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CN112290079A - 一种快充锂离子电池 - Google Patents

一种快充锂离子电池 Download PDF

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龙海涛
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马柱
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Abstract

本发明公开一种快充锂离子电池，包括正极、隔膜、负极和电解液，所述正极包括铝箔和涂覆于铝箔的正极主材层，正极主材层包括磷酸铁锂、导电剂和粘接剂；所述负极包括铜箔、负极主材层和位于负极主材层中的导电夹层；其中负极主材层包括人造石墨、导电剂、粘结剂和分散剂；该发明利用磷酸铁锂正极与具有夹层结构的负极相配合，5C充电符合快速充电标准。

Description

一种快充锂离子电池
技术领域
本发明涉及化学电池技术领域，特别是涉及一种快充锂离子电池。
背景技术
对于锂离子电池的发展，除了能量密度与安全性能，充电速度也成了一项关键的评价指标。目前，各个厂家都开始快充电池的开发，对于快充体系，关键在于负极接收锂离子的速度和能力。负极接收锂离子速度和能力不足，极易造成负极析锂，析锂将导致电池出现安全事故。尤其是针对负极涂布厚度大于600g/cm2的厚涂布锂离子电池，负极层在厚度方向上锂离子传导不畅，阻抗增加，导致电池的充电速度较慢，限制锂离子电池的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快充锂离子电池，该发明利用磷酸铁锂正极与具有夹层结构的负极相配合，5C充电符合快速充电标准。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种快充锂离子电池，包括正极、隔膜、负极和电解液，所述正极包括铝箔和涂覆于铝箔的正极主材层，正极主材层包括磷酸铁锂、导电剂和粘接剂；
所述负极包括铜箔、负极主材层和位于负极主材层中的导电夹层；
其中负极主材层包括人造石墨、导电剂、粘结剂和分散剂。
优选所述铝箔和正极主材层之间还包括一正极导电涂层；
正极导电涂层厚度在1μm至3μm之间。
本发明使用静电纺丝喷涂技术制得正极导电涂层，正极导电涂层改善界面性能，减小接触电阻、增强活性材料和铝箔的结合强度，增进集流体的稳定性；正极导电涂层可帮助锂电子快速脱出，保持正极结构稳定，可反复的脱嵌电子。
本发明中所述磷酸铁锂颗粒D50为5μm至8μm。本发明正极选用磷酸铁锂主要目的在于磷酸铁锂的安全性能较高；选用小颗粒的磷酸铁锂在于锂离子脱出材料时，通过的路径较短，可以快速的从正极脱出，传导入负极，利于实现快速充电。
优选所述负极主材层按照质量分数包括：
Figure BDA0002730635020000021
本发明的负极主材层为常用的材料，一般选用的D50在10μm至25μm之间方便本发明针对现有技术进行改善。
优选负极主材层和导电夹层的总厚度为L，所述导电夹层朝向所述隔膜的一侧与所述隔膜之间的距离1/3L至1/2L。本发明中导电夹层的位置对负极的嵌入锂离子的速度有影响。
所述导电夹层的厚度为8μm至10μm。本发明中导电夹层的导电性能优于负极主层，夹层越厚，导电性能越好，但是导电夹层的固含量低，导电夹层越厚，整体的能量密度越低。
优选所述导电夹层按照质量分数包括以下物质：
Figure BDA0002730635020000022
Figure BDA0002730635020000031
其中，小颗粒人造石墨D50为3μm至6μm。
优选所述铜箔和负极主材层之间还有负极导电涂层；
负极导电涂层厚度在1μm至3μm之间。
本发明中负极导电涂层改善界面性能，减小接触电阻、增强活性材料和铜箔的结合强度，增进集流体的稳定性；负极导电涂层帮助锂电子快速嵌入负极，保持负极结构稳定，可反复的脱嵌电子；
进一步优选所述正极导电涂层和负极导电涂层导电浆料包括碳纳米管、石墨烯和导电炭黑中的一种或者几种。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明在厚涂布的负极主材层中设置导电夹层缓冲负极厚涂布带来的极化阻抗，导电夹层利于锂离子快速传导，缓解负极层在厚度方向上锂离子传导不畅带来的阻抗增加，增加导电夹层，可提升负极接收电子的速度，即提升充电速度；
2、本发明锂离子电池通过带有导电夹层的负极和使用磷酸铁锂的正极配合，体系的内阻显著降低，安全性提升，且倍率性能显著提升，5C充电容量保持率在96％以上，符合快充的标准。
从而实现本发明的上述目的。
附图说明
图1是本发明涉及的一种快充锂离子电池的剖面结构示意图。
图中：
正极1；铝箔11；正极主材层12；正极导电涂层13；隔膜2；负极3；铜箔31；负极主材层32；导电夹层33；负极导电涂层34。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例1
本实施例公开一种快充锂离子电池，如图1所示，包括正极1、隔膜2、负极3和电解液，所述正极1包括铝箔11和涂覆于铝箔11的正极主材层12，正极主材层12按照质量分数包括97％磷酸铁锂、1％导电剂和2％粘接剂；
所述负极3包括铜箔31、负极主材层32和位于负极主材层32中的导电夹层33；
其中负极主材层32按照质量分数包括95％人造石墨、3％导电剂、1％粘结剂和1％分散剂。
本实施例中所述铝箔11和正极主材层12之间还包括一正极导电涂层13；正极导电涂层13厚度为1μm。
本实施例中所述磷酸铁锂颗粒D50为5μm至8μm。
本实施例中负极主材层32和导电夹层33的总厚度为L，所述导电夹层33朝向所述隔膜2的一侧与所述隔膜2之间的距离为1/2L。
所述导电夹层33的厚度为8μm。
本实施例中所述导电夹层33按照质量分数包括以下物质：
92％小颗粒石墨、4％导电剂、2％粘结剂、2％分散剂。
其中，小颗粒人造石墨D50为3μm至6μm。
本实施例中所述铜箔31和负极主材层32之间还有负极导电涂层34；负极导电涂层34厚度为1μm。
本实施例中所述正极导电涂层13和负极导电涂层34导电浆料为碳纳米管。
本实施例中电池具体的制备方法如下：
将正极1、负极3经过搅拌、涂布、冷压、分条，制片；
将正极1和极片的极片与隔膜2一起经过叠片工艺得到裸电芯，裸电芯经过封装、注液、静置、化成、分容后，得到成品电池。
实施例2
本实施例与实施例1的主要区别在于：
正极主材层12按照质量分数包括96％磷酸铁锂、2％导电剂和2％粘结剂；
负极主材层32按照质量分数包括96％人造石墨、2％导电剂、1％粘结剂和1％分散剂。
正极导电涂层13和负极导电涂层34选用石墨烯，厚度在2μm；
导电夹层33按照质量分数包括93％小颗粒人造石墨、3％导电剂、3％粘结剂、1％分散剂；导电夹层33厚度9μm，所述导电夹层33朝向所述隔膜2的一侧与所述隔膜2之间的距离为5/12L。
本实施例中电池具体的制备方法如下：
将正极1、负极3经过搅拌、涂布、冷压、分条，制片；
将正极1和极片的极片与隔膜2一起经过叠片工艺得到裸电芯，裸电芯经过封装、注液、静置、化成、分容后，得到成品电池。
实施例3
本实施例与实施例1的主要区别在于：
正极主材层12按照质量分数包括：95％磷酸铁锂、3％导电剂和2％粘结剂；
负极主材层32按照质量分数包括：94％人造石墨、3％导电剂、1％粘结剂、2％分散剂；
正极导电涂层13和负极导电涂层34选用SP，厚度在3μm；
导电夹层33按照质量分数包括94％小颗粒人造石墨、3％导电剂、1％粘结剂、2％分散剂；导电夹层33厚度10μm，所述导电夹层33朝向所述隔膜2的一侧与所述隔膜2之间的距离为1/3L。
本实施例中电池具体的制备方法如下：
将正极1、负极3经过搅拌、涂布、冷压、分条，制片；
将正极1和极片的极片与隔膜2一起经过叠片工艺得到裸电芯，裸电芯经过封装、注液、静置、化成、分容后，得到成品电池。
实施例4
本实施例与实施例1的主要区别在于：
正极主材层12按照质量分数包括：95％磷酸铁锂、3％导电剂和2％粘结剂；
负极主材层32按照质量分数包括：93％人造石墨、3％导电剂、2％粘结剂和2％分散剂；
正极导电涂层13和负极导电涂层34选用石墨烯，厚度在2μm；
导电夹层33按照质量分数包括95％小颗粒人造石墨、2％导电剂、1.5％粘结剂和1.5％分散剂；
导电夹层33厚度9μm，所述导电夹层33朝向所述隔膜2的一侧与所述隔膜2之间的距离为1/3L。
本实施例中电池具体的制备方法如下：
将正极1、负极3经过搅拌、涂布、冷压、分条，制片；
将正极1和极片的极片与隔膜2一起经过叠片工艺得到裸电芯，裸电芯经过封装、注液、静置、化成、分容后，得到成品电池。
对比例1
本例中无导电涂层和导电夹层33的三元体系：
正极主材层12按照质量分数包括：96.5％三元材料NCM523、2％导电剂和1.5％粘结剂；
负极主材层32按照质量分数包括：95.5％人造石墨、1.5％导电剂、1％粘结剂和2％分散剂。
本实施例中电池具体的制备方法如下：
将正极1、负极3经过搅拌、涂布、冷压、分条，制片；
将正极1和极片的极片与隔膜2一起经过叠片工艺得到裸电芯，裸电芯经过封装、注液、静置、化成、分容后，得到成品电池。
对比例2
本例采用无导电涂层和导电夹层33设计的磷酸铁锂体系：
正极主材层12按照质量分数包括：96.5％磷酸铁锂、2％导电剂和1.5％粘结剂；
负极主材层32按照质量分数包括：95.5％人造石墨、1.5％导电剂、1％粘结剂和2％分散剂。
本实施例中电池具体的制备方法如下：
将正极1、负极3经过搅拌、涂布、冷压、分条，制片；
将正极1和极片的极片与隔膜2一起经过叠片工艺得到裸电芯，裸电芯经过封装、注液、静置、化成、分容后，得到成品电池。
将实施例1至4和对比例1和2制得的成品电池进行电性能测试和安全性能测试，测试结果详见表1和表2所示，具体的测试方法如下：
1、充电倍率测试
分别测试每组电池在0.5C、1C、2C、3C、4C、5C倍率充电下的充电容量，以0.5C做为基准，对比充电性能；
2、内阻测试
利用动态DCR测试方法，在常温下，测试3C充电时，每组电池的DCR；
3、Impact测试
试验样品电池放在一平面上。一根直径7.9mm(5/16英寸)的棒十字交叉放置在样品的中心位置上。一个9.1KG(20磅)的重物从61cm(2英尺)的高度跌落到样品上，观察电池的情况。
表1实施例1至4以及对比例1和2制得成品电池充电倍率测试结果
Figure BDA0002730635020000081
Figure BDA0002730635020000091
表2实施例1至4以及对比例1和2制得成品电池内阻测试及安全测试结果
组别 内阻/mΩ 安全测试结果
对比例1 35 起火，不爆照
对比例2 32 不起火、不爆炸
实施例1 23 不起火、不爆炸
实施例2 24 不起火、不爆炸
实施例3 22 不起火、不爆炸
实施例4 21 不起火、不爆炸
从表1和表2的数据对比可知，磷酸铁锂体系比三元体系安全性能好，在安全测试时，磷酸铁锂体系不起火不爆炸，选择磷酸铁锂体系，电池安全性能更好；
采用本发明后，体系的DCR明显减小，说明导电涂层设计与导电夹层33设计，可提升体系的电子电导率，使锂离子可以快速的脱嵌，减小动力学性能不足带来的极化，从而体系的DCR明显减小；
从充电倍率数据说明，本发明提出的导电涂层搭配负极3导电夹层33设计，可有效提升体系的充电倍率性能，本发明制造出的电池，满足5C充电，5C充电容量保持率在96％以上，符合快充的标准。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (9)

1.一种快充锂离子电池，包括正极、隔膜、负极和电解液，其特征在于：
所述正极包括铝箔和涂覆于铝箔的正极主材层，正极主材层包括磷酸铁锂、导电剂和粘接剂；
所述负极包括铜箔、负极主材层和位于负极主材层中的导电夹层；
其中负极主材层包括人造石墨、导电剂、粘结剂和分散剂。
2.如权利要求1所述的一种快充锂离子电池，其特征在于：所述铝箔和正极主材层之间还包括一正极导电涂层；
正极导电涂层厚度在1μm至3μm之间。
3.如权利要求1所述的一种快充锂离子电池，其特征在于：所述磷酸铁锂颗粒D50为5μm至8μm。
4.如权利要求1所述的一种快充锂离子电池，其特征在于：所述负极主材层按照质量分数包括：
Figure FDA0002730635010000011
5.如权利要求1所述的一种快充锂离子电池，其特征在于：
负极主材层和导电夹层的总厚度为L，所述导电夹层朝向所述隔膜的一侧与所述隔膜之间的距离为1/3L至1/2L。
6.如权利要求1所述的一种快充锂离子电池，其特征在于：所述导电夹层的厚度为8μm至10μm。
7.如权利要求1所述的一种快充锂离子电池，其特征在于：所述导电夹层按照质量分数包括以下物质：
Figure FDA0002730635010000021
其中，小颗粒人造石墨D50为3μm至6μm。
8.如权利要求1所述的一种快充锂离子电池，其特征在于：所述铜箔和负极主材层之间还有负极导电涂层；
负极导电涂层厚度在1μm至3μm之间。
9.如权利要求2或者8所述的一种快充锂离子电池，其特征在于：所述正极导电涂层和负极导电涂层导电浆料包括碳纳米管、石墨烯和导电炭黑中的一种或者几种。
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