CN115241460A - 一种大容量软包锂离子电池及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大容量软包锂离子电池及其制备方法，大容量软包锂离子电池的正极片和负极片的集流体上设置涂料区和光箔极耳区，涂料区的宽度为350mm以上且长度为550mm以上，涂料区的长度大于涂料区的宽度，光箔极耳区设置在涂料区的长边延伸方向上的一侧且光箔极耳区的宽度占涂料区的宽度的2/3以上；正极片的涂料区上涂覆有正极材料体系，正极材料体系包含有正极分散剂；负极涂料区上涂覆有负极材料体系，负极材料体系中的活性物质为石墨、软碳或硬碳的混合物；正极片上的极耳和负极片上的极耳位于叠片体的长边延伸方向上的两侧。

Description

一种大容量软包锂离子电池及制备方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种大容量软包锂离子电池及制备方法。

背景技术

在新兴科技及能源技术变革的推动下，全球锂电池产业进入快速增长阶段。针对锂离子电池不同的领域、不同的需求，人们已提出和开发了多种锂电技术来满足应用。电池容量增加，电池系统所需电池数量减少，可使电池组装轻量化、紧凑且易于管理。因此，单体大容量锂电池已成为了行业的发展趋势。现有技术中，大容量软包锂离子电池一般通过增加活性物质占比、叠片层数、增大极片尺寸或选用高容量材料等方式提高锂电池容量。

大容量软包锂离子电池，极片活性物质占比高，对材料选型和浆料均匀及稳定性要求较高，否则易导致电池内部界面一致性差，影响电池的倍率、循环及安全性能。此外，因大容量软包锂离子电池的包装材料多为铝塑膜，受铝塑膜冲坑时形变量影响，其成型深度具有一定的局限性，通过增加极片层数难以实现锂电池的大容量化。

大容量软包锂离子电池在大电流充放电时，电池电流分布不均匀，极耳区域热量汇聚且电化学极化严重，电池整体会产生较大的温度梯度，温度梯度的存在会导致电池荷电状态不均匀，从而加速电池局部老化，影响电池的使用寿命。因此，需对大容量锂电池材料和结构进行改进，以解决电池的发热问题。

对于极片尺寸较大的大容量软包锂离子电池，外壳铝塑膜刚性差，电池易出现变形、鼓胀等稳定性差的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种大容量软包锂离子电池及制备方法，该大容量软包锂离子电池实现了锂电池的大容量化，并且有效解决了大容量电池的发热问题和易出现变形、鼓胀等稳定性差的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

作为本发明的一个方面，本发明的大容量软包锂离子电池包括电池主体、正极极耳、负极极耳和包覆在电池主体外的铝塑膜，电池主体包括负极片、隔膜、正极片和电解液；正极片和负极片的集流体上设置涂料区和光箔极耳区，涂料区的宽度为350mm以上且长度为550mm以上，涂料区的长度大于涂料区的宽度，光箔极耳区设置在涂料区的长边延伸方向上的一侧且光箔极耳区的宽度占涂料区的宽度的2/3以上；正极片的涂料区上涂覆有正极材料体系，正极材料体系包含有正极分散剂；负极片的涂料区上涂覆有负极材料体系，负极材料体系中的活性物质为石墨、软碳或硬碳的混合物，其中石墨占比为60～97％，软碳或硬碳占比为3～40％；负极片、隔膜和正极片依次交替叠片形成叠片体，正极片和负极片的光箔极耳区上分别焊接有极耳，并且正极片上的极耳和负极片上的极耳位于叠片体的长边延伸方向上的两侧。

具体的，所述正极材料体系还包含正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂，正极活性物质在正极材料体系的占比为96～98％。所述正极分散剂添加含量为干粉重量的0.1～0.6％。正极活性物质为磷酸铁锂，正极导电剂为Super-p和CNTs复合导电剂，正极粘结剂为PVDF，正极分散剂为降粘助剂。

所述负极材料体系还包括负极导电剂和负极粘结剂，负极活性物质在负极材料体系的占比为94～97％。所述软碳D50为6～10μm，Dmax≤23μm；硬碳D50为4～8μm，Dmax≤17μm。所述负极导电剂为Super-p，所述负极粘结剂为CMC和SBR复合粘结剂。

所述正极片为长方形且不切圆角。所述正极片上的极耳和负极片上的极耳的厚度均为0.4mm以上。

所述隔膜为涂胶隔膜，基膜厚度为16～25μm，孔隙率为42～48％，透气度为200～350s/100ml。所述电解液包括溶剂、添加剂和锂盐。其中，溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸甲乙酯；添加剂包括成膜添加剂和低阻抗添加剂；锂盐为六氟磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂的一种或两种的混合物，锂盐浓度为0.8～1.5mol/L。

作为本发明的另一方面，大容量软包锂离子电池电池的制备方法，包括如下步骤：进行化成前预压和化成除气后高温高压静置，老化温度为45～90℃，压力为8～15t，静置时间为5～10h。

本发明具有如下有益效果：

本发明的正极材料中添加分散剂有利于浆料分散均匀及稳定，改善极片内孔隙均匀分布，提高电解液的浸润效果，从而达到降低电池内阻，提高电池循环寿命的目的；负极采用石墨和硬碳或软碳混合，相比于石墨，硬碳或软碳层间距大于石墨层间距，有利于锂离子的嵌入-脱嵌，掺混少量既可保持电池容量和电压平台又可提升电池循环和倍率性能。选用涂胶隔膜主要是因为与极片干粘强度高，可防止大尺寸极片错位，易于电池后期整型；而隔膜的高孔高透气度主要是减小电池阻抗，提升循环寿命。

为降低发热量、减少电池整体温度梯度差异，提高倍率及循环寿命，电池采用两侧出极耳设计，并增加极耳宽度和厚度，主要是保证大容量电池的极耳过流能力，降低极耳区域的电流密度，减少电池极耳区域热量汇聚和电化学极化，使电池在大电流充放电下电流密度分布更均匀。

本发明所选择的正负极主材配方体系、隔膜、电解液与极耳材料，用于提升导电性，为离子和电子传导创造有利条件，提高锂离子扩散速率，从而提高电池的倍率及循环性能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为正极片的结构示意图；

图3为对比例2的整体结构示意图。

附图标记说明：

1-电池主体、2-正极极耳、3-负极极耳、11-正极片、111-正极涂料区、112-正极光箔极耳区、a-正极涂料区的长度、b-正极涂料区的宽度、b’-正极光箔极耳区的宽度。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

在本发明的示例性实施方案中，提供了一种大容量软包锂离子电池。参见图1至图2，该大容量软包锂离子电池包括电池主体1、正极极耳2、负极极耳3和包覆在电池主体1外的铝塑膜。其中，所述电池主体1包括负极片、隔膜、正极片和电解液。

所述正极片包括正极集流体11，具体的，所述正极集流体11为涂碳铝箔。所述正极集流体11上设置正极涂料区111和正极光箔极耳区112，所述正极涂料区111的宽度为350mm以上且长度为550mm以上，所述正极涂料区111的长度a大于正极涂料区111的宽度b。所述正极光箔极耳区112设置在正极涂料区111的长边延伸方向上的一侧且正极光箔极耳区112的宽度b’占正极涂料区111的宽度b的2/3以上。所述正极涂料区111上涂覆有正极材料体系，所述正极材料体系包含正极活性物质、正极导电剂、正极粘结剂和正极分散剂，具体的，所述正极活性物质为磷酸铁锂，所述正极活性物质在正极材料体系的占比为96～98％。所述正极导电剂为Super-p和CNTs复合导电剂，所述正极粘结剂为PVDF。所述正极分散剂为降粘助剂(深圳皓飞实业有限公司，HFF-2918)，所述降粘助剂的添加含量为干粉重量的0.1～0.6％。大容量软包锂离子电池，由于浆料活性物质含量高，导电剂比表面积相对较大，对浆料分散的均匀及稳定性要求较高。为提高浆料的稳定性及极片界面的一致性，正极浆料中加入正极分散剂，通过正极分散剂和颗粒间的静电和空间位阻作用，可有效稳定颗粒，避免颗粒团聚，使浆料分散均匀及稳定。

进一步的，所述正极片为长方形且不切圆角，可显著减少制片固定损耗，节约模具修模更换成本，提高生产节拍。

所述负极片包括负极集流体，具体的，所述负极集流体为铜箔。所述负极集流体上设置负极涂料区和负极光箔极耳区，所述负极涂料区的宽度为350mm以上且长度为550mm以上，所述负极涂料区的长度大于负极涂料区的宽度。所述负极光箔极耳区设置在负极涂料区的长边延伸方向上的一侧且负极光箔极耳区的宽度占负极涂料区的宽度的2/3以上。所述负极涂料区上涂覆有负极材料体系，负极材料体系包括负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂，所述负极活性物质在负极材料体系的占比为94～97％。所述负极活性物质为石墨和软碳或硬碳两种或者多种混合物，其中石墨占比为60～97％，软碳或硬碳占比为3～40％。进一步的，所述软碳D50为6～10μm，Dmax≤23μm；硬碳D50为4～8μm，Dmax≤17μm。负极采用石墨和硬碳或软碳混合体系，石墨为高度取向结构，在长期循环充放电过程中易出现析锂现象，而软碳或硬碳均为无定形结构，层间距大于石墨，有利于锂离子的嵌入-脱嵌，掺混少量既可保持电池容量和电压平台又可提升电池循环和倍率性能。所述负极导电剂为Super-p，所述负极粘结剂为CMC和SBR复合粘结剂。

所述正极光箔极耳区112上焊接正极极耳2，所述负极光箔极耳区上焊接负极极耳3。所述负极片、隔膜和正极片依次交替叠片形成叠片体，并且所述正极极耳2和负极极耳3位于叠片体的长边延伸方向上的两侧，所述正极极耳2和负极极耳3的厚度均为0.4mm以上。具体的，所述正极耳为铝金属片，负极耳为铜金属片或铜镀镍金属片。电池采用长边延伸方向上的两侧出极耳、并增加极耳宽度与厚度，这种结构设计能够保证极耳过流能力，降低极耳区域的电流密度，减少电池极耳区域热量汇聚和电化学极化，使电池在大电流充放电下电流密度分布更均匀，电池整体发热量和温升差异化小。

进一步的，所述隔膜为涂胶隔膜，基膜厚度为16～25μm，孔隙率为42～48％，透气度为200～350s/100ml。所述电解液包括溶剂、添加剂和锂盐。其中，溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸甲乙酯；添加剂包括成膜添加剂和低阻抗添加剂；锂盐为六氟磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂的一种或两种的混合物，锂盐浓度为0.8～1.5mol/L。

为提高大容量软包锂离子电池的化成工艺效果，电池进行化成前预压和化成除气后高温高压静置，温度为45～90℃，压力为8～15t，静置时间为5～10h。电池化成前进行预压，主要是排除电池内部气体，使极片和隔膜贴合更紧密，有利于化成时电极材料与电解液在固液相界面上的反应。电池高温夹具化成一般采用小电流和大电流依次进行，为提高生产效率，电池实际化成时电流依然较大，这就使电池SEI膜形成稳定性较差；电池化成后进行高温高压静置处理，主要是促进电池SEI膜再生及重组，形成致密稳定的SEI膜，提高电池的循环寿命；另一方面高温高压有利增加电池硬度，提高成品率。

实施例

(实施例1)

大容量软包锂离子电池的制备，包括：

正极片制备：

将正极活性物质、正极导电剂、正极粘结剂以96.8:1.2:2的重量比和正极分散剂为正极干粉总量的0.2％的重量比进行混合以制备浆料。将该浆料均匀地涂覆在涂碳铝箔上得到涂布极片，极片经过辊压后按涂布区长宽800mm×400mm、极耳长宽16mm×400mm的尺寸进行裁切得到正极片。

负极片制备：

将石墨和硬碳组成的负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂以96.5:0.8:2.7重量比进行混合以制备浆料，其中石墨：硬碳重量比＝95：5，硬碳D50＝5.6μm，Dmax＝16.5μm。将该浆料均匀地涂覆在铜箔上得到涂布极片，极片经过辊压后按涂布区长宽804mm×404mm、极耳长宽16mm×404mm的尺寸进行裁切得到负极片。

电池的制备：

将负极片、隔膜和正极片依次交替叠片形成叠片体，涂胶隔膜基膜厚度为20μm，孔隙率为46％，透气度为260s/100ml，叠片完成后将叠片体长边延伸方向上的两侧的光箔极耳区进行预焊和外接极耳终焊，正极极耳2和负极极耳3的厚度分别为0.5mm和0.4mm，然后使用铝塑膜封装，电池烘烤后注入电解液进行高温静置，电解液锂盐为六氟磷酸锂和双氟磺酰亚胺锂混合物，锂盐浓度为1.1mol/L。电池静置完成后进行4t压力预压，预压完成后进行夹具化成、除气，除气完成后将电池放置在温度为70℃，压力为10t的环境下进行高温老化6h，然后电池进行分容、铝塑膜裁切，制成标称容量为700Ah的大容量软包锂离子电池。

(实施例2)

以与实施例1相同的方式制备700Ah大容量软包锂离子电池，不同之处在于负极片的负极材料体系中未加入硬碳，负极活性物质、导电剂、粘结剂的重量比仍为96.5:0.8:2.7。

(实施例3)

以与实施例1相同的方式制备700Ah大容量软包锂离子电池，不同之处在于正极片的正极材料体系中未加入正极分散剂，正极活性物质、导电剂、粘结剂的重量比仍为96.8:1.2:2。

(实施例4)

以与实施例1相同的方式制备700Ah大容量软包锂离子电池，不同之处在于正、负极片的光箔极耳区长宽尺寸为16mm×260mm，即正、负极光箔极耳区的宽度小于涂料区宽度的2/3。

对比例

(对比例1)

以与实施例4相同的方式制备700Ah大容量软包锂离子电池，不同之处在于正、负极光箔极耳区位于叠片体短边延伸方向上的同一侧，具体参见图3。

(对比例2)

以与实施例1相同的方式制备700Ah大容量软包锂离子电池，不同之处在于电池的制备中，电池夹具化成除气后，将电池进行常温静置，静置时间为6h。

评价

上述各实施例和对比例制备的大容量软包锂离子电池在电池容量、内阻、电池主体温升、循环2000次容量保持率和电池外观的数据参见表1。

表1实施例和对比例电池数据对比

参考表1，可以证实：

实施例1与实施例2-4以及对比例1-2相比，根据实施例1(正极浆料是否添加分散剂、负极浆料是否添加硬碳、正负极光箔极耳尺寸是否占2/3以上、电池进行化成前是否预压和化成除气后高温高压静置)制备的大容量软包锂离子电池，在电池容量、内阻、最大温升、循环2000次容量保持率数据最优，且电池外观保持良好。

实施例2与实施例1相比，根据实施例2(与实施例1相比，负极浆料未添加硬碳)制备的大容量软包锂离子电池，在电池最大温升和循环2000次容量保持率方面，与实施例1制备的锂电池有明显的差别，在电池最大温升方面，相差0.7℃；在循环2000次容量保持率，相差0.7％。

实施例3与实施例1相比，根据实施例3(与实施例1相比，正极浆料未添加分散剂)制备的大容量软包锂离子电池，电池容量有明显下降。

实施例4与实施例1相比，根据实施例4(与实施例1相比，正负极光箔极耳宽度小于正负涂料区宽度的2/3)制备的大容量软包锂离子电池，电池最大温升值有明显上升。

对比例1与实施例4相比，大容量软包锂离子电池极耳设计位于不同位置(实施例4为两侧，对比例1为同侧)，通过对比电池最大温升和循环容量保持率数据可知，电池采用两侧出极耳设计可降低发热量、提高循环寿命。

对比例2与实施例1相比，对比例2的电池通过未进行化成前预压和化成除气后高温高压静置工艺制备的大容量软包锂离子电池，在电池容量、内阻、最大温升、循环容量保持率的数据均是所有实施例和对比例中表现最差，甚至出现电池发软，硬度差且主体中间区域褶皱的现象。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.大容量软包锂离子电池，包括电池主体、正极极耳、负极极耳和包覆在电池主体外的铝塑膜，电池主体包括负极片、隔膜、正极片和电解液，其特征在于：

正极片和负极片的集流体上设置涂料区和光箔极耳区，涂料区的宽度为350mm以上且长度为550mm以上，涂料区的长度大于涂料区的宽度，光箔极耳区设置在涂料区的长边延伸方向上的一侧且光箔极耳区的宽度占涂料区的宽度的2/3以上；

正极片的涂料区上涂覆有正极材料体系，正极材料体系包含有正极分散剂；负极片的涂料区上涂覆有负极材料体系，负极材料体系中的活性物质为石墨、软碳或硬碳的混合物，其中石墨占比为60～97％，软碳或硬碳占比为3～40％；

负极片、隔膜和正极片依次交替叠片形成叠片体，正极片和负极片的光箔极耳区上分别焊接有极耳，并且正极片上的极耳和负极片上的极耳位于叠片体的长边延伸方向上的两侧。

2.根据权利要求1所述的大容量软包锂离子电池，其特征在于：所述正极材料体系还包含正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂，正极活性物质在正极材料体系的占比为96～98％，正极分散剂添加含量为干粉重量的0.1～0.6％。

3.根据权利要求1所述的大容量软包锂离子电池，其特征在于：所述正极活性物质为磷酸铁锂，正极导电剂为Super-p和CNTs复合导电剂，正极粘结剂为PVDF，正极分散剂为降粘助剂。

4.根据权利要求1所述的大容量软包锂离子电池，其特征在于：所述负极材料体系还包括负极导电剂和负极粘结剂，负极活性物质在负极材料体系的占比为94～97％，软碳D50为6～10μm，Dmax≤23μm；硬碳D50为4～8μm，Dmax≤17μm。

5.根据权利要求1所述的大容量软包锂离子电池，其特征在于：所述负极导电剂为Super-p，所述负极粘结剂为CMC和SBR复合粘结剂。

6.根据权利要求1所述的大容量软包锂离子电池，其特征在于：所述正极片为长方形且不切圆角。

7.根据权利要求1所述的大容量软包锂离子电池，其特征在于：所述正极片上的极耳和负极片上的极耳的厚度均为0.4mm以上。

8.根据权利要求1所述的大容量软包锂离子电池，其特征在于：所述隔膜为涂胶隔膜，基膜厚度为16～25μm，孔隙率为42～48％，透气度为200～350s/100ml。

9.根据权利要求1所述的大容量软包锂离子电池，其特征在于：所述电解液包括溶剂、添加剂和锂盐；其中，溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸甲乙酯；添加剂包括成膜添加剂和低阻抗添加剂；锂盐为六氟磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂的一种或两种的混合物，锂盐浓度为0.8～1.5mol/L。

10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的大容量软包锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：进行化成前预压和化成除气后高温高压静置，老化温度为45～90℃，压力为8～15t，静置时间为5～10h。

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