CN114447440A - 一种低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池及其制造方法,从增加低温放电性能以及提升高倍率放电性能两方面实现。提升低温性能的实现方法是:硬碳+纳米磷酸铁锂+低温高锂离子迁移率电解液。增加倍率性能的实现方法是:厚集流体+CNT导电剂+低温高离子迁移率电解液+低极片面密度+多、宽极耳。本发明磷酸铁锂电池具有低温放电性能优异,倍率性能优异,电压平台稳定,循环性能好等优点。本发明制备工艺简单,加工条件较易控制,适合工业化生产,可作为理想的高性能磷酸铁锂电池。
Description
技术领域
本发明属于储能电池及其制备和应用领域,特别涉及一种低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池及其制造方法。
背景技术
从20世纪90年代初期成功商业化应用以来,锂离子电池得到快速发展,不仅在手提电子设备领域占据统治地位,而且它们的应用已经扩展到插电式混合动力汽车(PHEVs)、纯电动汽车(EVs)和大规模储能电站。锂离子电池在这些新型领域的大规模应用迫切的需要提高材料能量密度、倍率性能和低温性能来巩固自身优势。
现有的正极材料中,磷酸盐类材料由于具有结构稳定、安全性能优异、循环寿命长等优点而倍受关注。目前应用较为广泛的是磷酸铁锂(LiFePO4)材料。与传统的锂离子电池正极材料相比,具有原料资源丰富、成本低、对环境无污染、循环性能佳、热稳定性和安全性能突出等优点,成为当今动力电池、储能电池领域和产业开发的锂离子电池理想正极材料。由于LiFePO4的晶体结构导致较低的电子导电率和锂离子扩散速率,所以LiFePO4材料的倍率性能和低温性能较差,从而使其市场应用受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池及其制造方法,以该方法制造的锂离子电池,在兼顾磷酸铁锂电池低成本、热稳定、循环寿命长等优点的同时,也有出色的低温和高倍率放电特性。由于兼顾诸多优异性能,可以在很多对安全性和稳定性要求较高的场合使用,这极大地拓展了磷酸铁锂电池的应用前景。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池制造方法,包括以下步骤:
1)制备浆料:将纳米磷酸铁锂材料、CNT导电剂、石墨烯导电剂、PVDF粘结剂按照(90-95):1:1:(3-8)的质量比投放于行星搅拌机中,以N-甲基吡咯烷酮为溶剂,搅拌10-12h,制备出正极浆料;将硬碳、羧甲基纤维素钠、CNT导电剂、SBR粘结剂按照(90-93):1:(1-3):(2-5)的质量比,先后顺序投放于行星搅拌机中,以去离子水为溶剂,高速分散3-6h,制备出负极浆料;
2)正极浆料通过挤压式涂布机涂布于20-25μm厚的铝箔上,并在100℃下真空烘烤10-12h,其涂布面密度为200-260g·m-2;负极浆料通过挤压涂布机涂布于15-20μm厚的铜箔上,并在90℃下真空烘烤10-12h,负极极片的涂布面密度为其涂布面密度为100-130g·m-2;
3)正负极极片通过分条机裁切成备用极片,并分别焊接5-10条极耳,极耳宽度为10-12mm;
4)正、负极极片通过卷绕机或叠片机,与隔膜一起制备成电芯,并在固定在钢壳或铝塑膜之中后,置于真空烘箱中,90℃烘烤10-12h;
5)电芯密闭转移到手套箱中,注入适量低温电解液;
6)静置10-20min后完成电芯的后续封口、清洗工作;
7)对密封完成的电芯进行化成、老化、分容后续工作。
所述纳米磷酸铁锂正极材料的一次颗粒直径为100-200nm,正极集流体为20-25μm的铝箔,负极集流体为15-20μm的铜箔。
所述低温电解液的溶剂为羧酸酯类溶剂,溶质为LiPF6和LiClO4。
所述低温电解液的加入量为(2-5)g/Ah,低温电解液中EA、MP、LiPF6、LiClO4的质量比为(60-80):(25-50):(14-20):1。
所述负极浆料的固含量质量百分比为30%-60%。
上述的制造方法得到的低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池。
本发明的有益效果是:本发明磷酸铁锂电池具有低温放电性能优异,倍率性能优异,电压平台稳定,循环性能好等优点。本发明制备工艺简单,加工条件较易控制,适合工业化生产,可作为理想的高性能磷酸铁锂电池。
附图说明
图1是本发明实施例1的14500型圆柱磷酸铁锂电池的正负极极片结构示意图(图中,1为极耳,2为极片);
图2是本发明实施例1的14500型圆柱磷酸铁锂电池在3C,-20℃(曲线1)和25℃(曲线2)条件下的充放电曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,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。
本发明的低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池制造方法,包括以下步骤:
1)制备浆料:将纳米磷酸铁锂材料、CNT导电剂、石墨烯导电剂、PVDF粘结剂按照(90-95):1:1:(3-8)的质量比投放于行星搅拌机中,以N-甲基吡咯烷酮为溶剂,搅拌10-12h,制备出正极浆料;将硬碳、羧甲基纤维素钠、CNT导电剂、SBR粘结剂按照(90-93):1:(1-3):(2-5)的质量比,先后顺序投放于行星搅拌机中,以去离子水为溶剂,高速分散3-6h,制备出负极浆料;
2)正极浆料通过挤压式涂布机涂布于20-25μm厚的铝箔上,并在100℃下真空烘烤10-12h,其涂布面密度为200-260g·m-2;负极浆料通过挤压涂布机涂布于15-20μm厚的铜箔上,并在90℃下真空烘烤10-12h,负极极片的涂布面密度为其涂布面密度为100-130g·m-2;
3)正负极极片通过分条机裁切成备用极片,并分别焊接5-10条极耳,极耳宽度为10-12mm;
4)正、负极极片通过卷绕机或叠片机,与隔膜一起制备成电芯,并在固定在钢壳或铝塑膜之中后,置于真空烘箱中,90℃烘烤10-12h;
5)电芯密闭转移到手套箱中,注入适量低温电解液;
6)静置10-20min后完成电芯的后续封口、清洗工作;
7)对密封完成的电芯进行化成、老化、分容后续工作。
所述纳米磷酸铁锂正极材料的一次颗粒直径为100-200nm,正极集流体为20-25μm的铝箔,负极集流体为15-20μm的铜箔。
所述低温电解液的溶剂为羧酸酯类溶剂,溶质为LiPF6和LiClO4。
所述低温电解液的加入量为(2-5)g/Ah,低温电解液中EA、MP、LiPF6、LiClO4的质量比为(60-80):(25-50):(14-20):1。
所述负极浆料的固含量质量百分比为30%-60%。
上述的制造方法得到的低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池。
本发明的磷酸铁锂电池制造方法,从增加低温放电性能以及提升高倍率放电性能两方面实现。提升低温性能的实现方法是:负极采用硬碳,正极采用纳米磷酸铁锂,电解液采用在低温下具有高锂离子迁移率电解液。增加倍率性能的的实现方法是:正负极采用厚集流体,导电剂采用CNT(碳纳米管)和石墨烯导电剂,电解质采用在低温具有较高锂离子电解能力的电解液,同时降低极片面密度,极片采用多、宽极耳设计以降低内阻性能。
低温下,锂离子电池中的电解液流动性会变差,严重制约了其中锂离子的传输,高倍率下,极片中的欧姆电阻也会导致电荷传递受阻,这些因素使得电池极化增大,严重影响电池放电能力。硬碳、纳米磷酸铁锂可以降低锂离子的传输阻力。CNT导电剂、多、宽极耳可以降低极片中电荷的传导阻力。低极片面密度、高离子迁移率电解液有利于锂离子的快速传输。低温电解液在较低温度下仍能保持较高的流动性,有利于低温下锂离子的传输。
所述纳米磷酸铁锂正极材料的一次颗粒直径为100-200nm,正极集流体为20-25μm的铝箔,负极集流体为15-20μm的铜箔,低温电解液的溶剂为具有更低熔点的羧酸酯类溶剂(如EA、MP等),溶质为有较高电解能力的LiPF6、LiClO4等。
实施例1
本实施例包括以下步骤:
(1)将950g纳米磷酸铁锂材料、10gCNT导电剂、10g石墨烯导电剂以及30g PVDF粘结剂投放于行星搅拌机中,加入1174g N-甲基吡咯烷酮作为溶剂,高速搅拌12h,制备出正极浆料。将930g硬碳、10g羧甲基纤维素钠(CMC)、30g CNT导电剂、30g SBR粘结剂按照先后顺序投放于行星搅拌机中,以2200g去离子水为溶剂,高速搅拌6h,制备出负极浆料;
(2)将正极浆料通过挤压式涂布机涂布于20μm厚的铝箔上,并在100℃下真空烘烤12h,其涂布面密度为200g·m-2。将负极浆料通过挤压涂布机涂布于16μm厚的铜箔上,并在90℃下真空烘烤12h,负极极片的涂布面密度为其涂布面密度为100g·m-2;
(3)将正负极极片通过分条机裁切成备用极片,正极极片的大小为38mm*380mm,负极极片的大小为40mm*400mm,对正负极极片分别焊接5条12mm宽的极耳,其中正极极耳材质为铝,负极极耳的材质为镍;
(4)将正负极极片通过卷绕机,与隔膜一起制备成电芯,并通过点焊机将负极极耳焊接在钢壳之中后,置于真空烘箱中,90℃烘烤12h;
(5)将电芯密闭转移到手套箱中,注入3g低温电解液,其中,EA、MP、LiPF6与LiClO4的含量分别为60%、25%、14.25%与0.75%。
(6)静置20min后完成电芯的后续封口、清洗等工作;
对密封完成的电芯进行化成、老化、分容等后续工作。
图1是本发明实施例1的14500型圆柱磷酸铁锂电池的正负极极片结构示意图。图中,1为极耳,2为极片。
图2是本发明实施例1的14500型圆柱磷酸铁锂电池在3C,-20℃(曲线1)和25℃(曲线2)条件下的充放电曲线图。电压窗口:2.5~3.65V。该电池可以实现-20条件下3C放电,且低温放电容量发挥到室温的80%,具有良好的低温和倍率性能。
实施例2
(1)将940g纳米磷酸铁锂材料、10g CNT导电剂、10g石墨烯导电剂以及40g PVDF粘结剂投放于行星搅拌机中,加入1100g N-甲基吡咯烷酮作为溶剂,高速搅拌10h,制备出正极浆料。将940g硬碳、20g羧甲基纤维素钠(CMC)、30g CNT导电剂、30g SBR粘结剂按照先后顺序投放于行星搅拌机中,以2200g去离子水为溶剂,高速搅拌5h,制备出负极浆料;
(2)将正极浆料通过挤压式涂布机涂布于16μm厚的铝箔上,并在100℃下真空烘烤12h,其涂布面密度为220g·m-2。将负极浆料通过挤压涂布机涂布于16μm厚的铜箔上,并在90℃下真空烘烤12h,负极极片的涂布面密度为其涂布面密度为110g·m-2;
(3)将正负极极片通过分条机裁切成备用极片,正极极片的大小为60mm*800mm,负极极片的大小为62mm*820mm,对正负极极片分别焊接8条12mm宽的极耳,其中正极极耳材质为铝,负极极耳的材质为镍;
(4)将正负极极片通过卷绕机,与隔膜一起制备成电芯,并通过点焊机将负极极耳焊接在钢壳之中后,置于真空烘箱中,90℃烘烤12h;
(5)将电芯密闭转移到手套箱中,注入7g低温电解液,其中,EA、MP、LiPF6与LiClO4的含量分别为50%、35%、14.25%与0.75%。
(6)静置20min后完成电芯的后续封口、清洗等工作;
(7)对密封完成的电芯进行化成、老化、分容等后续工作。
该电池可以实现-20条件下5C放电,且低温放电容量发挥到室温的75%,具有优异的低温和倍率性能。
实施例3
(1)将930g纳米磷酸铁锂材料、10gCNT导电剂、10g石墨烯导电剂以及50g PVDF粘结剂投放于行星搅拌机中,加入1170g N-甲基吡咯烷酮作为溶剂,高速搅拌10h,制备出正极浆料。将950g硬碳、20g羧甲基纤维素钠(CMC)、30g CNT导电剂、30g SBR粘结剂按照先后顺序投放于行星搅拌机中,以2200g去离子水为溶剂,高速搅拌6h,制备出负极浆料;
(2)将正极浆料通过挤压式涂布机涂布于20μm厚的铝箔上,并在100℃下真空烘烤12h,其涂布面密度为240g·m-2。将负极浆料通过挤压涂布机涂布于16μm厚的铜箔上,并在90℃下真空烘烤12h,负极极片的涂布面密度为其涂布面密度为120g·m-2;
(3)将正负极极片通过分条机裁切成备用极片,正极极片的大小为38mm*380mm,负极极片的大小为40mm*400mm,对正负极极片分别焊接6条10mm宽的极耳,其中正极极耳材质为铝,负极极耳的材质为镍;
(4)将正负极极片通过卷绕机,与隔膜一起制备成电芯,并通过点焊机将负极极耳焊接在钢壳之中后,置于真空烘箱中,90℃烘烤12h;
(5)将电芯密闭转移到手套箱中,注入3.2g低温电解液,其中,EA、MP、LiPF6与LiClO4的含量分别为52%、33%、14.25%与0.75%。
(6)静置20min后完成电芯的后续封口、清洗等工作;
(7)对密封完成的电芯进行化成、老化、分容等后续工作。
该电池可以实现-20条件下4C放电,且低温放电容量发挥到室温的76%,具有良好的低温和倍率性能。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点,其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施,不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围,即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰,仍落在本发明的专利范围内。
Claims (6)
1.一种低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池制造方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)制备浆料:将纳米磷酸铁锂材料、CNT导电剂、石墨烯导电剂、PVDF粘结剂按照(90-95):1:1:(3-8)的质量比投放于行星搅拌机中,以N-甲基吡咯烷酮为溶剂,搅拌10-12h,制备出正极浆料;将硬碳、羧甲基纤维素钠、CNT导电剂、SBR粘结剂按照(90-93):1:(1-3):(2-5)的质量比,先后顺序投放于行星搅拌机中,以去离子水为溶剂,高速分散3-6h,制备出负极浆料;
2)正极浆料通过挤压式涂布机涂布于20-25μm厚的铝箔上,并在100℃下真空烘烤10-12h,其涂布面密度为200-260g·m-2;负极浆料通过挤压涂布机涂布于15-20μm厚的铜箔上,并在90℃下真空烘烤10-12h,负极极片的涂布面密度为其涂布面密度为100-130g·m-2;
3)正负极极片通过分条机裁切成备用极片,并分别焊接5-10条极耳,极耳宽度为10-12mm;
4)正、负极极片通过卷绕机或叠片机,与隔膜一起制备成电芯,并在固定在钢壳或铝塑膜之中后,置于真空烘箱中,90℃烘烤10-12h;
5)电芯密闭转移到手套箱中,注入适量低温电解液;
6)静置10-20min后完成电芯的后续封口、清洗工作;
7)对密封完成的电芯进行化成、老化、分容后续工作。
2.根据权利要求1所述低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池制造方法,其特征在于,所述纳米磷酸铁锂正极材料的一次颗粒直径为100-200nm,正极集流体为20-25μm的铝箔,负极集流体为15-20μm的铜箔。
3.根据权利要求1所述低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池制造方法,其特征在于,所述低温电解液的溶剂为羧酸酯类溶剂,溶质为LiPF6和LiClO4。
4.根据权利要求3所述低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池制造方法,其特征在于,所述低温电解液的加入量为(2-5)g/Ah,低温电解液中EA、MP、LiPF6、LiClO4的质量比为(60-80):(25-50):(14-20):1。
5.根据权利要求1所述低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池制造方法,其特征在于,所述负极浆料的固含量质量百分比为30%-60%。
6.如权利要求1-5任一项所述的制造方法得到的低温大倍率放电性能的磷酸铁锂电池。
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