CN112002872A - 一种锂-二硫化钴一次电池及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂‑二硫化钴一次电池及制备方法，所述的锂‑二硫化钴一次电池的正极包括：正极活性材料，所述的正极活性材料为二硫化钴，质量百分含量为90％‑95％；导电剂，所述的导电剂为超级导电碳黑、乙炔黑、高导电石墨、石墨烯、碳纳米管和气相生长碳纤维中的至少两种，质量百分含量为3％‑5％；粘合剂，所述的粘合剂为聚偏氟乙烯，质量百分含量为2％‑5％。本发明公开的一种锂‑二硫化钴一次电池，在提升一次电池比能量的同时，提高电池的倍率性能。

Description

一种锂-二硫化钴一次电池及制备方法
技术领域
本发明涉及锂一次电池技术领域，具体涉及一种锂-二硫化钴一次电池及制备方法。
背景技术
一次电池是指在使用后不能通过充电反复使用的电池，包括人们熟悉的碳性锌锰电池、碱性锌锰电池、锂锰电池、锌空电池、锌银电池和锂亚硫酰氯电池等，标称电压从1.4V到3.6V再到9V。日常生活中接触较多的是碳性锌锰和碱性锌锰电池，其电压以1.5V较多。目前，锂-二硫化铁一次电池由于其具有比能量大、容量高、储存时间长等优点，逐渐成为替代市场上广泛使用的碱性锌锰电池和碳性锌锰电池的首选。锂-二硫化铁电池是以二硫化铁为正极活性物质，Li为负极活性物质的锂一次电池，工作标称电压为1.5V。
但是二硫化铁的电阻率较高，使得锂-二硫化铁电池大倍率放电性能不佳。Li-Fe-S固溶体颗粒内部和表层的不同氧化态离子可以转化或迁移，这会造成开路电压回升超过《IEC60086-1:2011Primary batteries-Part 1:General》标准中规定的最高开路电压1.83V。
发明内容
本发明的目的是解决锂-二硫化铁电池中存在的大倍率放电性能不佳、开路电压高等缺陷，提供一种锂-二硫化钴一次电池及制备方法，能够在提升一次电池比能量的同时，提高电池的倍率性能、高低温性能以及储存寿命。
为了达到上述目的，本发明提供了一种锂-二硫化钴一次电池，所述的锂-二硫化钴一次电池的正极包括：
正极活性材料，所述的正极活性材料为二硫化钴；
导电剂，所述的导电剂为超级导电碳黑、乙炔黑、高导电石墨、石墨烯、碳纳米管和气相生长碳纤维中的至少两种；
粘合剂，所述的粘合剂为聚偏氟乙烯。
优选地，所述二硫化钴的质量百分含量为90％-95％，所述导电剂的质量百分含量为3％-5％，所述粘合剂的质量百分含量为2％-5％。
优选地，所述二硫化钴的尺寸小于20μm。
优选地，所述的锂-二硫化钴一次电池的电解液为有机锂离子电解液，包括：
锂盐，所述的锂盐为双三氟甲烷磺酸亚胺锂、碘化锂、四氟硼酸锂、双氟草酸硼酸锂、三氟甲基磺酸锂和高氯酸锂中的至少一种；
溶剂，所述的溶剂为1，3-二氧戊环、乙二醇二甲醚、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、乙酸乙酯和四氢呋喃中的至少两种；
优选地，所述的锂盐在溶剂中的体积摩尔浓度为0.5-1mol/L。
本发明还提供了一种锂-二硫化钴一次电池的制备方法，包括：
步骤1，正极片制备：将聚偏氟乙烯添加到氮甲基吡咯烷酮溶剂中，搅拌8-24h后形成聚偏氟乙烯均匀溶液，再依次加入二硫化钴和导电剂，搅拌6-12h后形成正极浆料，最后将所得的正极浆料均匀涂覆在导电集流体上，经过烘干、辊压和分切得到正极片；
步骤2，将步骤1制得的正极片点焊极耳，再将金属锂或锂合金负极片与所述的极耳压制在一起，然后将带有极耳的正极片、负极片和隔膜卷绕成电芯；
步骤3，将电芯装入电池壳内，注入电解液，封口，得到所述锂-二硫化钴一次电池。
优选地，步骤1所述的聚偏氟乙烯均匀溶液的质量分数为3.5-6.5％。
本发明的有益效果：
(1)选用至少两种不同维度的导电剂，能够与二硫化钴材料形成良好的导电网络；通过导电剂颗粒间的有效堆积，可以使得尺寸偏大的二硫化钴不易发生漏箔，提高极片制备的质量和效率。
(2)二硫化钴活性物质含量大于90％，在保持高比能量的同时，保证高的比功率。
(3)电解液浓度不高于1mol/L，锂盐含量低，使低温下溶剂化作用相对较弱，提高了电池低温性能，并降低成本。
(4)聚偏氟乙烯溶液的质量分数在在3.5％-6.5％，该范围可以控制浆料的粘度，从而制备不同厚度的极片，以设计满足不同比能量要求的电池
(5)直接将极耳和锂带或锂合金带通过压制工艺复合到一起，简化了制备工艺，同时可以实现多极耳的复合。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
在过渡金属硫化物中，二硫化钴与二硫化铁结构相似，具有相近的理论比容量(二硫化铁的理论容量为893.4mAh/g，二硫化钴的理论比容量872.3mAh/g)，已成熟应用于锂系热电池。与二硫化铁相比，二硫化钴本身的电阻率低，仅为0.002Ωcm，远低于二硫化铁的电阻率17.7Ωcm，因此以二硫化钴替代二硫化铁作为电极活性材料时，电池的欧姆极化将显著降低，大电流高速率放电能力将大幅提高。此外，二硫化铁第一步放电产物为Li-Fe-S固溶体，其电导率为0.1S/cm，而二硫化钴第一步放电反应生成四硫化三钴，其电导率(330S/cm)远高于Li-Fe-S固溶体，所以作为高功率一次电池的正极，二硫化钴更有优势。Li-Fe-S固溶体颗粒内部和表层的不同氧化态离子可以转化或迁移，这会造成开路电压回升超过《IEC60086-1:2011Primary batteries-Part 1:General》标准中规定的最高开路电压1.83V，而二硫化钴的第一步放电产物四硫化三钴的对锂电位在1.6V，因此在锂-二硫化钴一次电池中不会存在开路电压回升现象，对于1.5V器件将具有更优越的适配性。所以，开发一种锂-二硫化钴一次电池，在提升一次电池比能量的同时，提高电池的大倍率放电性能，就成为了一项非常具有实际意义的工作。
实施例1
正极片采用二硫化钴为活性物质，超级导电碳黑和碳纳米管为导电剂，聚偏氟乙烯为粘结剂。其中活性物质、导电剂与粘结剂质量比为90：5：5，导电剂中超级导电碳黑和碳纳米管的质量比为1：1。制备过程中，聚偏氟乙烯均匀溶液的质量分数为3.5wt％，正极片通过涂覆、辊压、分切等工序制备得到。电解液中锂盐采用双三氟甲烷磺酸亚胺锂，溶剂选用1，3-二氧戊环和乙二醇二甲醚，体积比为1：1，锂盐在溶剂中的体积摩尔浓度为0.5mol/L。将正极片点焊极耳，金属锂负极片与极耳压制在一起，然后将带有极耳的正极片、负极片和所述隔膜卷绕成电芯。最后将电芯装入电池壳内，注入所述电解液，封口得到锂-二硫化钴一次电池。
将组装的锂-二硫化钴圆柱体(AAA型)，在常温25℃条件下通过电池测试系统用1A的电流进行放电，电池的比功率达到150W/kg。
实施例2
正极片采用二硫化钴为活性物质，超级导电碳黑和碳纳米管为导电剂，聚偏氟乙烯为粘结剂。其中活性物质、导电剂与粘结剂质量比为95：3：2，导电剂中超级导电碳黑和碳纳米管的质量比为1：1。制备过程中，聚偏氟乙烯均匀溶液的质量分数为6.5wt％，正极片通过涂覆、辊压、分切等工序制备得到。电解液中锂盐采用双三氟甲烷磺酸亚胺锂，溶剂选用1，3-二氧戊环和碳酸丙烯酯，体积为1：1，锂盐在溶剂中的体积摩尔浓度为1mol/L。将正极片点焊极耳，金属锂负极片与极耳压制在一起，然后将带有极耳的正极片、负极片和所述隔膜卷绕成电芯。最后将电芯装入电池壳内，注入所述电解液，封口得到锂-二硫化钴一次电池。
将组装的锂-二硫化钴圆柱体(AAA型)，在常温25℃条件下通过电池测试系统用1A的电流进行放电，电池的比功率达到165W/kg。
实施例3
正极片采用二硫化钴为活性物质，超级导电碳黑、高导电石墨和碳纳米管为导电剂，聚偏氟乙烯为粘结剂。其中活性物质、导电剂与粘结剂质量比为95：3：2，导电剂中超级导电碳黑、高导电石墨和碳纳米管的质量比为1：1：1。制备过程中，聚偏氟乙烯均匀溶液的质量分数为6.5wt％，正极片通过涂覆、辊压、分切等工序制备得到。电解液中锂盐采用四氟硼酸锂和碘化锂，质量比为1：1，溶剂选用碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚和乙酸乙酯，体积比为1：1：1，锂盐在溶剂中的体积摩尔浓度为1mol/L。将正极片点焊极耳，金属锂负极片与极耳压制在一起，然后将带有极耳的正极片、负极片和所述隔膜卷绕成电芯。最后将电芯装入电池壳内，注入所述电解液，封口得到锂-二硫化钴一次电池。
将组装的锂-二硫化钴圆柱体，在常温25℃条件下通过电池测试系统用1A的电流进行放电，电池的比功率达到170W/kg。
实施例4
正极片采用二硫化钴为活性物质，超级导电碳黑、高导电石墨和碳纳米管为导电剂，聚偏氟乙烯为粘结剂。其中活性物质、导电剂与粘结剂质量比为95：3：2，导电剂中超级导电碳黑、高导电石墨和碳纳米管的质量比为1：1：1。制备过程中，聚偏氟乙烯均匀溶液的质量分数为6.5wt％，正极片通过涂覆、辊压、分切等工序制备得到。电解液中锂盐采用双三氟甲烷磺酸亚胺锂、四氟硼酸锂和碘化锂，质量比为1：1：1，溶剂选用碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚和乙酸乙酯，体积比为1：1：1，锂盐在溶剂中的体积摩尔浓度为1mol/L。将正极片点焊极耳，金属锂负极片与极耳压制在一起，然后将带有极耳的正极片、负极片和所述隔膜卷绕成电芯。最后将电芯装入电池壳内，注入所述电解液，封口得到锂-二硫化钴一次电池。
将组装的锂-二硫化钴圆柱体(AAA型)，在常温25℃条件下通过电池测试系统用1A的电流进行放电，电池的比功率达到180W/kg。
综上所述，本发明提供了一种锂-二硫化钴一次电池及制备方法，以二硫化钴作为锂一次电池的活性材料，选用了至少包含两种及以上不同维度的导电剂，达到与二硫化钴材料形成良好导电网络的效果。由于二硫化钴尺寸小于20μm，通过导电剂颗粒间的有效堆积，可以使得尺寸偏大的二硫化钴不易发生漏箔，提高极片制备的质量和效率。与二氧化锰、硫等正极活性材料相比，二硫化钴的导电性高，所以当二硫化钴活性物质含量大于90％时，既可以保证电极的导电性，又能保持电池高的比功率。电解液浓度低于1mol/L，锂盐含量低，低温下溶剂化作用相对弱，能提高电池性能，降低成本。正极片中粘合剂聚偏氟乙烯溶液的质量分数在3.5％～6.5％，可以控制浆料的粘度，从而制备不同厚度的极片，以设计满足不同比能量要求的电池；传统负极极耳通过冷焊工艺，本发明直接将极耳和锂带或锂合金带通过压制工艺复合到一起，简化了制备工艺，同时可以实现多极耳的复合。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种锂-二硫化钴一次电池，其特征在于，所述的锂-二硫化钴一次电池的正极包括：
正极活性材料，所述的正极活性材料为二硫化钴；
导电剂，所述的导电剂为超级导电碳黑、乙炔黑、高导电石墨、石墨烯、碳纳米管和气相生长碳纤维中的至少两种；
粘合剂，所述的粘合剂为聚偏氟乙烯。
2.如权利要求1所述的锂-二硫化钴一次电池，其特征在于，所述二硫化钴的质量百分含量为90％-95％，所述导电剂的质量百分含量为3％-5％，所述粘合剂的质量百分含量为2％-5％。
3.如权利要求1所述的锂-二硫化钴一次电池，其特征在于，所述二硫化钴的尺寸小于20μm。
4.如权利要求1所述的锂-二硫化钴一次电池，其特征在于，所述的锂-二硫化钴一次电池的电解液为有机锂离子电解液，包括：
锂盐，所述的锂盐为双三氟甲烷磺酸亚胺锂、碘化锂、四氟硼酸锂、双氟草酸硼酸锂、三氟甲基磺酸锂和高氯酸锂中的至少一种；
溶剂，所述的溶剂为1，3-二氧戊环、乙二醇二甲醚、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、乙酸乙酯和四氢呋喃中的至少两种。
5.如权利要求4所述的锂-二硫化钴一次电池，其特征在于，所述的锂盐在溶剂中的体积摩尔浓度为0.5-1mol/L。
6.一种如权利要求1所述的锂-二硫化钴一次电池的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1，正极片制备：将聚偏氟乙烯添加到氮甲基吡咯烷酮溶剂中，搅拌8-24h后形成聚偏氟乙烯均匀溶液，再依次加入二硫化钴和导电剂，搅拌6-12h后形成正极浆料，最后将所得的正极浆料均匀涂覆在导电集流体上，经过烘干、辊压和分切得到正极片；
步骤2，将步骤1制得的正极片点焊极耳，再将金属锂或锂合金负极片与所述的极耳压制在一起，然后将带有极耳的正极片、负极片和隔膜卷绕成电芯；
步骤3，将电芯装入电池壳内，注入电解液，封口，得到所述锂-二硫化钴一次电池。
7.如权利要求6所述的锂-二硫化钴一次电池的制备方法，其特征在于，步骤1所述的聚偏氟乙烯均匀溶液的质量分数为3.5-6.5％。
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