液，密封；
（5）后处理：将电芯在温度为35-45℃的环境下活化38h后，上到化成柜上进行化成，结束后，将电芯先在温度为40±5℃的环境下老化5天，然后对电芯进行电压内阻筛选，合格电芯分容单充电压控制在3 .6-3 .9V；接着，在温度为40±5℃的环境下老化5天，然后通过配组机筛选电芯成不同电压内阻档次，最后将合格电芯分容，把FQC外观全检合格后的电芯，经过OQC全检，合格后，出货。
将实施例2的锂离子动力电池进行性能测试，测试方法依据《GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》进行。结果表明，实施例2的锂离子动力电池安全性能高，在针刺实验中百分之百通过，热稳定性好；循环性能优，1C充电10C循环放电超过2000周，容量保持率96.5%， 比功率达到为4280WH/Kg。
对比例1：
一种长寿命的锂离子动力电池，锂离子动力电池包括正极片和负极片；正极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体表面的正极浆料，按重量百分比计，所述正极浆料包括以下组分：镍钴铝酸锂94.5％、导电炭黑2%、导电石墨1 .5％和聚偏氟乙烯2％；所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体表面的负极浆料，按重量百分比计，所述负极浆料包括以下组分：中间相碳微球95.5％、羧甲基纤维素钠1％、丁苯橡胶1.5％、导电炭黑2%。
其中，镍钴铝酸锂中，镍、钴和铝三者的质量比为0.8：0.15：0.05；正极浆料涂覆后正极片的面密度为230-250g/㎡，压实密度为3.65-3.75g/mm3；负极材料为中间相碳微球，所述负极材料的理论克容量为300-350mAh/g；所述负极浆料涂覆后负极片的面密度为88-98g/㎡，压实密度为1.55-1.6g/mm3；所述正极集流体为铝箔，厚度为15-20μm；所述负极集流体为铜箔，厚度为8-12μm。
一种使用寿命长的锂离子动力电池，包括以下步骤：
（1）制备正极片：按照重量百分比计把正极浆料由按照重量百分比计的镍钴铝酸锂(LiNi0.85Co0.1Al0.05O2) 94.5％、导电炭黑（super-P）2％、导电石墨1 .5％、聚偏氟乙烯(PVDF )2％；置于双行星混料机中，在公转速度为35r/min的条件下，打制50min，然后加入溶剂，在公转速度为58r/min、自转速度为2000r/min的条件下，打制120min，制成浆料，再用高速分散机在3500±500r/min的转速下进行分散，直至粘度达到6500±1000mPa .s；接着，用喷涂设备按照230-250g/㎡的面密度将正极浆料涂覆在厚度为16-20μm的铝箔上，烘干，制成极片(含水量≤0 .1％)；然后滚压，制成活性物质的压实密度为3 .65-3 .75g/mm3的正极片，以极片不粘棍，对折不能透光、不掉粉为准；
（2）制备负极片：按照重量百分比计中间相碳微球95.5％、导电炭黑2％、羧甲基纤维素钠( CMC )1％置于双行星混合机中，在公转速度为25r/min的条件下，打制40min，然后加入溶剂和丁苯橡胶( SBR )1.5％，在公转速度为48r/min、自转速度为1600r/min的条件下，打制90min，制成浆料，再用高速分散机在3300±500r/min的转速下进行分散，直至粘度达到5500±1000mPa .s；接着，用喷涂设备按照90-95g/㎡的面密度将负极浆料涂覆在厚度为8-12μm的铜箔上，烘干，制成极片(含水量≤0 .1％)，然后滚压，制成活性物的压实密度为1.55-1 .6g/mm3的负极片，以极片不粘棍、不掉粉为准；
（3）卷芯、干燥：分别将正极片和负极片按照预设壳体的规格进行裁剪，另取聚烯烃电池隔膜，然后将裁剪后的正极片、负极片和电池隔膜卷绕成电芯；接着，放入真空烤箱，通过抽真空，充氮气，恒温恒压烘烤( 95±10℃，-40至-90MPa )三步循环13-20h，将卷芯中的水份含量减少至≤100PPM；
（4）装配、注液：在环境温度为20-25℃，露点≦-48℃的条件下，将电芯入壳体，然后并注入电解液，密封；
（5）后处理：将电芯在温度为35-45℃的环境下活化38h后，上到化成柜上进行化成，结束后，将电芯先在温度为40±5℃的环境下老化5天，然后对电芯进行电压内阻筛选，合格电芯分容单充电压控制在3 .6-3 .9V；接着，在温度为40±5℃的环境下老化5天，然后通过配组机筛选电芯成不同电压内阻档次，最后将合格电芯分容，把FQC外观全检合格后的电芯，经过OQC全检，合格后，出货。
将对比例1的锂离子动力电池进行性能测试，测试方法依据《GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》进行，结果表明，对比例1的锂离子动力电池，在针刺实验中不能通过，且进行大倍率充放电试验时，电芯的发热量大，循环性能衰减严重，1000次循环容量保持率仅达到84.5%。
本发明长寿命的锂离子动力电池，可以通过《GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》的相关要求，包括：过充电、过放电、短路、跌落、加热、挤压、针刺、海水浸泡、温度循环、低气压等安全测试要求；该电池的循环性能1C充10C放循环1500周，容量保持率>80％，重量比功率低为2880WH/Kg；而目前的电池1C充5C放循环1000周，容量保持率<80％，重量比功率低为576WH/Kg。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种长寿命的锂离子动力电池，其特征在于：所述锂离子动力电池包括正极片和负极片；所述正极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体表面的正极浆料，按重量百分比计，所述正极浆料包括以下组分：镍钴铝酸锂92-98.5％、导电炭黑0.5-2% 、磷化铌0.5-2%和聚偏氟乙烯0.5-4％；所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体表面的负极浆料，按重量百分比计，所述负极浆料包括以下组分：负极材料92-98％、羧甲基纤维素钠0.5-2％、丁苯橡胶0.5-2％、导电炭黑0.5-2% 和磷化铌0.5-2%。
2.根据权利要求1所述的长寿命的锂离子动力电池，其特征在于：所述镍钴铝酸锂中，镍、钴和铝三者的质量比为0.8：0.15：0.05。
3.根据权利要求1所述的长寿命的锂离子动力电池，其特征在于：所述正极浆料涂覆后正极片的面密度为230-250g/㎡，压实密度为3.50-3.75g/mm3。
4.根据权利要求1所述的长寿命的锂离子动力电池，其特征在于：所述负极材料为石墨、中间相碳微球、硬碳中的一种或多种，所述负极材料的理论克容量为300-350mAh/g；所述负极浆料涂覆后负极片的面密度为88-98g/㎡，压实密度为1.50-1.6g/mm3。
5.根据权利要求1所述的长寿命的锂离子动力电池，其特征在于：所述正极集流体为铝箔，厚度为15-20μm；所述负极集流体为铜箔，厚度为8-12μm。
6.一种长寿命的锂离子动力电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）制备正极片：将镍钴铝酸锂、导电炭黑、磷化铌和聚偏氟乙烯置于混合机中，进行一次混炼至均匀后加入第一溶剂，进行二次混炼，得到正极浆料，将正极浆料分散并喷涂于正极集流体的表面上，烘干，压实，得到正极片；
（2）制备负极片：将负极材料、羧甲基纤维素钠、导电炭黑和磷化铌置于混合机中，进行一次混炼至均匀后加入第二溶剂和丁苯橡胶，进行二次混炼，得到负极浆料，将负极浆料分散并喷涂于负极集流体的表面上，烘干，压实，得到负极片；
（3）卷芯、干燥：分别将所述正极片和所述负极片裁剪，并提供电池隔膜，然后将裁剪后的正极片、负极片和电池隔膜卷绕成电芯，烘干；
（4）装配、注液：将烘干后的电芯装入预设壳体，并注入电解液，密封，得到半成品电池；
（5）后处理：将半成品电池依次经过活化、化成、第一次老化、筛选、第二次老化处理，得到锂离子动力电池。
7.根据权利要求6所述的长寿命的锂离子动力电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）和步骤（2）一次混炼的时间均为40～60min，二次混炼的时间均为90～120min，所述负极浆料和负极浆料分散后的粘度为5000～7000mPa .s。
8.根据权利要求6所述的长寿命的锂离子动力电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）具体为：将电芯置于真空烤箱中，循环操作抽真空、充氮气和烘烤这三个步骤12-24h；所述步骤（4）电芯装入预设壳体在温度为20-25℃，露点≦-48℃的条件下进行。
9.根据权利要求6所述的长寿命的锂离子动力电池的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）后处理具体为：将半成品电池在35-45℃的环境下活化36h，在化成柜化成，并将电池置于35～45℃的环境下第一次老化处理5天，控制电池的电芯分容单充电压在3.6-3.9V，最后在35～45℃的环境下第二次老化处理5天。
10.根据权利要求6所述的长寿命的锂离子动力电池的制备方法，其特征在于：所述第一溶剂为N-甲基吡咯烷酮，所述第二溶剂为去离子水；所述电池隔膜为聚烯烃类电池隔膜或聚酰亚胺类隔膜。
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