CN112635718A - 一种圆柱硅负极锰酸锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明申请公开了一种圆柱硅负极锰酸锂离子电池，包括隔膜、电解液、钢壳、盖帽，包括正极片和负极片，所述负极片包括按质量百分比计的以下原料硅碳93.6％‑95.5％、电阻率小于2Ω·m粒径45‑55nm的生物质超级炭黑0.5％‑1.5％、电导率大于10S/cm的高导电碳纤维1％‑1.5％、羧甲基纤维素钠1％‑1.5％、水性胶黏剂1％‑2％、N‑甲基吡咯烷酮0.8％‑1.1％。本发明圆柱硅负极锰酸锂离子电池的安全性能好、放电平台高、比能量高、持续放电电流大、瞬间放电电流高、循环性能好充，充放电600次，其容量保持率80％以上，同时电池负极材料采用硅碳材料，能有效抑制硅负极材料的膨胀和粉化现象，提升电池使用寿命。

Description

一种圆柱硅负极锰酸锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池领域，具体涉及一种圆柱硅负极锰酸锂离子电池及其制备方法。
背景技术
近年来，随着科技的不断进步，人们对无线电子产品的要求不断提高，尤其是对其续航能力的要求。因此以小型轻量化高续航电子电源作为驱动能源的需求非常强烈。锂离子电池作为诸多电子产品的主流驱动能源，其也在不断地改进。钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂是近几年来锂离子蓄电池最常用的几种正极材料。其中，钴和镍的价格较为昂贵，其原料也面临枯竭的问题，现已很难满足市场的需要。锰相对于钴和镍的价格较为便宜，以锰元素制造锰酸锂电池是如今锂电池发展的趋势，但现有的锰酸锂电池电芯比能量低、循环性能差、热稳定性差，且现有的锰酸锂电池的正极材料体系已经相当完善，技术人员无法从正极材料方面入手提升电池的容量，同时现有的锰酸锂电池的负极材料容易膨胀和粉化，导致电池的寿命较短。
现有技术制备锰酸锂电池的过程中，存在着制备工艺流程过于简单，各材料处理不充分，导致锰酸锂离子电池的品质不稳定。
发明内容
本发明意在提供一种性能优越的圆柱硅负极锰酸锂离子电池。
一种圆柱硅负极锰酸锂离子电池，包括隔膜、电解液、钢壳、盖帽，还包括正极片和负极片，所述负极片包括按质量百分比计的以下原料：硅碳93.6％-95.5％、电阻率小于2Ω·m粒径45-55nm的生物质超级炭黑0.5％-1.5％、电导率大于10S/cm的高导电碳纤维1％-1.5％、羧甲基纤维素钠1％-1.5％、水性胶黏剂1％-2％、N-甲基吡咯烷酮0.8％-1.1％。
进一步，所述正极片包括按质量百分比计的以下原料：锰酸锂93.5％-95.2％、复合型碳纳米管浆料2.8％-4.5％、聚偏氟乙烯2％-2.5％。
进一步，所述负极片的原料的溶剂为去离子水。
进一步，所述正极片的原料的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
进一步，所述复合型碳纳米管浆料包括导电碳黑、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、N-甲基吡咯烷酮。
进一步，一种圆柱硅负极锰酸锂离子电池的制备方法，按以下步骤进行：
(1)制备正极片和负极片，并将两者裁切成预定的尺寸；
(2)将制备好的正极片、负极片分别放置在全自动卷绕机上，采用隔膜隔离正极片和负极片，将正极片与铝带正极耳焊接、将负极片与铜带负极耳进行焊接，然后将正极片与负极片卷绕在一起制成卷芯；
(3)为步骤(2)所得的卷芯焊接有负极片的一端安装下垫片，随后将装有下垫片的卷芯安装进钢壳内，并将负极耳与钢壳焊接，接着在卷芯焊接有正极片的一端安装上垫片，然后在钢壳外滾压一个用以防止电芯晃动、固定上垫片和正极耳的环形槽，制成电芯，并测试电芯的短路情况，选取不短路的电芯作为合格电芯；
(4)将步骤(3)中所得的合格电芯插入治具中放入真空烤箱，抽真空气压至＜-100KPa，在75℃-95℃的恒温恒压条件下烘烤2H，之后向真空烤箱内充氮至气压为-35MPa—-45MPa5分钟，烘烤、充氮气循环实施，直至电芯中水含量≤200PPM；
(5)往电芯内注入13.5g-13.9g电解液，焊接正极耳与盖帽，再将盖帽与钢壳扣合密封形成成品电芯，然后清洗成品电芯外表面；
(6)将步骤(5)所得的清洁的成品电芯放置在温度为35℃-45℃的环境下活化24h-32h后，随后将清洁的成品电芯放置到化成柜内进行化成，而后将清洁的成品电芯先在温度25℃-35℃的环境下老化72h，再对电芯进行电压内阻筛选，筛选出成品电芯分容单充电压在3.6V-3.9V的电芯放在室温的环境下老化168h，制成成品圆柱硅负极锰酸锂离子电池。
进一步，步骤(5)中的各项操作在环境温度为20℃-25℃、露点-45℃—-65℃的避免电芯吸水的环境中完成。
进一步，制备负极片时，按照负极片的原料的配方比称取原料，按以下步骤进行：
(1.11)将羧甲基纤维素钠、去离子水放入到第一双行星打浆机中，在第一双行星打浆机自转速度为20转/min、公转速度为1300转/min的条件下搅拌1.5h制成胶液；
(1.12)将步骤(1.11)中所获的胶液、硅碳、电阻率小于2Ω·m粒径45-55nm的生物质超级炭黑、电导率大于10S/cm的高导电碳纤维、水性胶黏剂、N-甲基吡咯烷酮入到第二双行星打浆机中，在第二双行星打浆机自转速度为40转/min、公转速度为1600转/min的条件下搅拌2h制成浆料；
(1.13)采用高速分散机在转速为3000转/min-3800转/min的条件下搅拌地分散步骤(1.12)所获浆料，直至浆料粘度达到3500mPa.s-7500mPa.s；
(1.14)将步骤(1.13)所获粘度达到要求的浆料按照78g/㎡-85g/㎡的面密度涂覆在6μm-9μm厚的铜箔上，烘干制成负极片；
(1.15)将烘干的负极片按照活性物1.5g/mm3-1.7g/mm3的压实密度进行滚压制成密实的负极片；
(1.16)将步骤(1.15)所获负极片分切为58mm-59.5mm宽的负极片。
进一步，步骤(1.11)、(1.12)、(1.13)中的搅拌过程中通冷却水进行冷却且搅拌时抽真空至气压＜-80KPa。
进一步，制备正极片时，按照正极片的材料的配方比称取原料，按以下步骤进行：
(1.21)将聚偏氟乙烯、N-甲基吡咯烷酮加入到第三双行星打浆机中，在第三双行星打浆机自转速度为20转/min、公转速度为1300转/min的条件下搅拌1.5h制成胶液；
(1.22)将锰酸锂、复合型碳纳米管浆料加入第四双行星打浆机中，在第四双行星打浆机自转速度为30转/min、公转速度为1000转/min的条件下搅拌1h制成浆料；
(1.23)将步骤(1.22)所获胶液、N-甲基吡咯烷酮加入第四双行星打浆机中与浆料混合，在第四双行星打浆机自转速度为40转/min、公转速度为1600转/min的条件下搅拌2h制成混合浆料；
(1.24)采用高速分散机在转速为3000转/min-3800转/min的条件下，搅拌地分散步骤(1.23)获得的混合浆料，直至粘度达到4500mPa.s-8500mPa.s；
(1.25)将步骤(1.24)所获粘度达到要求的混合浆料按照170g/㎡-180g/㎡的表面密度涂覆在12μm-18μm厚的铝箔上，烘干制成正极片；
(1.26)将步骤(1.25)所获正极片按照活性物3.0g/mm3-3.2g/mm3的压实密度进行混压制成密实的正极片；
(1.27)将步骤(1.26)所获的密实的正极片分切为56mm-58mm宽的正极片。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的圆柱硅负极锰酸锂离子电池安全性能好、放电平台高、比能量高、持续放电电流大、瞬间放电电流高、循环性能好，充放电600次，其容量保持率在80％以上，同时电池负极材料采用硅碳材料，能有效抑制硅负极材料的膨胀和粉化现象，提升电池使用寿命；
2、本发明的圆柱硅负极锰酸锂离子电池制备工艺详尽，能够将所需的材料充分加工，确保材料品质的稳定性，最终出品的圆柱硅负极锰酸锂离子电池品质稳定，性能较高。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例1
一种圆柱硅负极锰酸锂离子电池，包括隔膜、电解液、钢壳、盖帽，还包括正极片和负极片，所述负极片包括按质量百分比计的以下原料：硅碳94.5％，电阻率小于2Ω·m粒径45-55nm的生物质超级炭黑1.1％，电导率大于10S/cm的高导电碳纤维1.1％，羧甲基纤维素钠1.1％，水性胶黏剂1.3％、N-甲基吡咯烷酮0.9％。所述正极片包括按质量百分比计的以下原料：锰酸锂94％，复合型碳纳米管浆料3.8％，聚偏氟乙烯2.2％。所述负极片的原料的溶剂为去离子水。所述正极片的原料的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。所述复合型碳纳米管浆料包括导电碳黑、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、N-甲基吡咯烷酮。
圆柱硅负极锰酸锂离子电池的制备方法，按以下步骤进行：
(1)制备正极片和负极片，并将两者裁切成预定的尺寸；
(2)将制备好的正极片、负极片分别放置在全自动卷绕机上，采用隔膜隔离正极片和负极片，将正极片与铝带正极耳焊接、将负极片与铜带负极耳进行焊接，然后将正极片与负极片卷绕在一起制成卷芯；
(3)为步骤(2)所得的卷芯焊接有负极片的一端安装下垫片，随后将装有下垫片的卷芯安装进钢壳内，并将负极耳与钢壳焊接，接着在卷芯焊接有正极片的一端安装上垫片，然后在钢壳外滾压一个用以防止电芯晃动、固定上垫片和正极耳的环形槽，制成电芯，并测试电芯的短路情况，选取不短路的电芯作为合格电芯；
(4)将步骤(3)中所得的合格电芯插入治具中放入真空烤箱，抽真空气压至＜-100KPa，在75℃-95℃的恒温恒压条件下烘烤2H，之后向真空烤箱内充氮至气压为-35MPa—-45MPa5分钟，烘烤、充氮气循环实施，直至电芯中水含量≤200PPM；
(5)往电芯内注入13.5g-13.9g电解液，焊接正极耳与盖帽，再将盖帽与钢壳扣合密封形成成品电芯，然后清洗成品电芯外表面；
(6)将步骤(5)所得的清洁的成品电芯放置在温度为35℃-45℃的环境下活化24h-32h后，随后将清洁的成品电芯放置到化成柜内进行化成，而后将清洁的成品电芯先在温度25℃-35℃的环境下老化72h，再对电芯进行电压内阻筛选，筛选出成品电芯分容单充电压在3.6V-3.9V的电芯放在室温的环境下老化168h，制成成品圆柱硅负极锰酸锂离子电池；
步骤(5)中的各项操作在环境温度为20℃-25℃、露点-45℃—-65℃的避免电芯吸水的环境中完成。
制备负极片时，按照负极片的原料的配方比称取原料，按以下步骤进行：
(1.11)将羧甲基纤维素钠、去离子水放入到第一双行星打浆机中，在第一双行星打浆机自转速度为20转/min、公转速度为1300转/min的条件下搅拌1.5h制成胶液；
(1.12)将步骤(1.11)中所获的胶液、硅碳、电阻率小于2Ω·m粒径45-55nm的生物质超级炭黑、电导率大于10S/cm的高导电碳纤维、水性胶黏剂、N-甲基吡咯烷酮入到第二双行星打浆机中，在第二双行星打浆机自转速度为40转/min、公转速度为1600转/min的条件下搅拌2h制成浆料；
(1.13)采用高速分散机在转速为3000转/min-3800转/min的条件下搅拌地分散步骤(1.12)所获浆料，直至浆料粘度达到3500mPa.s-7500mPa.s；
(1.14)将步骤(1.13)所获粘度达到要求的浆料按照78g/㎡-85g/㎡的面密度涂覆在6μm-9μm厚的铜箔上，烘干制成负极片；
(1.15)将烘干的负极片按照活性物1.5g/mm3-1.7g/mm3的压实密度进行滚压制成密实的负极片；
(1.16)将步骤(1.15)所获负极片分切为58mm-59.5mm宽的负极片；
步骤(1.11)、(1.12)、(1.13)中的搅拌过程中通冷却水进行冷却且搅拌时抽真空至气压＜-80KPa。
制备正极片时，按照正极片的材料的配方比称取原料，按以下步骤进行：
(1.21)将聚偏氟乙烯、N-甲基吡咯烷酮加入到第三双行星打浆机中，在第三双行星打浆机自转速度为20转/min、公转速度为1300转/min的条件下搅拌1.5h制成胶液；
(1.22)将锰酸锂、复合型碳纳米管浆料加入第四双行星打浆机中，在第四双行星打浆机自转速度为30转/min、公转速度为1000转/min的条件下搅拌1h制成浆料；
(1.23)将步骤(1.22)所获胶液、N-甲基吡咯烷酮加入第四双行星打浆机中与浆料混合，在第四双行星打浆机自转速度为40转/min、公转速度为1600转/min的条件下搅拌2h制成混合浆料；
(1.24)采用高速分散机在转速为3000转/min-3800转/min的条件下，搅拌地分散步骤(1.23)获得的混合浆料，直至粘度达到4500mPa.s-8500mPa.s；
(1.25)将步骤(1.24)所获粘度达到要求的混合浆料按照170g/㎡-180g/㎡的表面密度涂覆在12μm-18μm厚的铝箔上，烘干制成正极片；
(1.26)将步骤(1.25)所获正极片按照活性物3.0g/mm3-3.2g/mm3的压实密度进行混压制成密实的正极片；
(1.27)将步骤(1.26)所获的密实的正极片分切为56mm-58mm宽的正极片。
实施例2
本实施例特点是：其负极片包括按质量百分比计的以下原料：硅碳95.5％，电阻率小于2Ω·m粒径45-55nm的生物质超级炭黑0.7％，电导率大于10S/cm的高导电碳纤维1％，羧甲基纤维素钠1％，水性胶黏剂1％、N-甲基吡咯烷酮0.8％。其正极片的材料是由按质量百分比计的以下原料组成：锰酸锂95.2％，复合型碳纳米管浆料2.8％，聚偏氟乙烯2％。
其他与实施例1相同。
实施例3
本实施例特点是：其负极片包括按质量百分比计的以下原料：硅碳93.6％，电阻率小于2Ω·m粒径45-55nm的生物质超级炭黑1.3％，电导率大于10S/cm的高导电碳纤维1.3％，羧甲基纤维素钠1.3％，水性胶黏剂1.5％、N-甲基吡咯烷酮1％。其正极片的材料是由按质量百分比计的以下原料组成：锰酸锂93.5％，复合型碳纳米管浆料4.2％，聚偏氟乙烯2.3％。
其他与实施例1相同。
通过上述实施例得，本发明的圆柱硅负极锰酸锂离子电池安全性能好、放电平台高、比能量高、持续放电电流大、瞬间放电电流高、循环性能好，充放电600次，其容量保持率在80％以上，同时电池负极材料采用硅碳材料，能有效抑制硅负极材料的膨胀和粉化现象，提升电池使用寿命。
本发明的圆柱硅负极锰酸锂离子电池制备工艺详尽，能够将所需的材料充分加工，确保材料品质的稳定性，最终出品的圆柱硅负极锰酸锂离子电池品质稳定，性能较高。
以上所述仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的适用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种圆柱硅负极锰酸锂离子电池，包括隔膜、电解液、钢壳、盖帽，其特征在于，还包括正极片和负极片，所述负极片包括按质量百分比计的以下原料：硅碳93.6％-95.5％、电阻率小于2Ω·m粒径45-55nm的生物质超级炭黑0.5％-1.5％、电导率大于10S/cm的高导电碳纤维1％-1.5％、羧甲基纤维素钠1％-1.5％、水性胶黏剂1％-2％、N-甲基吡咯烷酮0.8％-1.1％。
2.根据权利要求1所述的圆柱硅负极锰酸锂离子电池，其特征在于，所述正极片包括按质量百分比计的以下原料：锰酸锂93.5％-95.2％、复合型碳纳米管浆料2.8％-4.5％、聚偏氟乙烯2％-2.5％。
3.根据权利要求1或2所述的圆柱硅负极锰酸锂离子电池，其特征在于，所述负极片的原料的溶剂为去离子水。
4.根据权利要求1或2所述的圆柱硅负极锰酸锂离子电池，其特征在于，所述正极片的原料的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
5.根据权利要求2所述的圆柱硅负极锰酸锂离子电池，其特征在于，所述复合型碳纳米管浆料包括导电碳黑、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、N-甲基吡咯烷酮。
6.一种圆柱硅负极锰酸锂离子电池的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
(1)制备正极片和负极片，并将两者裁切成预定的尺寸；
(2)将制备好的正极片、负极片分别放置在全自动卷绕机上，采用隔膜隔离正极片和负极片，将正极片与铝带正极耳焊接、将负极片与铜带负极耳进行焊接，然后将正极片与负极片卷绕在一起制成卷芯；
(3)为步骤(2)所得的卷芯焊接有负极片的一端安装下垫片，随后将装有下垫片的卷芯安装进钢壳内，并将负极耳与钢壳焊接，接着在卷芯焊接有正极片的一端安装上垫片，然后在钢壳外滾压一个用以防止电芯晃动、固定上垫片和正极耳的环形槽，制成电芯，并测试电芯的短路情况，选取不短路的电芯作为合格电芯；
(4)将步骤(3)中所得的合格电芯插入治具中放入真空烤箱，抽真空气压至＜-100KPa，在75℃-95℃的恒温恒压条件下烘烤2H，之后向真空烤箱内充氮至气压为-35MPa—-45MPa5分钟，烘烤、充氮气循环实施，直至电芯中水含量≤200PPM；
(5)往电芯内注入13.5g-13.9g电解液，焊接正极耳与盖帽，再将盖帽与钢壳扣合密封形成成品电芯，然后清洗成品电芯外表面；
(6)将步骤(5)所得的清洁的成品电芯放置在温度为35℃-45℃的环境下活化24h-32h后，随后将清洁的成品电芯放置到化成柜内进行化成，而后将清洁的成品电芯先在温度25℃-35℃的环境下老化72h，再对电芯进行电压内阻筛选，筛选出成品电芯分容单充电压在3.6V-3.9V的电芯放在室温的环境下老化168h，制成成品圆柱硅负极锰酸锂离子电池。
7.根据权利要求6所述的圆柱硅负极锰酸锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(5)中的各项操作在环境温度为20℃-25℃、露点-45℃—-65℃的避免电芯吸水的环境中完成。
8.根据权利要求6所述的圆柱硅负极锰酸锂离子电池的制备方法，其特征在于，制备负极片时，按照负极片的原料的配方比称取原料，按以下步骤进行：
(1.11)将羧甲基纤维素钠、去离子水放入到第一双行星打浆机中，在第一双行星打浆机自转速度为20转/min、公转速度为1300转/min的条件下搅拌1.5h制成胶液；
(1.12)将步骤(1.11)中所获的胶液、硅碳、电阻率小于2Ω·m粒径45-55nm的生物质超级炭黑、电导率大于10S/cm的高导电碳纤维、水性胶黏剂、N-甲基吡咯烷酮入到第二双行星打浆机中，在第二双行星打浆机自转速度为40转/min、公转速度为1600转/min的条件下搅拌2h制成浆料；
(1.13)采用高速分散机在转速为3000转/min-3800转/min的条件下搅拌地分散步骤(1.12)所获浆料，直至浆料粘度达到3500mPa.s-7500mPa.s；
(1.14)将步骤(1.13)所获粘度达到要求的浆料按照78g/㎡-85g/㎡的面密度涂覆在6μm-9μm厚的铜箔上，烘干制成负极片；
(1.15)将烘干的负极片按照活性物1.5g/mm3-1.7g/mm3的压实密度进行滚压制成密实的负极片；
(1.16)将步骤(1.15)所获负极片分切为58mm-59.5mm宽的负极片。
9.根据权利要求8所述的圆柱硅负极锰酸锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(1.11)、(1.12)、(1.13)中的搅拌过程中通冷却水进行冷却且搅拌时抽真空至气压＜-80KPa。
10.根据权利要求6所述的圆柱硅负极锰酸锂离子电池的制备方法，其特征在于，制备正极片时，按照正极片的材料的配方比称取原料，按以下步骤进行：
(1.21)将聚偏氟乙烯、N-甲基吡咯烷酮加入到第三双行星打浆机中，在第三双行星打浆机自转速度为20转/min、公转速度为1300转/min的条件下搅拌1.5h制成胶液；
(1.22)将锰酸锂、复合型碳纳米管浆料加入第四双行星打浆机中，在第四双行星打浆机自转速度为30转/min、公转速度为1000转/min的条件下搅拌1h制成浆料；
(1.23)将步骤(1.22)所获胶液、N-甲基吡咯烷酮加入第四双行星打浆机中与浆料混合，在第四双行星打浆机自转速度为40转/min、公转速度为1600转/min的条件下搅拌2h制成混合浆料；
(1.24)采用高速分散机在转速为3000转/min-3800转/min的条件下，搅拌地分散步骤(1.23)获得的混合浆料，直至粘度达到4500mPa.s-8500mPa.s；
(1.25)将步骤(1.24)所获粘度达到要求的混合浆料按照170g/㎡-180g/㎡的表面密度涂覆在12μm-18μm厚的铝箔上，烘干制成正极片；
(1.26)将步骤(1.25)所获正极片按照活性物3.0g/mm3-3.2g/mm3的压实密度进行混压制成密实的正极片；
(1.27)将步骤(1.26)所获的密实的正极片分切为56mm-58mm宽的正极片。
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