CN112234202A - 一种高性能锂氟化碳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化学电源技术领域，尤其涉及一种高性能锂氟化碳电池及其制备方法，所述高性能锂氟化碳电池包括：正极活性物质为氟化碳；所述总粉量为正极中所有固体粉状物质，包括活性物质、导电剂和粘结剂；导电剂为SP、VGCF、碳纳米管、石墨烯和乙炔黑的一种或几种；粘合剂为瓜尔豆胶、羧甲基壳聚糖和琼脂糖的一种或者几种；电解液为电解液采用锂盐LiClO4、LiTFSI、LiBF4中的至少一种，溶剂采用PC、EC、DEC、DMC和EMC中的至少一种。本发明提供一种能够提高电池比能量和贮存性能，改进正极导电性、缓解电池膨胀，抑制正极与电解液副反应的高性能锂氟化碳电池及其制备方法。

Description

一种高性能锂氟化碳电池及其制备方法
技术领域
本发明属于化学电源技术领域，尤其涉及一种高性能锂氟化碳电池及其制备方法。
背景技术
现有技术和缺陷：
Li/CFx电池具有能量密度高的优点而被广泛应用于水中兵器、陆装携行设备、无人机、航天器等不同领域。但随着各应用领域对高续航里程的迫切需求，锂氟化碳电池的比能量亟需进一步提高。由于锂氟化碳电池在放电时，Li只与CFx中的F进行反应，即该电池的放电比容量与CFx中的含氟量有关，但是CFx作为正极材料存在导电性差的问题，当氟化程度过高时，CFx成为绝缘材料，导致电池在放电时产生电极极化现象，放电比容量明显低于理论比容量，为不影响材料容量发挥，就需提高非活性物质导电剂含量，会降低电池比能量。同时，锂氟化碳电池在放电过程中会出现体积膨胀，电池内阻增大，极大地影响电池放电性能。正极材料还会与电解液发生副反应，从而降低了电池容量，并且副产物的生成也会影响电池放电，影响氟化碳电池的安全性能，并降低氟化碳电池的贮存性能。
解决上述技术问题的难度和意义：
因此，基于这些问题，提供一种能够提高电池比能量和贮存性能，改进正极导电性、缓解电池膨胀，抑制正极与电解液副反应的高性能锂氟化碳电池及其制备方法具有重要的现实意义。
发明内容
本发明目的在于为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够提高电池比能量和贮存性能，改进正极导电性、缓解电池膨胀，抑制正极与电解液副反应的高性能锂氟化碳电池及其制备方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种高性能锂氟化碳电池，所述高性能锂氟化碳电池包括：
正极活性物质为氟化碳，氟化碳占总粉量质量的80-99％；所述总粉量为正极中所有固体粉状物质，包括活性物质、导电剂和粘结剂；
导电剂为SP、VGCF、碳纳米管、石墨烯和乙炔黑的一种或几种，占总粉量质量的0.5-10％；
粘合剂为瓜尔豆胶、羧甲基壳聚糖和琼脂糖的一种或者几种，粘合剂占总粉量与粘合剂量总和的0.5-10％；
电解液为电解液采用锂盐LiClO4、LiTFSI、LiBF4中的至少一种，溶剂采用PC、EC、DEC、DMC和EMC中的至少一种。
在上述的高性能锂氟化碳电池中，进一步的，所述高性能锂氟化碳电池还包括隔膜，所述隔膜采用具有陶瓷涂层的PP或者PE或多层复合隔膜。
以实现电解液更好的浸润隔膜，提高锂氟化碳电池的放电性能。
本发明还可以采用以下技术方案：
一种高性能锂氟化碳电池的制备方法，所述高性能锂氟化碳电池的制备方法包括以下步骤：
步骤一：匀浆
将主料氟化碳、导电剂、粘结剂以及溶剂水混合，通过球磨或搅拌得到正极浆料；
步骤二：涂布
将步骤一所得正极浆料均匀涂于铝箔上，并烘除其中溶剂；
步骤三：碾压、分切
将干燥后的带浆料层的铝箔辗压成型，并分切、模切成极片；
步骤四：装配
将得到的正极电极与隔膜和负极金属锂，通过卷绕或叠片，组装成锂氟化碳电池，并注液、封口。
在上述的高性能锂氟化碳电池的制备方法中，进一步的，所述正极浆料固含量为35-65％。
在上述的高性能锂氟化碳电池的制备方法中，进一步的，所述正极涂覆面密度为28-45mg/cm2。
在上述的高性能锂氟化碳电池的制备方法中，进一步的，所述正极碾压的压实密度为1.3-1.6mg/cm3。
综上所述，本发明具有以下优点和积极效果：
1、本发明由于在正极制备过程中添加瓜尔豆胶、羧甲基壳聚糖和琼脂糖本身含有极性基团(例如：-COOH和-NH2)，可以实现更高的粘附力，使正极活性物质之间以及活性物质与集流体之间具有很强的粘合力，从而显着改善了所得正极的电化学性能。同时，由于瓜尔豆胶、羧甲基壳聚糖和琼脂糖的高离子导电性可以在一定程度上解决CFx材料存在导电性差的问题，缓解电池放电的极化现象，提高活性物质的利用率。由于瓜尔豆胶、羧甲基壳聚糖和琼脂糖等具有以上“双重作用”，所以在一定程度上降低了正极中非活性物质含量，增大了活性物质的比例，提高了锂氟化碳电池的比能量。
2、由于氟化碳电池在放电过程中体积变化明显，电池内阻增大，从而进一步影响电池的放电性能与安全性能，由于瓜尔豆胶、羧甲基壳聚糖和琼脂糖具有高弹性和化学稳定性，可以缓解氟化碳电池放电过程中由于体积变化带来的负面影响。
3、锂氟化碳电池正极材料中添加瓜尔豆胶、羧甲基壳聚糖和琼脂糖的一种或者几种后，可以在正极表面生成一层固体电解质膜，从而有效抑制正极与电解液的副反应，降低反应内阻，提高电池的放电比容量，并提高了电池安全放电性能和贮存性能。
4、本发明负极采用锂箔，电解液采用锂盐LiClO4、LiTFSI、LiBF4的一种或几种，溶剂采用PC、EC和DME的一种或几种，隔膜采用具有陶瓷涂层的PP或者PE或多层复合隔膜，以实现电解液更好的浸润隔膜，提高锂氟化碳电池的放电性能。
附图说明
图1为实施例二的放电曲线。
具体实施方式
下面就结合图1具体说明本发明。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
实施例一：
正极配方：
正极活性物质为氟化碳，氟化碳占总粉量质量的92％；所采用的导电剂为SP，VGCF占总粉量质量的6％；所采用的粘合剂为PVDF，粘合剂占总粉量的2％。
具体制造步骤如下：
(1)将主料氟化碳、导电剂、粘结剂以及溶剂水混合，通过球磨或搅拌得到正极浆料1，此正极浆料固含量为40％；
(2)将所得浆料1均匀涂于铝箔上，并烘除其中溶剂，涂布面密度为38mg/cm2。
(3)将干燥后的带浆料层的铝带辗压成型，压实密度为1.5mg/cm3，并分切、模切成极片1。
利用同样方法制备正极极片2，正极活性物质为氟化碳，氟化碳占总粉量质量的92％；所采用的导电剂为SP，VGCF占总粉量质量的6％；所采用的粘合剂为琼脂糖，粘合剂占总粉量的2％。
具体制造步骤如下：
(1)将主料氟化碳、导电剂、粘结剂以及溶剂水混合，通过球磨或搅拌得到正极浆料2；
(2)将所得浆料2均匀涂于铝箔上，并烘除其中溶剂，涂布面密度为38mg/cm2。
(3)将干燥后的带浆料层的铝带辗压成型，压实密度为1.5mg/cm3，并分切、模切成极片2。
两种极片利用四探针测试极片电导率，利用拉力仪测试剥离强度，数据如说明书附表2所示，极片2的电导率和抗拉强度明显高于极片1，这是因为琼脂糖的加入，不仅起到粘结剂的作用，同时还提高了极片的电导率。
表1正极极片电导率、剥离强度数据
样品 电阻率(Ω/cm) 剥离强度(N/m)
极片1 2 5.5
极片2 1.2 10
实施例二：
将实施例一中得到的两种正极电极与隔膜和负极金属锂，通过叠片，组装成锂氟化碳电池，并注液、封口。
电解液为电解液采用锂盐LiBF4，溶剂采用PC、EC和DMC混合溶剂。
将制备完成的两种电池称重并0.01C放电至1.5V，电池放电曲线如图一所示。
如表2所示，极片2制备的电池内阻低于极片1制备的电池，同时极片2制备的电池比能量明显高于极片2制备的电池。
表2锂氟化碳电池数据
电池用极片 电池开路电压 电池内阻 电池重量 电池放电容量 电池放电能量 电池比能量
极片1 3.397V 48.6mΩ 105.20g 33.32Ah 78.3Wh 744Wh/kg
极片2 3.421V 32.5mΩ 106.11g 40.34Ah 104.8Wh 987Wh/kg
实施例三：
正极配方：
正极活性物质为氟化碳，氟化碳占总粉量质量的99％；所采用的导电剂为石墨烯、乙炔黑、碳纳米管占总粉量质量的0.5％；所采用的粘合剂为羧甲基壳聚糖，粘合剂占总粉量的0.5％。
电解液为电解液采用锂盐LiClO4，溶剂采用PC、EC和DMC混合溶剂。
具体制造步骤如下：
(1)将主料氟化碳、导电剂、粘结剂以及溶剂水混合，通过球磨或搅拌得到正极浆料，此正极浆料固含量为65％；
(2)将所得浆料均匀涂于铝箔上，并烘除其中溶剂，涂布面密度为45mg/cm2。
(3)将干燥后的带浆料层的铝带辗压成型，压实密度为1.6mg/cm3，并分切、模切成极片。
(4)将得到的正极电极与隔膜和负极金属锂，通过叠片，组装成锂氟化碳电池，并注液、封口。
将制备完成的两种电池称重并0.01C放电至1.5V，电池数据如表3所示，
表3锂氟化碳电池数据
电池开路电压 电池内阻 电池重量 电池放电容量 电池放电能量 电池比能量
3.411V 37.5mΩ 105.43g 42.56Ah 110.65Wh 1049.5Wh/kg
实施例四：
正极配方：
正极活性物质为氟化碳，氟化碳占总粉量质量的80％；所采用的导电剂为SP、乙炔黑占总粉量质量的10％；所采用的粘合剂为瓜尔豆胶，各占总粉量的10％。
电解液为电解液采用锂盐LiTFSI，溶剂采用PC、DEC和EMC混合溶剂。
具体制造步骤如下：
(1)将主料氟化碳、导电剂、粘结剂以及溶剂水混合，通过球磨或搅拌得到正极浆料，此正极浆料固含量为35％；
(2)将所得浆料均匀涂于铝箔上，并烘除其中溶剂，涂布面密度为28mg/cm2。
(3)将干燥后的带浆料层的铝带辗压成型，压实密度为1.3mg/cm3，并分切、模切成极片。
(4)将得到的正极电极与隔膜和负极金属锂，通过叠片，组装成锂氟化碳电池，并注液、封口。
表4锂氟化碳电池数据
电池开路电压 电池内阻 电池重量 电池放电容量 电池放电能量 电池比能量
3.408V 24.6mΩ 105.23g 37.46Ah 97.40Wh 925Wh/kg
综上所述，本发明提供一种能够提高电池比能量和贮存性能，改进正极导电性、缓解电池膨胀，抑制正极与电解液副反应的高性能锂氟化碳电池及其制备方法。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种高性能锂氟化碳电池，其特征在于：所述高性能锂氟化碳电池包括粘合剂，所述粘合剂为瓜尔豆胶、羧甲基壳聚糖和琼脂糖的一种或者几种，粘合剂占总粉量与粘合剂量总和的0.5-10％。
2.根据权利要求1所述的高性能锂氟化碳电池，其特征在于：所述高性能锂氟化碳电池还包括：
正极活性物质为氟化碳，氟化碳占总粉量质量的80-99％；所述总粉量为正极中所有固体粉状物质，包括活性物质、导电剂和粘结剂；
导电剂为SP、VGCF、碳纳米管、石墨烯和乙炔黑的一种或几种，占总粉量质量的0.5-10％；
电解液为电解液采用锂盐LiClO4、LiTFSI、LiBF4中的至少一种，溶剂采用PC、EC、DEC、DMC和EMC中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的高性能锂氟化碳电池，其特征在于：所述高性能锂氟化碳电池还包括隔膜，所述隔膜采用具有陶瓷涂层的PP或者PE或多层复合隔膜。
4.一种高性能锂氟化碳电池的制备方法，其特征在于：所述高性能锂氟化碳电池的制备方法包括以下步骤：
步骤一：匀浆
将主料氟化碳、导电剂、粘结剂以及水混合，通过球磨或搅拌得到正极浆料；
步骤二：涂布
将步骤一所得正极浆料均匀涂于铝箔上，并烘除其中溶剂；
步骤三：碾压、分切
将干燥后的带浆料层的铝箔辗压成型，并分切、模切成极片；
步骤四：装配
将得到的正极电极与隔膜和负极金属锂，通过卷绕或叠片，组装成锂氟化碳电池，并注液、封口。
5.根据权利要求4所述的高性能锂氟化碳电池的制备方法，其特征在于：所述正极浆料固含量为35-65％。
6.根据权利要求4所述的高性能锂氟化碳电池的制备方法，其特征在于：所述正极涂覆面密度为28-45mg/cm2。
7.根据权利要求4所述的高性能锂氟化碳电池的制备方法，其特征在于：所述正极碾压的压实密度为1.3-1.6mg/cm3。
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