CN117117292A - 一种耐低温铁锂电池器件构造及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐低温铁锂电池器件构造及其制造方法，属于铁锂蓄电池技术领域；包括正极片和负极片，正极片和负极片通过聚乙烯薄膜隔离，正极片、负极片和聚乙烯薄膜层叠卷绕后外表面设置有保护层，保护层的内部填充有电解液，电解液包括有机溶剂、可溶性锂盐、聚乙二醇和羧酸酯添加剂组成。本发明通过将纳米磷酸铁锂与三元材料复合制成锂电池的正极，由于纳米磷酸铁锂的粒径小，比表面积大，有利于离子及电子的传导，提高锂离子扩散系数，同时表面的正极导电剂为离子和电子的传导提供有利条件，能够减缓铁锂电池在低温环境中的电压下降速度，使锂电池低温下放电更充分，从而提高铁锂电池的质量，改变其低温性能差的现状。
Description
技术领域
本发明涉及铁锂蓄电池技术领域，特别涉及一种耐低温铁锂电池器件构造及其制造方法。
背景技术
目前，发展新能源汽车已经成为汽车制造的发展趋势，在我国新能源汽车的带动下，锂电行业迅速发展，动力电池关键技术日益成熟，钢壳圆柱锂电池已经在电动轿车、电动摩托车、电动自行车、太阳能、移动通讯终端产品及储能等产品上广泛应用。
现有的铁锂电池是应用在电动汽车上最多的电池，这种电池安全性高，单体寿命较长，但磷酸铁锂有一个致命的缺点，磷酸铁锂电池对温度敏感，导致其低温性能差，在-20℃放电只能放出常温容量的40-50％，在冬季气温较低环境使用时，容量大大降低，因此还存在磷酸铁锂电池不耐低温的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种耐低温铁锂电池器件构造及其制造方法以解决现有的铁锂电池是应用在电动汽车上最多的电池，这种电池安全性高，单体寿命较长，但磷酸铁锂有一个致命的缺点，磷酸铁锂电池对温度敏感，导致其低温性能差，在-20℃放电只能放出常温容量的40-50％，在冬季气温较低环境使用时，容量大大降低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种耐低温铁锂电池器件构造，包括正极片和负极片，正极片和负极片通过聚乙烯薄膜隔离，正极片、负极片和聚乙烯薄膜层叠卷绕后外表面设置有保护层，保护层的内部填充有电解液，电解液包括有机溶剂、可溶性锂盐、聚乙二醇和羧酸酯添加剂组成，可溶性锂盐的占比为10-20％，聚乙二醇的占比为3-5.5％。
进一步地，正极片包括正极活性材料、粘接剂和正极导电剂，正极活性材料由纳米磷酸铁锂和三元材料复合而成，正极活性材料中磷酸铁锂的占比为92-98％，三元材料的占比为2-8％，正极导电剂为碳纤维或碳纳米管中的一种。
进一步地，纳米磷酸铁锂的粒径为50-80nm，三元材料为622型，三元材料的粒径为10-12um。
进一步地，负极片包括负极活性材料、粘接剂和负极导电剂，负极活性材料为改性天然石墨、中间相石墨、软碳和硬碳中的至少一种，负极导电剂为导电炭黑，导电炭黑的容积密度为200-300mL/100g。
进一步地，保护层为塑料、橡胶、绝缘纸管、绝缘套管或层压板中的一种材料制成的薄片。
进一步地，有机溶剂为硼酸三甲酯、硼酸三丙酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、乙二醇二甲醚、甲基乙基醚、甲基丁基醚中的一种或两种以上的混合而成。
进一步地，可溶性锂盐由双氟磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂盐、四氟硼酸锂盐和甲苯亚磺酸锂中的一种或两种以上的混合而成。
进一步地，羧酸酯添加剂为癸二酸乙基己酯、癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二辛酯、丁酸乙酯、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的一种或多种混合而成。
一种耐低温铁锂电池器件构造的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、将正极活性材料、正极导电剂和粘接剂放入搅拌机中混合均匀，持续搅拌并加水升温至30-40℃形成混合物，制成糊状的正极浆料。
步骤二、将负极活性材料加入球磨机中进行研磨，将其粒径研磨至5-12um范围，然后将研磨的负极活性材料、负极导电剂、粘接剂和水加入搅拌机中混合均匀形成混合物，制成糊状的负极浆料
步骤三、将制备的正极和负极浆料经涂布机均匀的涂布在铝箔上，然后干燥2h，使用辊压机将其压成薄片，接着在真空干燥机中干燥8-10h，烘干后制成正极片和负极片。
步骤四、分别对烘干的正极片和负极片进行激光切片，切除极片两侧边缘处的区域，对切割后的正极片和负极片连同聚乙烯薄膜一起卷绕形成卷芯，将隔膜、正极片和负极片卷绕成卷芯并放入保护层内，加注电解液后经加装及耳并封装形成耐低温铁锂电池。
进一步地，浆料混合搅拌时间为50min，涂布机的涂布量为80-110g/m2，真空干燥机的气压为0.012-0.013MPa，干燥温度为80-90℃。
本发明与现有技术相比，至少具有如下有益效果：
1、本发明中，通过在电解液中加入聚乙二醇，聚乙二醇中的OH基团与羧酸酯添加剂中的原子相互作用，能够增强电解液的耐低温性能，同时添加的可溶性锂盐优化电解液成分，使得正负电荷传递电阻明显减小，使电池在低温下仍然具有很好的循环性能和较高的比容量，提高电解液的电循环活性，使得锂电池在低温环境下依旧具有稳定的充放电性能。
2、通过将纳米磷酸铁锂与三元材料复合制成锂电池的正极，由于纳米磷酸铁锂的粒径小，比表面积大，有利于离子及电子的传导，提高锂离子扩散系数，同时表面的正极导电剂为离子和电子的传导提供有利条件，能够减缓铁锂电池在低温环境中的电压下降速度，使锂电池低温下放电更充分，从而提高铁锂电池的质量，改变其低温性能差的现状。
附图说明
并入本文中并且构成说明书的部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起进一步用来对本公开的原理进行解释，并且使相关领域技术人员能够实施和使用本公开。
图1为耐低温铁锂电池器件构造的剖面立体结构示意图；
图2为耐低温铁锂电池器件构造的局部结构示意图。
附图标记
1、正极片；2、负极片；3、聚乙烯薄膜；4、保护层。
如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种耐低温铁锂电池器件构造及其制造方法进行详细描述。同时在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。
需要指出的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。
通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。
可以理解的是，本公开中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示“直接在”某物“上”而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义，并且“在……之上”或“在……上方”不仅表示“在”某物“之上”或“上方”的含义，而且还可以包括其“在”某物“之上”或“上方”且其间没有居间特征或层的含义。
此外，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如在附图中示出的。空间相关术语旨在涵盖除了在附图所描绘的取向之外的在设备使用或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向，并且本文中使用的空间相关描述词可以类似地被相应解释。
实施例1
如图1-2所示的，本发明的实施例提供一种耐低温铁锂电池器件构造，包括正极片1和负极片2，正极片1和负极片2通过聚乙烯薄膜3隔离，正极片1、负极片2和聚乙烯薄膜3层叠卷绕后外表面设置有保护层4，保护层4的内部填充有电解液，电解液包括有机溶剂、可溶性锂盐、聚乙二醇和羧酸酯添加剂组成，可溶性锂盐的占比为10％，聚乙二醇的占比为5.5％。
在本实施例中，正极片1包括正极活性材料、粘接剂和正极导电剂，正极活性材料由纳米磷酸铁锂和三元材料复合而成，正极活性材料中磷酸铁锂的占比为92％，三元材料的占比为8％，正极导电剂为碳纤维或碳纳米管中的一种。
在本实施例中，纳米磷酸铁锂的粒径为80nm，三元材料为622型，三元材料的粒径为12um。
在本实施例中，负极片2包括负极活性材料、粘接剂和负极导电剂，负极活性材料为改性天然石墨、中间相石墨、软碳和硬碳中的至少一种，负极导电剂为导电炭黑，导电炭黑的容积密度为200mL/100g。
在本实施例中，保护层4为塑料、橡胶、绝缘纸管、绝缘套管或层压板中的一种材料制成的薄片。
在本实施例中，有机溶剂为硼酸三甲酯、硼酸三丙酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、乙二醇二甲醚、甲基乙基醚、甲基丁基醚中的一种或两种以上的混合而成。
在本实施例中，可溶性锂盐由双氟磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂盐、四氟硼酸锂盐和甲苯亚磺酸锂中的一种或两种以上的混合而成。
在本实施例中，羧酸酯添加剂为癸二酸乙基己酯、癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二辛酯、丁酸乙酯、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的一种或多种混合而成。
一种耐低温铁锂电池器件构造的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、将正极活性材料、正极导电剂和粘接剂放入搅拌机中混合均匀，持续搅拌并加水升温至40℃形成混合物，制成糊状的正极浆料。
步骤二、将负极活性材料加入球磨机中进行研磨，将其粒径研磨至12um范围，然后将研磨的负极活性材料、负极导电剂、粘接剂和水加入搅拌机中混合均匀形成混合物，制成糊状的负极浆料
步骤三、将制备的正极和负极浆料经涂布机均匀的涂布在铝箔上，然后干燥2h，使用辊压机将其压成薄片，接着在真空干燥机中干燥10h，烘干后制成正极片和负极片。
步骤四、分别对烘干的正极片和负极片进行激光切片，切除极片两侧边缘处的区域，对切割后的正极片和负极片连同聚乙烯薄膜一起卷绕形成卷芯，将隔膜、正极片和负极片卷绕成卷芯并放入保护层内，加注电解液后经加装及耳并封装形成耐低温铁锂电池。
在本实施例中，浆料混合搅拌时间为50min，涂布机的涂布量为80g/m2，真空干燥机的气压为0.012MPa，干燥温度为80℃。
实施例2
如图1-2所示的，本发明的实施例提供一种耐低温铁锂电池器件构造，包括正极片1和负极片2，正极片1和负极片2通过聚乙烯薄膜3隔离，正极片1、负极片2和聚乙烯薄膜3层叠卷绕后外表面设置有保护层4，保护层4的内部填充有电解液，电解液包括有机溶剂、可溶性锂盐、聚乙二醇和羧酸酯添加剂组成，可溶性锂盐的占比为15％，聚乙二醇的占比为4％。
在本实施例中，正极片1包括正极活性材料、粘接剂和正极导电剂，正极活性材料由纳米磷酸铁锂和三元材料复合而成，正极活性材料中磷酸铁锂的占比为95％，三元材料的占比为5％，正极导电剂为碳纤维或碳纳米管中的一种。
在本实施例中，纳米磷酸铁锂的粒径为65nm，三元材料为622型，三元材料的粒径为11um。
在本实施例中，负极片2包括负极活性材料、粘接剂和负极导电剂，负极活性材料为改性天然石墨、中间相石墨、软碳和硬碳中的至少一种，负极导电剂为导电炭黑，导电炭黑的容积密度为250mL/100g。
在本实施例中，保护层4为塑料、橡胶、绝缘纸管、绝缘套管或层压板中的一种材料制成的薄片。
在本实施例中，有机溶剂为硼酸三甲酯、硼酸三丙酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、乙二醇二甲醚、甲基乙基醚、甲基丁基醚中的一种或两种以上的混合而成。
在本实施例中，可溶性锂盐由双氟磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂盐、四氟硼酸锂盐和甲苯亚磺酸锂中的一种或两种以上的混合而成。
在本实施例中，羧酸酯添加剂为癸二酸乙基己酯、癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二辛酯、丁酸乙酯、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的一种或多种混合而成。
一种耐低温铁锂电池器件构造的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、将正极活性材料、正极导电剂和粘接剂放入搅拌机中混合均匀，持续搅拌并加水升温至35℃形成混合物，制成糊状的正极浆料。
步骤二、将负极活性材料加入球磨机中进行研磨，将其粒径研磨至9um范围，然后将研磨的负极活性材料、负极导电剂、粘接剂和水加入搅拌机中混合均匀形成混合物，制成糊状的负极浆料
步骤三、将制备的正极和负极浆料经涂布机均匀的涂布在铝箔上，然后干燥2h，使用辊压机将其压成薄片，接着在真空干燥机中干燥9h，烘干后制成正极片和负极片。
步骤四、分别对烘干的正极片和负极片进行激光切片，切除极片两侧边缘处的区域，对切割后的正极片和负极片连同聚乙烯薄膜一起卷绕形成卷芯，将隔膜、正极片和负极片卷绕成卷芯并放入保护层内，加注电解液后经加装及耳并封装形成耐低温铁锂电池。
在本实施例中，浆料混合搅拌时间为50min，涂布机的涂布量为95g/m2，真空干燥机的气压为0.0125MPa，干燥温度为85℃。
实施例3
如图1-2所示的，本发明的实施例提供一种耐低温铁锂电池器件构造，包括正极片1和负极片2，正极片1和负极片2通过聚乙烯薄膜3隔离，正极片1、负极片2和聚乙烯薄膜3层叠卷绕后外表面设置有保护层4，保护层4的内部填充有电解液，电解液包括有机溶剂、可溶性锂盐、聚乙二醇和羧酸酯添加剂组成，可溶性锂盐的占比为20％，聚乙二醇的占比为5.5％。
在本实施例中，正极片1包括正极活性材料、粘接剂和正极导电剂，正极活性材料由纳米磷酸铁锂和三元材料复合而成，正极活性材料中磷酸铁锂的占比为98％，三元材料的占比为2％，正极导电剂为碳纤维或碳纳米管中的一种。
在本实施例中，纳米磷酸铁锂的粒径为80nm，三元材料为622型，三元材料的粒径为12um。
在本实施例中，负极片2包括负极活性材料、粘接剂和负极导电剂，负极活性材料为改性天然石墨、中间相石墨、软碳和硬碳中的至少一种，负极导电剂为导电炭黑，导电炭黑的容积密度为300mL/100g。
在本实施例中，保护层4为塑料、橡胶、绝缘纸管、绝缘套管或层压板中的一种材料制成的薄片。
在本实施例中，有机溶剂为硼酸三甲酯、硼酸三丙酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、乙二醇二甲醚、甲基乙基醚、甲基丁基醚中的一种或两种以上的混合而成。
在本实施例中，可溶性锂盐由双氟磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂盐、四氟硼酸锂盐和甲苯亚磺酸锂中的一种或两种以上的混合而成。
在本实施例中，羧酸酯添加剂为癸二酸乙基己酯、癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二辛酯、丁酸乙酯、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的一种或多种混合而成。
一种耐低温铁锂电池器件构造的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、将正极活性材料、正极导电剂和粘接剂放入搅拌机中混合均匀，持续搅拌并加水升温至40℃形成混合物，制成糊状的正极浆料。
步骤二、将负极活性材料加入球磨机中进行研磨，将其粒径研磨至12um范围，然后将研磨的负极活性材料、负极导电剂、粘接剂和水加入搅拌机中混合均匀形成混合物，制成糊状的负极浆料
步骤三、将制备的正极和负极浆料经涂布机均匀的涂布在铝箔上，然后干燥2h，使用辊压机将其压成薄片，接着在真空干燥机中干燥10h，烘干后制成正极片和负极片。
步骤四、分别对烘干的正极片和负极片进行激光切片，切除极片两侧边缘处的区域，对切割后的正极片和负极片连同聚乙烯薄膜一起卷绕形成卷芯，将隔膜、正极片和负极片卷绕成卷芯并放入保护层内，加注电解液后经加装及耳并封装形成耐低温铁锂电池。
在本实施例中，浆料混合搅拌时间为50min，涂布机的涂布量为110g/m2，真空干燥机的气压为0.013MPa，干燥温度为90℃。
本发明提供的技术方案，通过在电解液中加入聚乙二醇，聚乙二醇中的OH基团与羧酸酯添加剂中的原子相互作用，能够增强电解液的耐低温性能，同时添加的可溶性锂盐优化电解液成分，使得正负电荷传递电阻明显减小，使电池在低温下仍然具有很好的循环性能和较高的比容量，提高电解液的电循环活性，使得锂电池在低温环境下依旧具有稳定的充放电性能，通过将纳米磷酸铁锂与三元材料复合制成锂电池的正极，由于纳米磷酸铁锂的粒径小，比表面积大，有利于离子及电子的传导，提高锂离子扩散系数，同时表面的正极导电剂为离子和电子的传导提供有利条件，能够减缓铁锂电池在低温环境中的电压下降速度，使锂电池低温下放电更充分，从而提高铁锂电池的质量，改变其低温性能差的现状。
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种耐低温铁锂电池器件构造，其特征在于，包括正极片(1)和负极片(2)，所述正极片(1)和负极片(2)通过聚乙烯薄膜(3)隔离，所述正极片(1)、负极片(2)和聚乙烯薄膜(3)层叠卷绕后外表面设置有保护层(4)，所述保护层(4)的内部填充有电解液，所述电解液包括有机溶剂、可溶性锂盐、聚乙二醇和羧酸酯添加剂组成，所述可溶性锂盐的占比为10-20％，所述聚乙二醇的占比为3-5.5％。
2.根据权利要求1所述的一种耐低温铁锂电池器件构造，其特征在于，所述正极片(1)包括正极活性材料、粘接剂和正极导电剂，所述正极活性材料由纳米磷酸铁锂和三元材料复合而成，所述正极活性材料中磷酸铁锂的占比为92-98％，三元材料的占比为2-8％，所述正极导电剂为碳纤维或碳纳米管中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种耐低温铁锂电池器件构造，其特征在于，所述纳米磷酸铁锂的粒径为50-80nm，所述三元材料为622型，所述三元材料的粒径为10-12um。
4.根据权利要求1所述的一种耐低温铁锂电池器件构造，其特征在于，所述负极片(2)包括负极活性材料、粘接剂和负极导电剂，所述负极活性材料为改性天然石墨、中间相石墨、软碳和硬碳中的至少一种，所述负极导电剂为导电炭黑，所述导电炭黑的容积密度为200-300mL/100g。
5.根据权利要求1所述的一种耐低温铁锂电池器件构造，其特征在于，所述保护层(4)为塑料、橡胶、绝缘纸管、绝缘套管或层压板中的一种材料制成的薄片。
6.根据权利要求1所述的一种耐低温铁锂电池器件构造，其特征在于，所述有机溶剂为硼酸三甲酯、硼酸三丙酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、乙二醇二甲醚、甲基乙基醚、甲基丁基醚中的一种或两种以上的混合而成。
7.根据权利要求1所述的一种耐低温铁锂电池器件构造，其特征在于，所述可溶性锂盐由双氟磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂盐、四氟硼酸锂盐和甲苯亚磺酸锂中的一种或两种以上的混合而成。
8.根据权利要求1所述的一种耐低温铁锂电池器件构造，其特征在于，所述羧酸酯添加剂为癸二酸乙基己酯、癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二辛酯、丁酸乙酯、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的一种或多种混合而成。
9.一种耐低温铁锂电池器件构造的制造方法，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的一种耐低温铁锂电池器件构造，还包括以下步骤：
步骤一、将正极活性材料、正极导电剂和粘接剂放入搅拌机中混合均匀，持续搅拌并加水升温至30-40℃形成混合物，制成糊状的正极浆料；
步骤二、将负极活性材料加入球磨机中进行研磨，将其粒径研磨至5-12um范围，然后将研磨的负极活性材料、负极导电剂、粘接剂和水加入搅拌机中混合均匀形成混合物，制成糊状的负极浆料；
步骤三、将制备的正极和负极浆料经涂布机均匀的涂布在铝箔上，然后干燥2h，使用辊压机将其压成薄片，接着在真空干燥机中干燥8-10h，烘干后制成正极片和负极片；
步骤四、分别对烘干的正极片和负极片进行激光切片，切除极片两侧边缘处的区域，对切割后的正极片和负极片连同聚乙烯薄膜一起卷绕形成卷芯，将隔膜、正极片和负极片卷绕成卷芯并放入保护层内，加注电解液后经加装及耳并封装形成耐低温铁锂电池。
10.根据权利要求9所述的一种耐低温铁锂电池器件构造的制造方法，其特征在于，所述浆料混合搅拌时间为50min，所述涂布机的涂布量为80-110g/m2，所述真空干燥机的气压为0.012-0.013MPa，干燥温度为80-90℃。
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