CN112436146A - 一种锂电池正极材料、制备方法及锂电池 - Google Patents

一种锂电池正极材料、制备方法及锂电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了锂电池正极材料、制备方法及锂电池，包括电芯和电解液，所述的电芯由正极片、负极片与隔膜叠成，所述的正极片包括铝箔和涂覆在铝箔上的正极材料，所述的负极片包括铜箔和涂覆在铜箔上的负极材料，所述的正极材料包括磷酸铁锂50‑55份、聚偏氟乙烯2‑4份、改性导电炭黑6‑7份、N‑甲基吡咯烷酮53‑58份，本发明克服了现有技术的不足，该以磷酸铁锂为正极材料的动力锂电池有效的克服了锂电池在低温下的充放电能力下降和电机处容易产生结晶的问题，保证了锂电池的使用性能和安全性能。

Description

一种锂电池正极材料、制备方法及锂电池
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体属于一种锂电池正极材料、制备方法及锂电池。
背景技术
动力电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。锂铁电池是2000年后由美国永备公司所推出来并得到成功市场化的新型绿色高能化学电源，在应用于需要的高能量高功率电源的电子设备和电动玩具方面，显示了非常优越的性能。在中等放电电流以上时，锂铁电池的放电时间可达碱锰电池的6倍左右；而与镍氢电池相比，其放电电压平稳，储存时间具有显著优势。但是锂铁电池存在低温性能差的问题，虽然现在已有大量的研究来克服锂电池在低温下充放电能力差，储电量在低温下下降明显的问题，但是依然没有一个很好的办法去解决锂铁电池低温电容量下降严重的问题。
发明内容
本发明的目的是提供了一种锂电池正极材料、制备方法及锂电池，克服了现有技术的锂铁电池低温电容量下降严重的问题。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种锂电池正极材料，所述的正极材料包括磷酸铁锂50-55份、聚偏氟乙烯2-4份、改性导电炭黑6-7份、N-甲基吡咯烷酮53-58份和铝箔。
优选地，所述的改性导电炭黑的制备方法为，将炭黑浸没于乙醇溶液中，然后过滤烘干，将炭黑粉碎，然后将粉碎后的炭黑与二甲基硅油混合均匀，二甲基硅油与炭黑的质量比为0.06-0.15:1，然后在惰性气体环境中加热后，自然冷却至室温，得到改性导电炭黑。
锂电池正极材料的方法，包括以下步骤，首先，将聚偏氟乙烯和改性导电炭黑混合均匀，然后在铝箔上涂覆一层聚偏氟乙烯和改性导电炭黑的混合材料，进行烘烤处理，得到预处理铝箔，然后将N-甲基吡咯烷酮和磷酸铁锂加入到剩余的聚偏氟乙烯和改性导电炭黑的混合材料中混合均匀，得到正极浆料，然后将正极浆料涂布在铝箔上，并依次进行辊压、模切和烘烤处理，得到正极材料。
一种锂电池，包括电芯和电解液，所述的电芯由正极片、负极片与隔膜叠成，所述的正极片为上述制备的正极材料。
优选地，所述的电解液包括碳酸乙烯脂、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、六氟磷酸锂、碳酸亚乙烯酯和三甲基吡啶。
优选地，所述的负极片包括铜箔和涂覆在铜箔上的负极材料，所述的负极材料包括石墨35-40份、改性导电石墨0.1-1份、羧甲基纤维素0.7-0.9份、去离子水20-25份。
优选地，所述的改性导电石墨的制备方法为，将石墨浸没于乙醇溶液中，然后过滤烘干，将石墨粉碎，然后将粉碎后的石墨与1,2-丙二醇混合均匀，1,2-丙二醇与石墨的质量比为0.1-0.15:1，然后在惰性气体环境中加热后，自然冷却至室温，得到改性导电石墨。
本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：
1、本发明通过使用二甲基硅油对炭黑进行改性，利用了炭黑比表面积大的优势，通过在惰性气体环境中进行烘烤，使二甲基硅油充分的进入炭黑的内部，不仅不会影响炭黑的导电能力，同时含有二甲基硅油的炭黑在应用于锂电池的正极片时，由于二甲基硅油优异的亲油和低温性能，能够有效的避免电解液中的组分在正极片的表面形成晶核，有效的提高了锂电池的耐低温性能。
2、本发明通过使用聚偏氟乙烯和改性导电炭黑的混合材料涂覆在铝箔的表面，使铝箔与正极浆料隔离，同时导电炭黑中的二甲基硅油可避免正极浆料内的磷酸铁锂向铝箔渗透，避免铝箔的表面因为有氧化铝颗粒的存在，导致电解液和正极浆料内的物质以氧化铝颗粒为晶核在低温下形成结晶，使锂电池的充放电能力和安全性下降。
3、本发明通过使用三甲基吡啶作为该锂电池的添加剂，在三甲基吡啶共轭分子结构与碳酸酯和锂离子的配合作用下，使该电解液在-40℃的低温下，依然能够保证电子在锂电池内部的流动，保证了锂电池在低温下不会因为电解液流动性变差而导致充放电能力下降。
4、本发明通过使用1,2-丙二醇对石墨进行改性，利用了石墨比表面积大的优势，通过在惰性气体环境中进行烘烤，使1,2-丙二醇充分的进入石墨的内部，同时含有1,2-丙二醇的石墨在应用于锂电池的负极片时，1,2-丙二醇能够有效地向负极片表层扩散，有效的避免电解液中的组分在负极片的表面形成枝晶，提高了锂电池的耐低温性能。
5、该锂电池有效的克服了锂电池在低温下的充放电能力下降和电极处容易产生结晶的问题，保证了锂电池的使用性能和安全性能。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1
本发明的锂电池包括电芯和电解液，电芯由正极片、负极片与隔膜叠成，正极片包括铝箔和涂覆在铝箔上的正极材料，负极片包括铜箔和涂覆在铜箔上的负极材料。
正极材料使用包括以下重量份的原料：磷酸铁锂50份、聚偏氟乙烯3份、改性导电炭黑7份、N-甲基吡咯烷酮53份，其中在制备正极片的过程中，首先，将聚偏氟乙烯和改性导电炭黑混合均匀，然后在铝箔上涂覆一层聚偏氟乙烯和改性导电炭黑的混合材料，涂覆量为55mg/cm2，进行烘烤处理，得到预处理铝箔；然后再将N-甲基吡咯烷酮和磷酸铁锂加入到剩余的聚偏氟乙烯和改性导电炭黑的混合材料中混合均匀，得到正极浆料，然后将正极浆料涂布在铝箔上，涂覆量为130mg/cm2，并依次进行辊压、模切和烘烤处理，得到正极片。
而负极片上的负极材料包括以下重量份的原料：石墨38份、改性导电石墨0.8份、羧甲基纤维素0.9份、去离子水23份。制备负极片时，首先将石墨、改性导电石墨、羧甲基纤维素和去离子水按重量比混合均匀，得到负极浆料，然后将负极浆料涂布在铜箔上，涂覆量为100mg/cm2，并依次进行辊压、模切和烘烤处理，得到负极片。
正极片制备过程中使用的改性导电炭黑的制备方法为：将炭黑浸没于乙醇溶液中，然后过滤烘干，去除可溶性有机物，然后将炭黑粉碎至100目以下，并将粉碎后的炭黑与二甲基硅油混合均匀，二甲基硅油与炭黑的质量比为0.13:1，然后在惰性气体环境中加热至200℃，自然冷却至室温，得到改性导电炭黑。
负极片制备过程中使用的改性导电石墨的制备方法为：将石墨浸没于乙醇溶液中，然后过滤烘干，去除可溶性有机物，然后将石墨粉碎至100目以下，并将粉碎后的石墨与1,2-丙二醇混合均匀，1,2-丙二醇与石墨的质量比为0.14:1，然后在惰性气体环境中加热至130℃，自然冷却至室温，得到改性导电石墨。
本发明的电池使用的电解液包括以下重量份的原料：碳酸乙烯脂28份、碳酸甲乙酯40份、碳酸二甲酯16份、碳酸丙烯酯12份、六氟磷酸锂18份、碳酸亚乙烯酯6份这些常规原料，同时还添加有三甲基吡啶1.8份，将这些原料混合均匀后即可得到电解液。
制备锂电池时，将正极片、负极片与隔膜叠成电芯，然后将电芯进行热压、整形和烘烤处理，即可得到电芯，最后向电芯内注入电解液，经化成、老化和封口处理后即得到锂电池。
实施例2
本发明的锂电池包括电芯和电解液，电芯由正极片、负极片与隔膜叠成，正极片包括铝箔和涂覆在铝箔上的正极材料，负极片包括铜箔和涂覆在铜箔上的负极材料。
正极材料使用包括以下重量份的原料：磷酸铁锂54份、聚偏氟乙烯4份、改性导电炭黑6份、N-甲基吡咯烷酮56份，其中在制备正极片的过程中，首先，将聚偏氟乙烯和改性导电炭黑混合均匀，然后在铝箔上涂覆一层聚偏氟乙烯和改性导电炭黑的混合材料，涂覆量为40mg/cm2，进行烘烤处理，得到预处理铝箔；然后再将N-甲基吡咯烷酮和磷酸铁锂加入到剩余的聚偏氟乙烯和改性导电炭黑的混合材料中混合均匀，得到正极浆料，然后将正极浆料涂布在铝箔上，涂覆量为120mg/cm2，并依次进行辊压、模切和烘烤处理，得到正极片。
而负极片上的负极材料包括以下重量份的原料：石墨35份、改性导电石墨1份、羧甲基纤维素0.8份、去离子水20份。制备负极片时，首先将石墨、改性导电石墨、羧甲基纤维素和去离子水按重量比混合均匀，得到负极浆料，然后将负极浆料涂布在铜箔上，涂覆量为110mg/cm2，并依次进行辊压、模切和烘烤处理，得到负极片。
正极片制备过程中使用的改性导电炭黑的制备方法为：将炭黑浸没于乙醇溶液中，然后过滤烘干，去除可溶性有机物，然后将炭黑粉碎至100目以下，并将粉碎后的炭黑与二甲基硅油混合均匀，二甲基硅油与炭黑的质量比为0.15:1，然后在惰性气体环境中加热至300℃，自然冷却至室温，得到改性导电炭黑。
负极片制备过程中使用的改性导电石墨的制备方法为：将石墨浸没于乙醇溶液中，然后过滤烘干，去除可溶性有机物，然后将石墨粉碎至100目以下，并将粉碎后的石墨与1,2-丙二醇混合均匀，1,2-丙二醇与石墨的质量比为0.12:1，然后在惰性气体环境中加热至140℃，自然冷却至室温，得到改性导电石墨。
本发明的电池使用的电解液包括以下重量份的原料：碳酸乙烯脂32份、碳酸甲乙酯36份、碳酸二甲酯15份、碳酸丙烯酯14份、六氟磷酸锂20份、碳酸亚乙烯酯6份这些常规原料，同时还添加有三甲基吡啶2份，将这些原料混合均匀后即可得到电解液。
制备锂电池时，将正极片、负极片与隔膜叠成电芯，然后将电芯进行热压、整形和烘烤处理，即可得到电芯，最后向电芯内注入电解液，经化成、老化和封口处理后即得到锂电池。
实施例1
与实施例1的区别在于，将改性导电炭黑替换为等质量的炭黑。
对照例2
与实施例1的区别在于，正极片制备的过程中铝箔的表面不涂覆聚偏氟乙烯和改性导电炭黑的混合材料。
实施例3
与实施例1的区别在于，二甲基吡啶的加入量为0。
实施例4
与实施例1的区别在于，1,2-丙二醇的加入量为0。
将实施例1-2和对照例1-3中的锂电池在20℃下充满电后进行放电，测试其放电容量BDC1，然后再次充满，放置24小时后进行放电，测试其放电容量BDC2；然后在20℃下充满电，在零下40℃的环境下搁置24小时后进行放电，测试其放电容量BDC3，然后在零下40℃的环境下再次充满，测试其放电容量BDC4，结果如下表所示：
实施例1 实施例2 对照例1 对照例2 对照例3 对照例4
BCD1(A·h) 63.8 64.6 65.5 62.9 62.1 64.6
BCD2(A·h) 63.4 64.3 63.7 60.3 61.8 62.3
BCD3(A·h) 63.1 64.1 60.5 57.4 61.2 59.7
BCD4(A·h) 62.6 63.3 53.4 50.1 51.6 54.1
由上表的数据变化可知，本发明使用改性的导电炭黑和石墨作为导电剂，二甲基硅油和1,2-丙二醇具有阻碍电解液在正极片和负极片表面形成结晶的作用，其中二甲基硅油被吸附在炭黑上，避免了二甲基硅油的渗出对电池性能产生影响，而改性后的导电炭黑涂覆在铝箔的表面，使铝箔的表面难以形成结晶的晶核，从而提高了锂电池低温下的性能，而电解液中加入的二甲基吡啶避免了电解液在低温下结晶导致的内部效应，使电池的低温充电电容量得到了显著提升，提高了该电池的低温使用性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种锂电池正极材料，其特征在于：所述的正极材料包括磷酸铁锂50-55份、聚偏氟乙烯2-4份、改性导电炭黑6-7份、N-甲基吡咯烷酮53-58份和铝箔。
2.根据权利要求1所述的锂电池正极材料，其特征在于：所述的改性导电炭黑的制备方法为，将炭黑浸没于乙醇溶液中，然后过滤烘干，将炭黑粉碎，然后将粉碎后的炭黑与二甲基硅油混合均匀，二甲基硅油与炭黑的质量比为0.06-0.15:1，然后在惰性气体环境中加热后，自然冷却至室温，得到改性导电炭黑。
3.制备权利要求1或2所述的锂电池正极材料的方法，其特征在于：包括以下步骤，首先，将聚偏氟乙烯和改性导电炭黑混合均匀，然后在铝箔上涂覆一层聚偏氟乙烯和改性导电炭黑的混合材料，进行烘烤处理，得到预处理铝箔，然后将N-甲基吡咯烷酮和磷酸铁锂加入到剩余的聚偏氟乙烯和改性导电炭黑的混合材料中混合均匀，得到正极浆料，然后将正极浆料涂布在铝箔上，并依次进行辊压、模切和烘烤处理，得到正极材料。
4.一种锂电池，其特征在于：包括电芯和电解液，所述的电芯由正极片、负极片与隔膜叠成，所述的正极片为权利要求1-2任意一项所述的正极材料。
5.根据权利要求4所述的锂电池，其特征在于：所述的电解液包括碳酸乙烯脂、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、六氟磷酸锂、碳酸亚乙烯酯和三甲基吡啶。
6.根据权利要求4所述的锂电池，其特征在于：所述的负极片包括铜箔和涂覆在铜箔上的负极材料，所述的负极材料包括石墨35-40份、改性导电石墨0.1-1份、羧甲基纤维素0.7-0.9份、去离子水20-25份。
7.根据权利要求6所述的锂电池，其特征在于：所述的改性导电石墨的制备方法为，将石墨浸没于乙醇溶液中，然后过滤烘干，将石墨粉碎，然后将粉碎后的石墨与1,2-丙二醇混合均匀，1,2-丙二醇与石墨的质量比为0.1-0.15:1，然后在惰性气体环境中加热后，自然冷却至室温，得到改性导电石墨。
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