CN114497561A - 一种用于倍率启动电池的正极导电添加剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于倍率启动电池的正极导电添加剂及其制备方法,从提升极片高倍率放电性能、提高极片散热性能以及增加活性物质分散性三方面实现。提升极片高倍率放电性能是利用镍纤维与单壁碳纳米管的超强导电特性实现的，提高极片散热性能是利用铝纤维的强大导热性实现的，增加活性物质分散性是通过添加油性分散剂实现的。本发明正极导电添加剂具有优异的导电性能、导热性能以及分散性能。本发明制备工艺简单，加工条件较易控制，适合工业化生产，可作为理想的倍率启动电池的正极导电添加剂。

Description

一种用于倍率启动电池的正极导电添加剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及大倍率储能锂离子电池技术领域，尤其是一种用于倍率启动电池的正极导电添加剂及其制备方法。
背景技术
从20世纪末商业化应用以来，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，而且最近几年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。
车用大倍率启动电池在放电时的瞬间电流为300-600A,这对电池的大倍率放电有着极高的要求，目前使用较多的大倍率启动电池是铅酸电池，由于铅酸电池循环次数较低、自重以及自放电较大，因此，使用寿命更长、自重更轻、自放电更小的锂离子电池替代铅酸电池作为大倍率启动电池是大势所趋，然而，锂离子电池在超大倍率下放电时也面临着许多尚未很好解决的问题，例如，大倍率放电时电池寿命降低，大倍率放电时电池发热量增加进而影响安全性等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于倍率启动电池的正极导电添加剂及其制备方法，增加极片高倍率放电性能、提高极片散热性能以及增加活性物质分散性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于倍率启动电池的正极导电添加剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镍纤维、铝纤维、单壁碳纳米管和PVP按照(2～4):(2～4):1:(1～2)的质量比例投放于行星搅拌机中，在搅拌线速度2～5m·s-1的转速下搅拌30min，得到混合干粉；
(2)按照质量百分比，向混合干粉中添加N-甲基吡咯烷酮，控制浆料的固含量为60％～70％，之后以搅拌线速度6～8m·s-1、分散线速度13～18m·s-1的转速下分散30～60min，得到导电添加剂浆料；
(3)向导电添加剂浆料中添加N-甲基吡咯烷酮，进一步降低浆料固含量为40％～50％，并在搅拌线速度10～13m·s-1、分散线速度18～20m·s-1的转速下分散120～150min，得到用于倍率启动电池的正极导电添加剂。
所述镍纤维的直径为2～5μm，铝纤维的直径为1～3μm，单壁碳纳米管的直径为0.6～2μm，油性分散剂为分子量20000～30000的聚乙烯吡咯烷酮。
所述的制备方法制得的用于倍率启动电池的正极导电添加剂。
本发明的有益效果是：使用本发明的导电添加剂的锂离子电池，在兼顾锂离子电池低成本、能量密度高、循环寿命长等优点的同时，也有出色的高倍率放电特性，使得锂离子电池可以替代传统的铅蓄电池作为汽车启动电池使用。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车辆中使用，这极大地拓展了锂电池的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的高倍率型磷酸铁锂正极极片所制备的全电池在不同倍率下的放电容量图。
图2是本发明实施例1的高倍率型磷酸铁锂正极极片所制备的全电池在10C大倍率下的放电曲线图。
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。
本发明的用于倍率启动电池的正极导电添加剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镍纤维、铝纤维、单壁碳纳米管和PVP按照(2～4):(2～4):1:(1～2)的质量比例投放于行星搅拌机中，在搅拌线速度2～5m·s-1的转速下搅拌30min，得到混合干粉；
(2)按照质量百分比，向混合干粉中添加N-甲基吡咯烷酮，控制浆料的固含量为60％～70％，之后以搅拌线速度6～8m·s-1、分散线速度13～18m·s-1的转速下分散30～60min，得到导电添加剂浆料；
(3)向导电添加剂浆料中添加N-甲基吡咯烷酮，进一步降低浆料固含量为40％～50％，并在搅拌线速度10～13m·s-1、分散线速度18～20m·s-1的转速下分散120～150min，得到用于倍率启动电池的正极导电添加剂。
所述镍纤维的直径为2～5μm，铝纤维的直径为1～3μm，单壁碳纳米管的直径为0.6～2μm，油性分散剂为分子量20000～30000的聚乙烯吡咯烷酮。
所述的制备方法制得的用于倍率启动电池的正极导电添加剂。
本发明中油性分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。本发明提升极片高倍率放电性能是利用镍纤维与单壁碳纳米管的超强导电特性实现的，提高极片散热性能是利用铝纤维的强大导热性实现的，增加活性物质分散性是通过添加油性分散剂实现的。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
将350g直径为5μm的镍纤维、350g直径为3μm的铝纤维、100g直径为2μm的单壁碳纳米管和200g分子量为30000的PVP依次缓慢投放于行星搅拌机中，以搅拌线速度3m·s-1的转速搅拌30min；向前述混合干粉中添加539g NMP溶剂，之后以搅拌线速度为5m·s-1，分散线速度为15ms-1的转速搅拌30min；向前述导电添加剂浆料中添加683g NMP，进一步降低浆料固含量为45％，并以搅拌线速度为10m·s-1，分散线速度为2m·s-1的转速下分散120min，得到适用于倍率启动电池的正极导电添加剂。
将920g纳米磷酸铁锂材料、60g导电添加剂、20g PVDF粘结剂依次投放于行星搅拌机中，以1200g N-甲基吡咯烷酮为溶剂，以搅拌线速度为10m·s-1，分散线速度为20m·s-1的转速分散12h，制备出正极浆料；将正极浆料通过挤压式涂布机涂布于20μm厚的铝箔上，并在110℃下真空烘烤12h，得到高倍率型磷酸铁锂正极极片，其涂布面密度为310g·m-2。
将正极极片制备扣式半电池，并测试其电化学性能。
图1是本发明实施例1的高倍率型磷酸铁锂正极极片(折线1)与普通磷酸铁锂极片(折线2)在不同倍率下的放电容量对比图，在15C的高倍率下，添加本发明的高倍率型磷酸铁锂正极极片的放电容量是0.2C时放电容量的71％，远高于普通磷酸铁锂极片的52％。
图2是本发明实施例1的高倍率型磷酸铁锂正极极片在15C，25℃条件下的充放电曲线图。使用本发明的磷酸铁锂极片在15C的高倍率下仍有优异的充放电电压平台。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
将350g直径为3μm的镍纤维、350g直径为1μm的铝纤维、100g直径为0.8μm的单壁碳纳米管和200g分子量为20000的PVP依次缓慢投放于行星搅拌机中，以搅拌线速度3m·s-1的转速搅拌30min；向前述混合干粉中添加550g NMP溶剂，之后以搅拌线速度为6m·s-1，分散线速度为15ms-1的转速搅拌30min；向前述导电添加剂浆料中添加680g NMP，进一步降低浆料固含量为43％，并以搅拌线速度为10m·s-1，分散线速度为2m·s-1的转速下分散120min，得到适用于倍率启动电池的正极导电添加剂。
将940g镍钴锰酸锂正极材料、40g导电添加剂、20g PVDF粘结剂依次投放于行星搅拌机中，以667g N-甲基吡咯烷酮为溶剂，在浆料固含量为60％的条件下，以搅拌线速度为12m·s-1，分散线速度为25m·s-1的转速下分散12h，制备出镍钴锰酸锂正极浆料；将正极浆料通过挤压式涂布机涂布于20μm厚的铝箔上，并在110℃下真空烘烤10h，得到高倍率型镍钴锰酸锂正极极片，其涂布面密度为450g·m-2。
将正极极片制备扣式半电池，并测试其电化学性能。在20C的高倍率下，添加本发明的高倍率型磷酸铁锂正极极片的放电容量是0.2C时放电容量的76％。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
将350g直径为3μm的镍纤维、350g直径为1μm的铝纤维、100g直径为0.8μm的单壁碳纳米管和200g分子量为20000的PVP依次缓慢投放于行星搅拌机中，以搅拌线速度3m·s-1的转速搅拌30min；向前述混合干粉中添加550gNMP溶剂，之后以搅拌线速度为6m·s-1，分散线速度为15ms-1的转速搅拌30min；向前述导电添加剂浆料中添加680g NMP，进一步降低浆料固含量为43％，并以搅拌线速度为10m·s-1，分散线速度为2m·s-1的转速下分散120min，得到适用于倍率启动电池的正极导电添加剂。
将940g锰酸锂正极材料、40g导电添加剂、20g PVDF粘结剂依次投放于行星搅拌机中，以786g N-甲基吡咯烷酮为溶剂，在浆料固含量为56％的条件下，以搅拌线速度为12m·s-1，分散线速度为25m·s-1的转速下分散12h，制备出锰酸锂正极浆料；将正极浆料通过挤压式涂布机涂布于20μm厚的铝箔上，并在110℃下真空烘烤10h，得到高倍率型锰酸锂正极极片，其涂布面密度为360g·m-2。
将正极极片制备扣式半电池，并测试其电化学性能。在20C的高倍率下，添加本发明的高倍率型磷酸铁锂正极极片的放电容量是0.2C时放电容量的70％。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
将350g直径为5μm的镍纤维、350g直径为2μm的铝纤维、100g直径为1μm的单壁碳纳米管和200g分子量为30000的PVP依次缓慢投放于行星搅拌机中，以搅拌线速度3m·s-1的转速搅拌30min；向前述混合干粉中添加550g NMP溶剂，之后以搅拌线速度为6m·s-1，分散线速度为15m s-1的转速搅拌30min；向前述导电添加剂浆料中添加680g NMP，进一步降低浆料固含量为43％，并以搅拌线速度为10m·s-1，分散线速度为2m·s-1的转速下分散120min，得到适用于倍率启动电池的正极导电添加剂。
将940g磷酸铁锂正极材料、40g导电添加剂、20g PVDF粘结剂依次投放于行星搅拌机中，以1200g N-甲基吡咯烷酮为溶剂，在浆料固含量为45％的条件下，以搅拌线速度为12m·s-1，分散线速度为25m·s-1的转速下分散12h，制备出锰酸锂正极浆料；将正极浆料通过挤压式涂布机涂布于20μm厚的铝箔上，并在110℃下真空烘烤10h，得到高倍率型磷酸铁锂正极极片，其涂布面密度为340g·m-2。
将正极极片制备扣式半电池，并测试其电化学性能。在15C的高倍率下，添加本发明的高倍率型磷酸铁锂正极极片的放电容量是0.2C时放电容量的66％。
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 (3)

1.一种用于倍率启动电池的正极导电添加剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将镍纤维、铝纤维、单壁碳纳米管和PVP按照(2～4):(2～4):1:(1～2)的质量比例投放于行星搅拌机中，在搅拌线速度2～5m·s-1的转速下搅拌30min，得到混合干粉；
(2)按照质量百分比，向混合干粉中添加N-甲基吡咯烷酮，控制浆料的固含量为60％～70％，之后以搅拌线速度6～8m·s-1、分散线速度13～18m·s-1的转速下分散30～60min，得到导电添加剂浆料；
(3)向导电添加剂浆料中添加N-甲基吡咯烷酮，进一步降低浆料固含量为40％～50％，并在搅拌线速度10～13m·s-1、分散线速度18～20m·s-1的转速下分散120～150min，得到用于倍率启动电池的正极导电添加剂。
2.根据权利要求1所述用于倍率启动电池的正极导电添加剂的制备方法，其特征在于，所述镍纤维的直径为2～5μm，铝纤维的直径为1～3μm，单壁碳纳米管的直径为0.6～2μm，油性分散剂为分子量20000～30000的聚乙烯吡咯烷酮。
3.如权利要求1或2所述的制备方法制得的用于倍率启动电池的正极导电添加剂。
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