CN115084562A - 一种氟化碳基金属锂电池及其制造方法 - Google Patents

一种氟化碳基金属锂电池及其制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115084562A
CN115084562A CN202210690540.1A CN202210690540A CN115084562A CN 115084562 A CN115084562 A CN 115084562A CN 202210690540 A CN202210690540 A CN 202210690540A CN 115084562 A CN115084562 A CN 115084562A
Authority
CN
China
Prior art keywords
battery
lithium
positive
positive electrode
carbon fluoride
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210690540.1A
Other languages
English (en)
Inventor
刘琨
王煊军
尚敦敏
苏敏
宋树波
苏星海
陈敬敏
颜家丽
周桂花
白令海
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guizhou Jinghui Technology Co ltd
Original Assignee
Guizhou Jinghui Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guizhou Jinghui Technology Co ltd filed Critical Guizhou Jinghui Technology Co ltd
Priority to CN202210690540.1A priority Critical patent/CN115084562A/zh
Publication of CN115084562A publication Critical patent/CN115084562A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/5835—Comprising fluorine or fluoride salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/06—Electrodes for primary cells
    • H01M4/08—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • H01M4/623—Binders being polymers fluorinated polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/626—Metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14—Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/16—Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14—Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/16—Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte
    • H01M6/162—Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte characterised by the electrolyte
    • H01M6/166—Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte characterised by the electrolyte by the solute
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14—Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/16—Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte
    • H01M6/162—Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte characterised by the electrolyte
    • H01M6/168—Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte characterised by the electrolyte by additives

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明公开了一种宽温高能氟化碳基金属锂电池制造方法及应用。该电池包括正极、负极、隔膜、电解液、极耳和壳体组件。本发明综合采用经过能量与效能极限化处理的氟化碳基多元态复合活性物质、具有三维导电网络的多元复合导电剂、具有高导电率支撑结构的金属锂负极，以及具有降解电化学反应生成物LiF的高导电率低温电解液等措施，系统性的最大限度的解决锂氟化碳电池比容量与倍率性能相互制约等固有缺陷，实现了同电化学体系同规格电池综合性能的极大化，特别是高能量密度的情况下具有持续高倍率放电性能；通过设计改进商品化电池生产设备关键重要零部件，可大批量稳定生产宽温高能氟化碳基金属锂电池。

Description

一种氟化碳基金属锂电池及其制造方法
技术领域
本发明属于一次电池技术领域，特别涉及一种基于锂氟化碳电化学体系的宽温高能金属锂电池制造方法及应用。
背景技术
锂氟化碳电池是当今质量比能量最高的电化学体系电池(理论上为2180Wh/kg)，不仅实现电池小型化和轻质化，同时兼具安全性高、储存寿命长(＞10年)等优势，能够满足高端民用和军用电源的需求，具有极高的应用价值。
锂氟化碳电化学体系一次电池存在电压滞后、放电电势低、放电极化严重、比能量与倍率性能相互制约(“低法拉第电量”现象)等固有缺陷，严重阻碍了该电池的发展和应用，始终局限在以中、低放电率为主的仪表电子设备或医用植入电源。
突破锂氟化碳电池的大电流放电性能，实现在高能量大功率用电领域的应用，始终是国内外一直关注的研究重点。
国内研究人员为改善锂氟化碳电化学体系电池放电性能，通过各种方法对诸如制备采用新型氟化材料(氟化石墨烯、氟化炭黑等)，或对氟化碳材料进行改良，或添加高电压材料(脱锂态二次电池三元材料)，或制备专用电解液，或者采取聚吡咯涂层、单质硫、金属及氧化物包覆、碳热处理和石墨烯/SVO球磨，甚至通过电池串并以大体积大容量弥补电性能不足，不仅只是针对电池的单一方面、单一能力、单一物质，而且提升电池倍率放电能力特别是综合电性能十分有限。
公开号为CN109546105B的中国发明专利申请公开了一种功率型锂氟化碳电池及其制造方法，将富锂锰基、高镍三元或镍锰酸锂在H2SO4中加热得到的脱锂态材料，然后通过球磨和高温烧结，制备成高电压材料改性氟化碳材料。通过改良正极活性物质，虽能够提升电池的功率性能，单体电池也仅为0.7C以下，且仅依托高电压材料改性，在一定程度上会增大电池的自放电，进而影响电池的使用性能。
公开号为CN109786842A的中国发明专利申请公开了一种高安全高比能量锂/氟化碳电池制备方法，利用锂盐溶于有机溶剂或与固体聚合物复合制备得到高锂盐浓度电解液或高锂盐浓度固体聚合物电解质，组装锂/氟化碳电池。通过改良电解质，电池安全性得到一定提升，而其电池放电容量可以超出氟化碳材料的比容量极限，是在0.005C(1C＝锂氟化碳电化当量)下实现。
公开号为CN104600335A的中国发明专利申请公开了一种氟化碳基锂一次电池及其制备方法和检测方法，在非水电解液和其中添加的至少用于改善电池倍率性能的功能添加剂，从而使极片具有良好的界面性能，还具有低的电池界面电阻，提高了电解液的浸润性，改善了锂离子在界面的传输，提高氟化碳基锂一次电池的倍率性能。也是通过改良电解液，获得更好的电压平台和放电比容量，按其所述达到2C(1C＝锂氟化碳电化当量)，而其商品化电池仅为0.7C(1C＝电池标称容量)。
公开号为CN103000915A的中国发明专利申请公开了氟化碳锂一次电池及其制备方法，采用高氟含量的氟化碳材料，应用多种导电添加剂提高电极电导性，采用粘度低、流动性好、有效固液界面多电解液。仅实现了5h率(0.2C)放电，电池的重量比能量达到400Wh/kg左右、体积比能量达到700Wh/L左右。
公开号为CN105680047B的中国发明专利申请公开了一种纳米半导体修饰的锂-氟化碳电池正极材料、圆柱型电池及其制备方法，采用纳米半导体，以研磨修饰手段提升氟化石墨基正极材料的导电性，同时优化纤维化过程并结合碾压工艺得到较佳密度状态，从而改善锂-氟化碳电池存在的电池功率性和低温放电性能不佳等问题。能够提升0.5C以下电池放电容量。
公开号为CN112234202A的中国发明专利申请公开了一种高性能锂氟化碳电池及其制备方法，采用瓜尔豆胶、羧甲基壳聚糖和琼脂糖作为正极材料粘合剂，电池比能量、贮存和安全性能有所提升，但其商品化电池仅为0.7C(1C＝电池标称容量)以下。
公开号为CN108565430A的中国发明专利申请公开了一种高能量密度一次电池正极材料的制备方法，将氟化碳粉末和单质纳米硫粉研磨，并滴加溶剂CS2继续研磨后，进行热处理，得到氟化碳-硫复合正极材料。虽阐明氟化碳-硫一次电池在1.5V的截止电压下恒流放电(100mAh/g)，可以达到833.9mAh/g的放电比容量，但按其扣式BR2032电池容量190mAh，也仅有0.53C，且CS2对人体与环境具有危害性。
迄今为止，国内相关专利报道的锂氟化碳电化学体系的金属锂电池，除理论设计和实验室试验数据外，尚未实现超过0.7C(1C＝电池标称容量)放电速率且又保持高容量(或高能量密度)，且理论设计和实验室试验数据基于氟化碳物质本身，而非基于电池产品。
综上所述，着眼全面实现我国高端金属锂电池研制与生产，确需研制开发一种全新的并在不降低能量密度的情况下具有持续高倍率放电性能的金属锂电池，满足高精尖领域电池的需求，同时又能大批量稳定生产。
发明内容
本发明目的，通过采用经过能量与效能极限化处理的氟化碳基多元态复合活性物质、具有三维导电网络的多元复合导电剂、具有高导电率支撑结构的金属锂负极，以及具有降解电化学反应生成物LiF的高导电率低温电解液，系统性解决锂氟化碳电池比容量与倍率性能相互制约等固有缺陷，最大限度的提升氟化碳电化学体系金属锂电池综合性能。
本发明另一目的，在于提供一种锂金属电池正极绿色、环保的设计与制造方法。
本发明还涉及商品化电池生产设备关键重要零部件的设计改进，削减或消除金属锂对生产设备关键重要零部件的粘附力，实现氟化碳电化学体系金属锂电池大批量自动化制造。
本发明为突破氟化碳电化学体系金属锂电池固有缺陷和瓶颈问题，设计并采用以下技术方案实现发明目的。
本发明一方面提供了一种氟化碳基金属锂电池，其特征在于：主要由正极、负极、隔膜、电解液、极耳和壳体组件组成；所述的正极由正极物质浆料涂覆在正极集流体上制备而成，所述的正极物质主要由经过能量与效能极限化处理的氟化碳基多元态复合活性物质、具有三维导电网络的多元复合导电剂和粘结剂组成；所述的氟化碳基多元态复合活性物质占正极物质总量的85％～94％，多元复合导电剂占正极物质总量的5％～10％，水性粘结剂占正极物质总量的1％～5％。
进一步，所述粘结剂为水性粘结剂，优选的聚四氟乙烯(PTFE)乳液、丁苯橡胶(SBR)粉末、聚偏氟乙烯(PVDF)粉末、LA系列水性粘结剂、GR水性粘结剂中一种。
进一步，所述正极集流体为厚度9μm～200μm的铝箔、涂碳铝箔、微孔铝箔、铝网、泡沫镍、306不锈钢箔、306不锈钢网中的任一种。
进一步，所述隔膜为厚度12μm～25μm的PEP隔膜、单面陶瓷隔膜、双面陶瓷隔膜中一种。
进一步，所述电解液为锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)、(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(SO2CF3)2、LiTFSI)、三(三氟甲基磺酰)甲基锂(LiC(SO2CF3)3)至少一种，溶剂含磷酸三(1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙基)酯、含有碳酸亚乙烯酯(VC)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、三(五氟苯基)硼烷和氟代碳酸乙烯酯(FEC)至少两种添加剂的电解液。
进一步，所述的多元复合导电剂选用纳米级碳纳米管CNT作为主体导电材料，选用导电石墨球、超导炭黑EC、气相生长炭纤维VGCG、石墨烯G、纳米级高导金属粉末作为复合辅助导电材料，各导电材料质量份数比为：纳米级碳纳米管：超导炭黑：气相生长炭纤维：纳米级银粉：导电石墨球：石墨烯＝30-70:20-30:10-20:2-8:4-10:2-4。
进一步，所述的各导电材料质量份数比为：纳米级碳纳米管：超导炭黑：气相生长炭纤维：纳米级高导金属粉末：导电石墨球：石墨烯＝45:25:15:5:7:3。
进一步，所述的高导金属粉末包括但不限于Ag粉或Cu粉。
进一步，所述的主体导电材料占导电物质总质量的30％～70％。
进一步，本发明的负极可以使用本领域公知的负极，也可以采用如下制备方法制备得到，具体包括如下步骤：
步骤1，选择集流体：选择相对薄的商品化金属箔材；
立足锂电池容量最大化，综合考虑电流密度、电导率、负极片结构强度和可焊性，尽可能选择相对薄的商品化金属箔材。
优选地，所述金属箔材，包括但不限于铜箔、涂碳铜箔、微孔铜箔、铜网、泡沫铜、三维纳米多孔铜、306不锈钢箔、306不锈钢网中的任一种。
优选地，所述相对薄的商品化金属箔材厚度＜25μm。
步骤2，设计加工专用对辊机辊子：选用与金属锂低粘附或者无粘附力的材料，设计加工专用对辊机辊子；
选用与金属锂低粘附或者无粘附力的材料，分析计算金属锂形变应力，通过力学计算和结构设计，设计加工专用对辊机辊子，以实现商品化锂带或锂箔无辅助二次加工。
优选地，所述与金属锂低粘附或者无粘附力的材料，包括但不限于PP型材或POM型材任一种。
优选地，所述锂带或锂箔无辅助二次加工，锂带或锂箔不需要进行任何处理，包括不需要包覆相关材料。
步骤3，选择包覆材料：在应急状态下，选用与金属锂低粘附或者无粘附力的薄膜材料，包覆商品化锂带或锂箔进行二次加工，或者包覆二次加工锂带或锂箔与集流体进行辊压捏合；
优选地，所述与金属锂低粘附或者无粘附力的薄膜材料，包括不限于PE膜、PP膜、PEP膜的任一种，厚度在15μm～25μm之间。
进一步，所述应急状态，主要是指锂电池研制试验极少量需求或者无法装备专用对辊机辊子。
步骤4，碾压商品化锂带或锂箔：在应急状态，将商品化锂带或锂箔置于包覆材料之间，按照商品化锂带或锂箔厚度与锂电池设计和生产需求厚度差，适度设定5～7个调整间隙，进行碾压任一厚度；
进一步，步骤4所述在量产状态下，按照商品化锂带或锂箔厚度与锂电池设计和生产需求厚度差，适度设定5～7个调整间隙，直接进行碾压任一厚度。
进一步，步骤4所述量产状态，即装备专用对辊机辊子。
优选地，所述商品化锂带或锂箔厚度与锂电池设计和生产需求厚度差，是指选择商品化锂带或锂箔尺寸，特别是厚度尽可能接近锂电池设计和生产需求厚度。
优选地，所述适度设定5～7个调整间隙，是以易于辊压锂带或锂箔与包覆材料剥离为参考，基本控制在10μm～30μm之间。
步骤5，捏合负极板：在应急状态，将步骤4所加工一层或两层锂带或锂箔夹持集流体后置于包覆材料之间，辊压捏合成满足锂电池设计和生产所需单面锂或者双面锂负极厚度的负极板。
进一步，步骤5所述，在量产状态下，将步骤4所加工一层或两层锂带或锂箔夹持集流体后，直接辊压捏合成满足锂电池设计和生产所需单面锂或者双面锂负极厚度的负极板。
步骤6，裁制负极片：依据锂电池设计和生产所需负极片尺寸，设计选用模切刀具，将步骤5制备的负极板切制成锂电池装配负极片。
优选地，所述模切刀具，包括选用金属锂低粘附或者无粘附力的材料，设计加工成模切刀具。
本发明所述设计改进商品化电池生产设备关键重要零部件，优选的PP型材、POM型材、石墨材料任一种，设计加工成电池制造设备中涉及金属锂切制、传输、压合(紧)、导向等零部件或者喷涂、包覆、表面石墨化于零部件的表面。
本发明另一方面还提供了所述宽温高能氟化碳基金属锂电池的制造方法，包括但不限于以下步骤：
步骤1，调制制备电池正极物料浆料或者物料团：
分步1，设计确定正极物质组分，优选的氟化碳基多元态复合活性物质占正极物质总量的85％～94％，多元复合导电剂占正极物质总量的5％～10％，水性粘结剂占正极物质总量的1％～5％；
分步2，确定正极物质浆料(物料团)固含量，依据电池正极片能量密度和正极物质净压实密度(不包含正极集流体)设计值，综合考量电池正极各组分分散的均匀性和后续碾压、涂敷、装配等加工工序的简便性，优选的正极物质浆料(物料团)固含量为30％～52％；
分步3，称取正极物质分散混合剂，优选的去离子水、三重蒸馏水、超纯水任一种；若采用乙醇溶液，优选的浓度为20％～60％(wt)；
分步4，称取水性粘结剂，优选的聚四氟乙烯(PTFE)乳液、丁苯橡胶(SBR)粉末、聚偏氟乙烯(PVDF)粉末、LA系列水性粘结剂、GR水性粘结剂中一种；
分步5，制备浆料或物料团，采用高速分散机，高速分散搅拌6h～8h，然后真空分散搅拌2h～4h，制得正极物料浆料或者物料团。
步骤2，制备正极极片与负极极片：
分步1，设计确定正极物料压实密度，优选的压实密度为1.2g/cm3～1.75g/cm3。
分步2，制备正极板，依据正极物料压实密度设计值，确定浆料涂敷间隙或者对辊机辊子间隙，采用涂覆机或者对辊机，将正极物料浆料或者物料团涂敷或者碾压于正极集流体上，制得正极板；
分步3，设计确定电池N/P比，优选的N/P比＝1.1～1.4，计算用锂量，设计加工具有高导电率支撑结构的金属锂负极板；
分步4，依据电池外形尺寸，确定电池正负极极片尺寸，方形电池长宽比取1～2，采用分切机或模切机，裁切或模切正负极极板，制得电池正负极片。
步骤3，正极极片装配预处理：采用真空烘箱对待装配的正极极片进行脱水预处理，优选的温度70℃～160℃、真空度≤-0.095、时长4h～12h。
步骤4，电池装配：
分步1，选用电池隔膜，优选的厚度为12μm～25μm的PEP隔膜、单面陶瓷隔膜、双面陶瓷隔膜中一种；
分步2，采用改良的电池自动卷绕机或叠片机或压片机，将制成的电池正极极片、金属锂负极极片和隔膜以叠片或卷绕方式加工，注入电解液，制成扣式或圆柱式或软包式或异形金属锂原电池和储备电池。
综上所述，采用上述的技术方案，与目前的技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点：
按照电池结构组成，综合分析电池正极、负极、电解液和隔膜之间的协调适配性，采用经过能量与效能极限化处理的氟化碳基多元态复合活性物质、具有三维导电网络的多元复合导电剂、具有高导电率支撑结构的金属锂负极，以及具有降解电化学反应生成物LiF的高导电率低温电解液，创新突破锂氟化碳电池比容量与倍率性能相互制约等固有缺陷，系统性的提升氟化碳电化学体系金属锂电池综合电性能，创造性实现电池工作环境温度-40℃～55℃，4C(1C＝电池标称容量，下同)以上高倍率放电，保持80％(相对0.025C测试容量)以上放电效率，特别是研制与制造高端电池(一种宽温高能金属锂电池)使之可能，具有较大的军事和民用前景。
采用水或者乙醇溶液作为正极物质分散混合剂，制备的非油性正极浆料和物料团，绿色、无污染。
采用与金属锂低粘附性或无粘附性材料改制商品化电池加工设备，以及本发明实现过程中，所涉及的材料、仪器和设备均为商品化产品，便于正极活性物质及金属锂电池规模化生产。
本发明还需随同技术研究和制造实践，特是制造工艺控制需不断优化和完善。
附图说明
图1为本发明氟化碳基金属锂电池制造流程。
图2为本发明标称容量3.5Ah氟化碳基金属锂电池4C放电曲线图。
具体实施方式
为进一步阐明本发明的上述和其它目的、特征及其有益效果，下面以653665锂原电池具体实施方式进行详细说明，但本发明的实施方式不限于此，也即以下所描述的具体实施例，仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
实施例(流程见附图1)
第一步，称取氟化碳基多元态复合活性物质85份、多元复合导电剂10份(按纯物质计)、水性粘结剂5份(按固含量计)、去离子水250份。
第二步，将去离子水倒入搅拌桶，启动高速分散搅拌，依次加入多元复合导电剂、氟化碳基多元态复合活性物质和水性粘结剂，高速分散搅拌6h±15min。
第三步，启动真空分散搅拌，真空度-0.095，高速分散搅拌2h，制成正极浆料。
第四步，设置涂敷间隙0.13mm，选用10μm铝箔，进行正极浆料涂敷与烘干，制成正极板。
第五步，设计电池极片长宽比为1.618，采用长55mm、宽34mm模具，模切制成正负极片。
第六步，采用真空烘箱，设置真空度-0.095、时长8h，对制成的正极片进行干燥待用。
第七步，选用20μm双面陶瓷隔膜，通过改制的自动叠片机，叠装成电芯。
第八步，将电芯装入铝塑膜壳体内，注入电解液，封装后，制成电池。
本发明的水性多元复合导电剂的制备方法如下：
选择导电物质：依据相关设计计算，该上述电池正极活性物质为高比能电化学材料，纳米级、粉末状，电导率低且电化学反应产物为绝缘体，与导电物质比为85:15～95:5，制作电池具有宽温、大倍率和高安全性。鉴于此，选用纳米级碳纳米管(CNT)作为主体导电材料，选用导电石墨球、超导炭黑(EC-300J)、气相生长炭纤维(VGCG)、石墨烯(G)、纳米级银粉(Ag)作为复合辅助导电材料。
设计复合组成组分：依据导电网络点线面结合、粗细相间三维化，以及导电物质比表面积大、吸液量高、微量高导等设计原则和思路，设计确定各导电物质占导电物质总量的质量分数为：CNT:EC:VGCG:Ag:导电石墨球:G＝45:25:15:5:7:3。
导电物质预处理：将导电石墨球置于鼓风干燥箱，设定温度350℃，鼓风干燥2h，取出需密封冷却至室温，待用；另，将CNT、EC、VGCG、G和Ag置于鼓风干燥箱，设定温度150℃，鼓风干燥2h，取出需冷却至室温，待用。
按照磨球与物料体积比1:1，将预处理后的CNT、导电石墨球和Ag装入球磨罐，以260r/min转速，运行20min、间歇20min、正反向交替行星式球磨，形成固态杂化复合导电材料，取出密封待用。
按照磨电池正极浆料设计固含量(47％)，称取去离子水1份、表面活化与分散加剂0.005份、水溶性导电物质稳定与固化剂0.05份，取去离子水总量的3/4倒入高速分散机桶，控制水浴温度45℃，调整转速为5Hz(约300rpm)，然后加入表面活化与分散加剂，持续搅拌30min。
根据导电物质量，除固态杂化复合导电材料超出总量1/3需分2次加入，其余1次加入。调整水浴温度至60℃，保持5Hz(约300rpm)转速，将预处理后的G料缓慢加入，随后调整转速至10Hz(约600rpm)，分散搅拌30min±2min。
保持水浴温度，调整转速至5Hz(约300rpm)，缓慢加入预处理后的EC料，随后调整转速至10Hz(约600rpm)，分散搅拌30min±2min。按此，后续依次加入VGCG料和固态杂化复合导电材料。
完全加入导电物质后，保持水浴温度，调整转速至10Hz(约600rpm)，分散搅拌6h～8h后，启动真空泵，抽真空至0.095MPa，保持真空分散搅拌2h，停止分散搅拌，破气后，制得流态杂化复合导电浆料。
将剩余1/4去离子水倒入另一搅拌桶，控制水浴温度45℃，调整转速为5Hz(约300rpm)，然后加入水溶性导电物质稳定与固化剂，持续搅拌30min后取出，倒入流态杂化复合导电浆料中，控制温度在60℃，调整转速为5Hz(约300rpm)，分散搅拌2h，即制成水性多元复合导电剂。
本发明的电池的负极的制备方法包括如下两种：
其一：应急状态下
依据相关设计计算，上述电池单片负极单面用锂0.0498g、厚度50μm；
选择负极用锂带(箔)：选择商品化最薄170μm锂带厚，计算加工厚度差Δδ＝120μm，按照6个间隙辊压，对辊机间隙调幅20μm；
选择集流体：依据相关设计计算，优选厚度为9μm～25μm的商品化金属箔材，本实施例选用10μm的铜箔作为电池负极集流体；
选择包覆材料：优选PE膜、PP膜、PEP膜的任一种，厚度在15μm～25μm之间，本实施例选用20μm的PE膜作为金属锂二次加工包覆材料；
包覆锂带(箔)：包覆锂带(箔)，将商品化锂带包覆于包覆材料之间，形成三明治结构；
锂带(箔)二次加工：采用商品化对辊机或碾压机分6个间隙辊压后，剥离包覆材料，即可得到厚度为50μm的二次加工锂带(箔)；
布设集流体：将集流体置于二次加工锂带(箔)上(若制备单面金属锂负极)，或者将集流体夹持与两二次加工锂带(箔)之间，形成待加工金属锂负极板；
包覆待加工金属锂负极板：将待加工金属锂负极板包覆于包覆材料之间，形成三明治结构；
制备负极板：采用商品化对辊机或碾压机，调整间隙为电池负极设计厚度(δ间隙＝δ锂箔+2δ包覆材料+δ集流体)，辊压捏合后，剥离包覆材料，即可得到电池金属锂负极板；
制备负极片：设计选用PP型材或POM型材任一种制成电池极片模切模具，对电池金属锂负极板进行模切，即可得到满足电池设计与生产需求的金属锂负极板。
其二：量产状态
依据相关设计计算，上述电池单片负极单面用锂0.0498g、厚度50μm；
选择负极用锂带(箔)：选择商品化最薄170μm锂带厚，计算加工厚度差Δδ＝120μm，按照6个间隙辊压，对辊机间隙调幅20μm；
选择集流体：依据相关设计计算，优选厚度为9μm～25μm的商品化金属箔材，本实施例选用10μm的铜箔作为电池负极集流体；
专用对辊机辊子设计加工：选用与金属锂低粘附或者无粘附力的材料，分析计算金属锂形变应力，通过力学计算和结构设计，设计加工专用对辊机辊子。
锂带(箔)二次加工：采用专用对辊机辊子分6个间隙辊压商品化锂带(箔)后，即可得到厚度为50μm的二次加工锂带(箔)；
布设集流体：将集流体置于二次加工锂带(箔)上(若制备单面金属锂负极)，或者将集流体夹持于两二次加工锂带(箔)之间，形成待加工金属锂负极板；
制备负极板：采用专用对辊机辊子，调整间隙为电池负极设计厚度(δ间隙＝δ锂箔+2δ包覆材料+δ集流体)，辊压捏合后，即可得到电池金属锂负极板；
制备负极片：设计选用PP型材或POM型材任一种制成电池极片模切模具，对电池金属锂负极板进行模切，即可得到满足电池设计与生产需求的金属锂负极板。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
根据上述说明书的揭示和阐述，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围，并包括但不限于符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种氟化碳基金属锂电池，其特征在于：主要由正极、负极、隔膜、电解液、极耳和壳体组件组成；所述的正极由正极物质浆料涂覆在正极集流体上制备而成，所述的正极物质主要由经过能量与效能极限化处理的氟化碳基多元态复合活性物质、具有三维导电网络的多元复合导电剂和粘结剂组成；所述的氟化碳基多元态复合活性物质占正极物质总量的85％～94％，多元复合导电剂占正极物质总量的5％～10％，水性粘结剂占正极物质总量的1％～5％。
2.根据权利要求1所述的氟化碳基金属锂电池，其特征在于：所述的所述粘结剂为水性粘结剂，包括聚四氟乙烯(PTFE)乳液、丁苯橡胶(SBR)粉末、聚偏氟乙烯(PVDF)粉末、LA系列水性粘结剂、GR水性粘结剂中一种。
3.根据权利要求1所述的氟化碳基金属锂电池，其特征在于：所述的正极集流体为厚度9μm～200μm的铝箔、涂碳铝箔、微孔铝箔、铝网、泡沫镍、306不锈钢箔、306不锈钢网中的任一种。
4.根据权利要求1所述的氟化碳基金属锂电池，其特征在于：所述隔膜为厚度12μm～25μm的PEP隔膜、单面陶瓷隔膜、双面陶瓷隔膜中一种。
5.根据权利要求1所述的氟化碳基金属锂电池，其特征在于：所述电解液为锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)、(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(SO2CF3)2、LiTFSI)、三(三氟甲基磺酰)甲基锂(LiC(SO2CF3)3)至少一种，溶剂含磷酸三(1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙基)酯、含有碳酸亚乙烯酯(VC)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、三(五氟苯基)硼烷和氟代碳酸乙烯酯(FEC)至少两种添加剂的电解液。
6.根据权利要求1所述的氟化碳基金属锂电池，其特征在于：所述的多元复合导电剂选用纳米级碳纳米管CNT作为主体导电材料，选用导电石墨球、超导炭黑EC、气相生长炭纤维VGCG、石墨烯G、纳米级高导金属粉末作为复合辅助导电材料，各导电材料质量份数比为：纳米级碳纳米管：超导炭黑：气相生长炭纤维：纳米级银粉：导电石墨球：石墨烯＝30-70:20-30:10-20:2-8:4-10:2-4。
7.一种权利要求1-6任一项权利要求所述的氟化碳基金属锂电池的制造方法，其特征在于，包括但不限于以下步骤：
步骤1，调制制备电池正极物料浆料或者物料团；
步骤2，制备正极极片与负极极片；
步骤3，正极极片装配预处理：采用真空烘箱对待装配的正极极片进行脱水预处理；
步骤4，电池装配。
8.根据权利要求7所述的氟化碳基金属锂电池的制造方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括如下步骤：
分步1，设计确定正极物质组分，优选的氟化碳基多元态复合活性物质占正极物质总量的85％～94％，多元复合导电剂占正极物质总量的5％～10％，水性粘结剂占正极物质总量的1％～5％；
分步2，确定正极物质浆料固含量，依据电池正极片能量密度和正极物质净压实密度设计值，其中不包含正极集流体，综合考量电池正极各组分分散的均匀性和后续碾压、涂敷、装配等加工工序的简便性，优选的正极物质浆料固含量为30％～52％；
分步3，称取正极物质分散混合剂，优选的去离子水、三重蒸馏水、超纯水任一种；若采用乙醇溶液，优选的浓度为20％～60％(wt)；
分步4，称取水性粘结剂，优选的聚四氟乙烯(PTFE)乳液、丁苯橡胶(SBR)粉末、聚偏氟乙烯(PVDF)粉末、LA系列水性粘结剂、GR水性粘结剂中一种；
分步5，制备浆料或物料团，采用高速分散机，高速分散搅拌6h～8h，然后真空分散搅拌2h～4h，制得正极物料浆料或者物料团。
9.根据权利要求7所述的氟化碳基金属锂电池的制造方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括如下步骤：
分步1，设计确定正极物料压实密度，优选的压实密度为1.2g/cm3～1.75g/cm3；
分步2，制备正极板，依据正极物料压实密度设计值，确定浆料涂敷间隙或者对辊机辊子间隙，采用涂覆机或者对辊机，将正极物料浆料或者物料团涂敷或者碾压于正极集流体上，制得正极板；
分步3，设计确定电池N/P比，优选的N/P比＝1.1～1.4，计算用锂量，设计加工具有高导电率支撑结构的金属锂负极板；
分步4，依据电池外形尺寸，确定电池正负极极片尺寸，方形电池长宽比取1～2，采用分切机或模切机，裁切或模切正负极极板，制得电池正负极片。
10.根据权利要求7所述的氟化碳基金属锂电池的制造方法，其特征在于：所述的步骤4具体包括如下步骤：
分步1，选用电池隔膜，优选的厚度为12μm～25μm的PEP隔膜、单面陶瓷隔膜、双面陶瓷隔膜中一种；
分步2，采用改良的电池自动卷绕机或叠片机或压片机，将制成的电池正极极片、金属锂负极极片和隔膜以叠片或卷绕方式加工，注入电解液，制成扣式或圆柱式或软包式或异形金属锂原电池和储备电池。
CN202210690540.1A 2022-06-17 2022-06-17 一种氟化碳基金属锂电池及其制造方法 Pending CN115084562A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210690540.1A CN115084562A (zh) 2022-06-17 2022-06-17 一种氟化碳基金属锂电池及其制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210690540.1A CN115084562A (zh) 2022-06-17 2022-06-17 一种氟化碳基金属锂电池及其制造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115084562A true CN115084562A (zh) 2022-09-20

Family

ID=83252615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210690540.1A Pending CN115084562A (zh) 2022-06-17 2022-06-17 一种氟化碳基金属锂电池及其制造方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115084562A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116864779A (zh) * 2023-09-01 2023-10-10 北京石墨烯技术研究院有限公司 电池芯、扣式电池及其制备方法和应用

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116864779A (zh) * 2023-09-01 2023-10-10 北京石墨烯技术研究院有限公司 电池芯、扣式电池及其制备方法和应用
CN116864779B (zh) * 2023-09-01 2024-02-02 北京石墨烯技术研究院有限公司 电池芯、扣式电池及其制备方法和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Sphere-like SnO2/TiO2 composites as high-performance anodes for lithium ion batteries
CN106654177B (zh) 一种干法制备电池电容复合电极的方法
CN106450102B (zh) 用于锂硫电池的石墨改性隔膜及其制备方法与构成的锂硫电池
CN108417777B (zh) 一种多孔三元复合正极片及其制备方法及其应用
CN109103399B (zh) 一种锂硫电池用功能性隔膜及其制备方法和在锂硫电池中的应用
CN110707287B (zh) 一种金属锂负极及其制备方法和锂电池
CN112670483B (zh) 正极片、正极极板及固态电池
CN102034971B (zh) 锂离子电池磷酸铁锂/聚并吡啶复合正极材料及其制备方法
CN112687865A (zh) 一种锂离子电池负极浆料、其制备方法和用途
CN114373982B (zh) 一种基于液态醚类有机电解液的少负极二次钠电池及其制备方法
CN105226274A (zh) 一种石墨烯均匀分散的磷酸铁锂/石墨烯复合材料的制备方法
CN112736245B (zh) 一种锂离子电池负极材料及其制备方法和应用
CN112234202A (zh) 一种高性能锂氟化碳电池及其制备方法
CN111952670A (zh) 一种具有宽工作温度范围的锂离子电池
CN113851648A (zh) 一种固态电池用复合负极及其制备方法、固态电池
CN107507958B (zh) 一种用于锂硫电池的原位粉体包覆与极板制备一体化方法
CN112599719A (zh) 负极片、负极片的制备方法和电池
CN104752682A (zh) 一种锂硫电池的硫/碳复合正极材料制备方法
CN115084562A (zh) 一种氟化碳基金属锂电池及其制造方法
CN110676515B (zh) 一种低温高能量密度锂离子电池的制备方法
CN112864387A (zh) 负极浆料及其制备方法和应用
CN116014084B (zh) 碳基固态锂电池干法电极片、制备方法及电芯
CN113328057A (zh) 一种复合金属锂负极及其制备方法
CN114975956A (zh) 一种氟化石墨烯/氟化石墨复合正极材料及其制备方法
CN112582752A (zh) 多孔氮化硼纤维/还原氧化石墨烯复合型锂硫电池隔膜材料

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination