CN112993412A - 一种高性能磷酸铁锂电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能磷酸铁锂电池的制备方法，包括以下步骤：将钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料掺杂到磷酸铁锂材料中，作为正极活性物质，制备出正极片；将正极片、负极片、隔离膜通过卷绕、组装、烘烤、注电解液液、封装制备出电芯；电芯经充电到钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料的上限电压进行化成之后可制备得到高性能磷酸铁锂电池；本发明通过优化正极材料配方，提高正极涂层的容量发挥、增加涂层导电性、提升涂层压实密度，且通过特殊化成流程实现首次补锂，适当降低了正负材料的平衡比，从而达到提高电芯能量密度的目的。

Description

一种高性能磷酸铁锂电池的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池制备技术领域，具体涉及一种高性能磷酸铁锂电池的制备方法。
背景技术
锂离子电池作为一种绿色环保电池，具有高能量密度、高工作电压、高安全性能和长使用寿命等优点。这里主要是提升磷酸铁锂电芯的能量密度。
在目前，锂离子电芯使用的磷酸铁锂正极材料虽然成本低、安全性高，但能量密度受限，所以磷铁产品的用途也相应受限。因此提高磷酸铁锂的能量密度势在必行。目前常规的思路是要么增加正极涂布重量，要么提高正极压实密度，或者降低电解液重量，更或者使用更薄的基材，然而这些方面都差不多达到了材料的极限，且都有一定程度的牺牲其他方面的电性能或安全性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能磷酸铁锂电池的制备方法，通过优化正极材料配方，提高正极涂层的容量发挥、增加涂层导电性、提升涂层压实密度，且通过特殊化成流程实现首次补锂，适当降低了正负材料的平衡比，从而达到提高电芯能量密度的目的。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高性能磷酸铁锂电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料掺杂到磷酸铁锂材料中，作为正极活性物质，制备出正极片；
(2)将正极片、负极片、隔离膜通过卷绕、组装、烘烤、注电解液液、封装制备出电芯；
(3)电芯经化成之后可制备得到高性能磷酸铁锂电池；所述化成步骤中，电芯需充电到钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料的上限电压，保证混掺材料中多余的锂离子可以释放出来，提升磷酸铁锂中锂离子的含量。
进一步地，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3-1)电芯静置；
(3-2)使用0.02～0.1的充电倍率对电芯进行充电到3.3V～3.5V；
(3-3)静置；
(3-4)使用0.1～0.5的充电倍率对电芯进行充电到4.0V～4.6V；
(3-5)静置；
(3-6)使用0.1～0.5的放电倍率对电芯进行放电到2.0～2.5V；
(3-7)静置；
(3-8)使用0.1～0.5的充电倍率对电芯进行充电到3.2～3.4V；
(3-9)静置。
所述步骤(3)中，静置的时间均为3～10min。
进一步地，所述钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料的颗粒D50在3～6um。
所述磷酸铁锂材料的颗粒D50在0.5～1.2um。
所述钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料的用量为磷酸铁锂材料的1～10％。
所述正极片上涂覆的磷酸铁锂材料、钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料、导电剂、粘结剂的量分别为91～93.5％、2.0～4.5％、1.5％、3.0％。
所述负极片以石墨材料为活性材料制备得到。
本发明还提供了所述的制备方法制备得到的高性能磷酸铁锂电池，其具有较高的能量密度。
本发明通过优选小颗粒的钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料，然后混掺到磷酸铁锂材料中作为正极活性物质，经验证，混掺后的正极材料具有高容量发挥和高压密能力，通过特殊的化成工艺与在首次充电时起到补锂的作用；这是因为钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料真密度高，可以达到更高的压实密度；同时这两类混掺材料较磷酸铁锂具有更高的导电性，同时又具有容量值，所以可以适当降低常规配方的导电剂的用量。
本发明通过特殊的化成工艺，充电到混掺材料的上限电压，可以将混掺材料的锂完全释放出来用于形成SEI膜，而不会造成磷酸铁锂材料中锂的损失；该方法不仅提高了电池的能量密度，还提高了材料的压实密度，其压实密度可以提高0.02～0.1个点；增加了正极材料的导电性。该制备方法操作简单、易行、可量产。
附图说明
图1为实施例1及对比例1中的1Ah软包电池的体积能量密度图；
图2为实施例2及对比例2中的40Ah硬壳电池的体积能量密度图；
图3为实施例1及对比例1中的1Ah软包电池的循环数据图；
图4为实施例2及对比例2中的40Ah硬壳电池的循环数据图。
具体实施方式
以下各实例及对比例中的铝箔、铝箔、电解液的组成、N-甲基吡咯烷酮的加入量、去离子水的加入量均保持完全一致。
钴酸锂材料、镍钴锰酸锂材料的颗粒D50在3～6um。
磷酸铁锂材料的颗粒D50在0.5～1.2um。
实例1[磷酸铁锂混掺钴酸锂]
使用质量比为93.5％的磷酸铁锂加2％钴酸锂正极主材与质量比为95％的石墨负极主材，做成1Ah软包电池，正极极片做压密窗口，做成全电芯后测试容量值，再随机选用1ea样品做循环测试。
其中1Ah软包制作流程为：
1、将质量比为93.5％磷酸铁锂正极主材、2％钴酸锂正极材料、1.5％导电碳黑、3％聚偏氟乙烯等加入搅拌罐中，再加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，然后进行高速搅拌制成正极浆料；
2、将步骤1中以单元重量为280±10g/1540.25mm2所述的正极浆料涂覆在12±1um厚的铝箔上，然后进行100±5℃烘烤、辊压，裁片，制成正极极片。
3、将质量比95％石墨、2％导电碳黑、1.5％丁苯橡胶、1.5％羧甲基纤维素钠等加入搅拌罐中，再加入去离子水，然后进行高速搅拌制成负极浆料；
4、将步骤3中以单元重量为160±8g/1540.25mm2所述的负极浆料涂覆在8±1um厚的铜箔上，然后进行95±5℃烘烤、辊压，裁片，制成负极极片。
5、将正负极极片和隔离膜通过卷绕、组装、90±5℃下烘烤、注入4±0.3g电解液、封装、化成等工序做成软包电芯。
6、正极极片做压密窗口，最大可以做到2.58kg/m3的压实密度；软包电芯化成后测试容量值和称重，计算得出能量密度数据，能量密度均值在169.8Wh/L，相对于对比例1提高1.47％；再随机选用1ea样品做常温循环测试；循环数据与对比例1电芯几乎一致。
该例中化成详细流程如下：
(1)电芯静置5min；
(2)使用0.1A对电芯进行恒流充电到3.4V；
(3)静置5min；
(4)使用0.5A对电芯进行恒流充电到4.3V；
(5)静置5min；
(6)使用0.5A对电芯进行恒流放电到2.5V；
(7)静置5min；
(8)使用0.1A对电芯进行恒流充电到3.2V；
(9)静置5min。
实例2[磷酸铁锂混掺镍钴锰酸锂]
使用质量比为91％的磷酸铁锂加4.5％镍钴锰酸锂正极主材与质量比为95％的石墨负极主材，做成40Ah硬壳电池，正极极片做压密窗口，做成全电芯后测试容量值，再随机选用3ea样品做循环测试。
其中40Ah硬壳制作流程为：
1、将质量比为91％磷酸铁锂加4.5％镍钴锰酸锂正极主材、1.5％导电碳黑、3％聚偏氟乙烯等加入搅拌罐中，再加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，然后进行高速搅拌制成正极浆料；
2、将步骤1中以单元重量为280±10g/1540.25mm2所述的正极浆料涂覆在12±1um厚的铝箔上，然后进行100±5℃烘烤、辊压，裁片，制成正极极片。
3、将质量比95％石墨、2％导电碳黑、1.5％丁苯橡胶、1.5％羧甲基纤维素钠等加入搅拌罐中，再加入去离子水，然后进行高速搅拌制成负极浆料；
4、将步骤3中以单元重量为160±8g/1540.25mm2所述的负极浆料涂覆在8±1um厚的铜箔上，然后进行95±5℃烘烤、辊压，裁片，制成负极极片。
5、将正负极极片和隔离膜通过卷绕、组装、90±5℃下烘烤、注150±0.5g电解液液、封装、化成等工序做成硬壳电芯。
6、正极极片做压密窗口，最大可以做到2.52kg/m3的压实密度；硬壳电芯化成后测试容量值和称重，计算得出能量密度数据，能量密度均值在361.6Wh/L，将对比例2提高1.11％；较正常再随机选用1ea样品做常温循环测试，循环数据较对比例2电芯较好。
该例中化成详细流程如下：
(1)电芯静置5min；
(2)使用2A对电芯进行恒流充电到3.4V；
(3)静置5min；
(4)使用8A对电芯进行恒流充电到4.2V；
(5)静置5min；
(6)使用20A对电芯进行恒流放电到2.5V；
(7)静置5min；
(8)使用8A对电芯进行恒流充电到3.2V；
(9)静置5min。
对比例1[纯磷酸铁锂-软包]
使用质量比为95.5％的磷酸铁锂正极主材与质量比为95％的石墨负极主材，做成1Ah软包电池，正极极片做压密窗口，做成全电芯后测试容量值，再随机选用3ea样品做循环测试。
其中1Ah软包制作流程为：
1、将质量比为95.5％磷酸铁锂正极主材、1.5％导电碳黑、3％聚偏氟乙烯等加入搅拌罐中，再加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，然后进行高速搅拌制成正极浆料；
2、将步骤1中以单元重量为280±10g/1540.25mm2所述的正极浆料涂覆在12±1um厚的铝箔上，然后进行100±5℃烘烤、辊压，裁片，制成正极极片。
3、将质量比95％石墨、2％导电碳黑、1.5％丁苯橡胶、1.5％羧甲基纤维素钠等加入搅拌罐中，再加入去离子水，然后进行高速搅拌制成负极浆料；
4、将步骤3中以单元重量为160±8g/1540.25mm2所述的负极浆料涂覆在8±1um厚的铜箔上，然后进行95±5℃烘烤、辊压，裁片，制成负极极片。
5、将正负极极片和隔离膜通过卷绕、组装、90±5℃下烘烤、注4±0.3g电解液液、封装、化成等工序做成软包电芯。
6、正极极片做压密窗口，最大可以做到2.5kg/m3的压实密度；软包电芯化成后测试容量值和称重，计算得出能量密度数据，能量密度均值在167.3Wh/L；再随机选用1ea样品做常温循环测试。
该例中化成详细流程如下：
(1)电芯静置5min；
(2)使用0.05A对电芯进行恒流充电到0.5h；
(3)静置5min；
(4)使用0.2A对电芯进行恒流充电到2.5h；
(5)静置5min。
对比例2[纯磷酸铁锂-硬壳]
使用质量比为95.5％的磷酸铁锂正极主材与质量比为95％的石墨负极主材，做成40Ah硬壳电池，正极极片做压密窗口，做成全电芯后测试容量值，再随机选用3ea样品做循环测试。
其中40Ah硬壳制作流程为：
1、将质量比为95％磷酸铁锂正极主材、1.5％导电碳黑、3％聚偏氟乙烯等加入搅拌罐中，再加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，然后进行高速搅拌制成正极浆料；
2、将步骤1中以单元重量为280±10g/1540.25mm2所述的正极浆料涂覆在12±1um厚的铝箔上，然后进行100±5℃烘烤、辊压，裁片，制成正极极片。
3、将质量比95％石墨、2％导电碳黑、1.5％丁苯橡胶、1.5％羧甲基纤维素钠等加入搅拌罐中，再加入去离子水，然后进行高速搅拌制成负极浆料；
4、将步骤3中以单元重量为160±8g/1540.25mm2所述的负极浆料涂覆在8±1u m厚的铜箔上，然后进行95±5℃烘烤、辊压，裁片，制成负极极片。
5、将正负极极片和隔离膜通过卷绕、组装、90±5℃下烘烤、注150±0.5g电解液液、封装、化成等工序做成硬壳电芯。
6、正极极片做压密窗口，最大可以做到2.46kg/m3的压实密度；硬壳电芯化成后测试容量值和称重，计算得出能量密度数据，能量密度均值在357.6Wh/L；再随机选用3ea样品做常温循环测试。
该例中化成详细流程如下：
(1)电芯静置5min；
(2)使用2A对电芯进行恒流充电到0.5h；
(3)静置5min；
(4)使用4A对电芯进行恒流充电到2.5h；
(5)静置5min。
上述参照实施例对一种高性能磷酸铁锂电池的制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高性能磷酸铁锂电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料掺杂到磷酸铁锂材料中，作为正极活性物质，制备出正极片；
(2)将正极片、负极片、隔离膜通过卷绕、组装、烘烤、注电解液液、封装制备出电芯；
(3)电芯经化成之后可制备得到高性能磷酸铁锂电池；所述化成步骤中，电芯需充电到钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料的上限电压。
2.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3-1)电芯静置；
(3-2)使用0.02～0.1的充电倍率对电芯进行充电到3.3V～3.5V；
(3-3)静置；
(3-4)使用0.1～0.5的充电倍率对电芯进行充电到4.0V～4.6V；
(3-5)静置；
(3-6)使用0.1～0.5的放电倍率对电芯进行放电到2.0～2.5V；
(3-7)静置；
(3-8)使用0.1～0.5的充电倍率对电芯进行充电到3.2～3.4V；
(3-9)静置。
3.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，所述钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料的颗粒D50在3～6um。
4.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，所述磷酸铁锂材料的颗粒D50在0.5～1.2um。
5.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，所述钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料的用量为磷酸铁锂材料的1～10％。
6.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，所述正极片上涂覆的磷酸铁锂材料、钴酸锂材料或镍钴锰酸锂材料、导电剂、粘结剂的量分别为91～93.5％、2.0～4.5％、1.5％、3.0％。
7.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，所述负极片以石墨材料为活性材料制备得到。
8.根据权利要求2所述的的制备方法，其特征在于，所述静置的时间均为3～10min。
9.如权利要求1-8任意一项所述的制备方法制备得到的高性能磷酸铁锂电池。
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