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CN112599840A - 一种高倍率高比能量锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

一种高倍率高比能量锂离子电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高倍率高比能量锂离子电池，其包括：正极片、负极片、隔膜、电解液、钢壳、盖帽，所述正极片按重量百分比计算，包括如下组分：镍钴铝酸锂或镍钴锰酸锂86‑97.5％、锰酸锂0‑10％、石墨烯0.5‑1％、科琴黑1‑1.5％、聚偏氟乙烯1‑1.5％；所述负极片按重量百分比计算，包括如下组分：石墨硅碳95.3‑97％、导电炭黑1‑2％、羧甲基纤维素钠1‑1.2％、丁苯橡胶1‑1.5％。该高倍率高比能量锂离子电池稳定性较好、循环性能高、功率密度高，可应用于电动工具、割草机等大功率电器上。

Description

一种高倍率高比能量锂离子电池及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种高倍率高比能量锂离子电池，具体涉及一种高倍率高比能量锂离子电池及其制备方法。
【背景技术】
三元材料是指由三种化学成分(元素)、组分(单质及化合物)或部分(零件)组成的材料整体，包括合金、无机非金属材料、有机材料、高分子复合材料等，广泛应用于矿物提取、金属冶炼、材料加工、新型能源等行业。三元材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高，钴酸锂和三元材料都是良好的锂电池正极材料，但是现有的三元材料加工性能不稳定，因其对生产环境的湿度要求高，易出现吸水后浆料变稠，导致涂布面密度不稳定，生产的产品合格率低于90％，且产品的安全性能差、倍率循环性能不达标，如重物冲击不能完全达标，电池的热稳定性差内部短路后容易热扩散，爆炸起火，循环性能1C8C充放低于300周，功率密度低为≦500Wh/kg，无法在电动工具、割草机等大功率电器上使用。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明提供一种高倍率高比能量锂离子电池及其制备方法，最终制得的电池稳定性较好、循环性能高、功率密度高，可应用于电动工具、割草机等大功率电器上。
本发明是通过以下技术方案实现的，提供一种高倍率高比能量锂离子电池，其包括：正极片、负极片、隔膜、电解液、钢壳、盖帽，所述正极片按重量百分比计算，包括如下组分：
镍钴铝酸锂或镍钴锰酸锂86-96％、锰酸锂0-10％、石墨烯0.5-1％、科琴黑1-1.5％、聚偏氟乙烯1-1.5％，于本发明中，正极片中各个组分的含量需按上述进行配比，若各组分含量高于对应的范围，其加工及性能将达不到最终所需，若低于对应范围，则会使最终制得的锂离子电池比能量低；
所述负极片按重量百分比计算，包括如下组分：
石墨硅碳95.3-97％、导电炭黑1-2％、羧甲基纤维素钠1-1.2％、丁苯橡胶1-1.5％。
特别的，所述石墨硅碳的克容量为：400-420mAh/g；于本发明中，若石墨碳的克容量低于400mAh/g将达不到压实要求，若高于420mAh/g，在增加成本的同时会使最终制备的锂离子电池性能变差。
本发明还提供一种高倍率高比能量锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
S1正极片的制作：首先将镍钴铝酸锂或镍钴锰酸锂、锰酸锂、石墨烯、科琴黑、聚偏氟乙烯混合加入双星行打浆机中打制2h制成一次浆料；将制成的一次浆料加入高速分散机中，使粘度达到8000±1000mPa.s，获得二次浆料；将获得的二次浆料采用喷涂设备按120-160g/㎡的面密度涂覆在14-16μm厚的铝箔上，烘干制成含水量≤0.15％的半成品正极片；将半成品正极片按照活性物3.3-3.6g/mm3的压实密度进行滚压制成密实的极片，然后用全自动分切设备分切为57-58mm宽小片，获得正极片；
S2负极片的制作：将石墨硅碳、导电炭黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶混合加入双星行打浆机中打制2h制成一次浆料；将制成的一次浆料加入高速分散机中，使粘度达到6000±1000mPa.s，获得二次浆料；将获得的二次浆料采用喷涂设备按照70-85g/㎡的面密度涂覆在9-10μm厚的铜箔上，烘干制成含水量≤0.15％的半成品极片；将半成品正极片按照活性物1.4-1.6g/mm3的压实密度进行滚压制成密实的极片，然后用全自动分切设备分切为58.5-59.5mm宽小片，获得负极片；
S3半成品电芯的制备：将S1制得的正极片、S2制得的负极片分别按要求安装在全自动卷绕机上，用陶瓷隔膜同时正极片焊接0.1mm厚4mm宽的铝带，负极片焊接0.08mm厚4mm宽的镍带后进行卷绕，制成直径17.5±0.25mm，高度61±1mm的卷芯；将制成的卷芯插入治具中，放入真空烤箱，通过抽真空，充氮气，在温度为85±10℃、压力为-40至-90MPa的下进行烘烤，三步循环烘烤16H后，使卷芯中水份含量减少≤200PPM，获得半成品电芯；
S4电芯制备：采用全自动上下垫片入壳，焊接负极耳与钢壳后插入PIN，上上垫片，滚槽，测试短路，注入电解液5.6±0.2g；焊接正极耳与盖帽后封口，清洗，获得电芯；
S5电池制备：将S4制得的电芯在温度为35-45℃的环境下老化36H后，上到化成柜上进行化成，用0.2C的电流充电10H后(此处时间短无法充分激活电池，充电时间太长浪费成本)，将电芯先在温度为40±5℃的环境下老化五天，然后对电芯进行电压内阻筛选，合格电芯分容单充电压控制在3.6-3.9V，并在温度为40±5℃的环境下老化五天，老化过程中包好PET，然后通过配组机筛选电芯成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、最后将容量≥2500mAh的电芯，FQC外观全检合格后的电芯，按照容量40mAh,电压3mV，内阻2mΩ配好组，检查合格后制得高倍率高比能量锂离子电池。
特别的，所述S1中双星行打浆机的自转转速为48转/min，公转转速为1700转/min，所述高速分散机的转速为4000±500转/min。
特别的，所述S2中双星行打浆机的自转转速为48转/min，公转转速为1500转/min，所述高速分散机的转速为3500±500转/min。
特别的，所述S3中陶瓷隔膜采用8μm的PE膜两面各涂覆3μm的α晶型三氧化二铝制成，该陶瓷隔膜的宽度为60.5mm。
特别的，所述S4中制备环境温度为20-25℃，露点温度≦-38℃。
本发明提供一种高倍率高比能量锂离子电池，其重物冲击百分之百达标、热稳定性大大增强，循环性能1C充8C放超过100周，容量保持率达到65％以上、能量密度≧200Wh/kg，功率密度≧2000W/kg。
【附图说明】
图1为现有技术锂离子电池的循环性能图；
图2为本发明锂离子电池的循环性能图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1：
一种高倍率高比能量锂离子电池，其正极片按重量百分比计算，包括如下组分：镍钴铝酸锂/镍钴锰酸锂90％、锰酸锂7％、石墨烯1％、科琴黑1％、聚偏氟乙烯1％；负极片按重量百分比计算，包括如下组分：石墨硅碳96.5％、导电炭黑1％、羧甲基纤维素钠1％、丁苯橡胶1.5％。
实施例2：
一种高倍率高比能量锂离子电池，其正极片按重量百分比计算，包括如下组分：镍钴铝酸锂97.5％、锰酸锂10％、石墨烯0.5％、科琴黑1.5％、聚偏氟乙烯1.2％；负极片按重量百分比计算，包括如下组分：石墨硅碳97％、导电炭黑1.7％、羧甲基纤维素钠1.2％、丁苯橡胶1.3％。
实施例3：
一种高倍率高比能量锂离子电池，其正极片按重量百分比计算，包括如下组分：镍钴铝酸锂86％、石墨烯0.8％、科琴黑1.2％、聚偏氟乙烯1.5％；负极片按重量百分比计算，包括如下组分：石墨硅碳95.3％、导电炭黑2％、羧甲基纤维素钠1.1％、丁苯橡胶1.25％。
对比例：
一种高倍率高比能量锂离子电池，其正极片按重量百分比计算，包括如下组分：镍钴锰酸锂95.5％、碳纳米管1％、导电石墨1.5％、聚偏氟乙烯2％；负极粉料配方为：石墨95.5％、导电炭黑1％、羧甲基纤维素钠1.5％、丁苯橡胶2％。
将制得的正极片和负极片按照如下方法制作成电池：
S1正极片的制作：首先将镍钴铝酸锂或镍钴锰酸锂、锰酸锂、石墨烯、科琴黑、聚偏氟乙烯混合加入双星行打浆机中打制2h制成一次浆料；将制成的一次浆料加入高速分散机中，使粘度达到8000±1000mPa.s，获得二次浆料；将获得的二次浆料采用喷涂设备按120-160g/㎡的面密度涂覆在14-16μm厚的铝箔上，烘干制成含水量≤0.15％的半成品正极片；将半成品正极片按照活性物3.3-3.6g/mm3的压实密度进行滚压制成密实的极片，然后用全自动分切设备分切为57-58mm宽小片，获得正极片；
S2负极片的制作：将石墨硅碳、导电炭黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶混合加入双星行打浆机中打制2h制成一次浆料；将制成的一次浆料加入高速分散机中，使粘度达到6000±1000mPa.s，获得二次浆料；将获得的二次浆料采用喷涂设备按照70-85g/㎡的面密度涂覆在9-10μm厚的铜箔上，烘干制成含水量≤0.15％的半成品极片；将半成品正极片按照活性物1.4-1.6g/mm3的压实密度进行滚压制成密实的极片，然后用全自动分切设备分切为58.5-59.5mm宽小片，获得负极片；
S3半成品电芯的制备：将S1制得的正极片焊接0.1mm厚4mm宽的铝带，S2制得的负极片焊接0.08mm厚4mm宽的镍带时正极片焊接0.1mm厚4mm宽的铝带，之后将焊接好后的正极片、负极片之间焊接陶瓷隔膜卷绕在全自动卷绕机上、S2制得的负极片分别按要求安装在全自动卷绕机上，制成直径17.5±0.25mm，高度61±1mm的卷芯；将制成的卷芯插入治具中，放入真空烤箱，通过抽真空，充氮气，在温度为85±10℃、压力为-40至-90MPa的条件行烘烤，三步循环烘烤16H后，使卷芯中水份含量减少≤200PPM，获得半成品电芯；
S4电芯制备：采用全自动上下垫片入壳，焊接负极耳与钢壳后插入PIN，上上垫片，滚槽，测试短路，注入电解液5.6±0.2g；焊接正极耳与盖帽后封口，清洗，获得电芯；
S5电池制备：将S4制得的电芯在温度为35-45℃的环境下老化36H后，上到化成柜上进行化成，用0.2C的电流充电10H后,将电芯先在温度为40±5℃的环境下老化五天，然后对电芯进行电压内阻筛选，合格电芯分容单充电压控制在3.6-3.9V，并在温度为40±5℃的环境下老化五天，老化过程中包好PET，然后通过配组机筛选电芯成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、最后将容量≥2500mAh的电芯，FQC外观全检合格后的电芯，按照容量40mAh,电压3mV，内阻2mΩ配好组，检查合格后制得高倍率高比能量锂离子电池。
电池稳定性较好、循环性能高、功率密度高
以下选用现有锂离子电池作为循环性能测试对象，其重量为44.41g，经测试此电池的电池比能量为206.1wh/g，电池功率密度为610.9w/kg；本发明同样选用重量为44.51g，经测试本发明提供的电池比能量为208.4wh/g，电池功率密度为2060w/kg；由此可见本发明提供的电池比能量和功率密度得到了提升，以下通过对现有技术中锂离子电池和本发明提供的锂离子电池在1C充8C的条件下进行循环性能测试，获得图1、图2，其中图1为现有技术锂离子电池循环100周的循环性能图，图2为本发明提供电池在循环300周的循环性能图，在循环性能测试中，现有技术中提供的电池在循环50周以后其容量保持率开始下降，到100周后下降至59.1％；本发明提供电池在循环100周后其容量保持率仍为95.2％，在循环300周后，其容量保持率为83.8％，远远大于现有锂离子电池循环100周后的容量保持率。综上所述，本发明提供的锂离子电池的容量保持率、功率密度、能量密度等确实较现有技术得到了提升，可应用于汽车启动器、割草机、冲击转等设备上。

Claims (7)

1.一种高倍率高比能量锂离子电池，其包括：正极片、负极片、隔膜、电解液、钢壳、盖帽，其特征在于，
所述正极片按重量百分比计算，包括如下组分：
镍钴铝酸锂或镍钴锰酸锂86-97.5％、锰酸锂0-10％、石墨烯0.5-1％、科琴黑1-1.5％、聚偏氟乙烯1-1.5％；
所述负极片按重量百分比计算，包括如下组分：
石墨硅碳95.3-97％、导电炭黑1-2％、羧甲基纤维素钠1-1.2％、丁苯橡胶1-1.5％。
2.根据权利要求1所述的一种高倍率高比能量锂离子电池，其特征在于，所述石墨硅碳的克容量为：400-420mAh/g。
3.一种高倍率高比能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1正极片的制作：首先将镍钴铝酸锂或镍钴锰酸锂、锰酸锂、石墨烯、科琴黑、聚偏氟乙烯混合加入双星行打浆机中打制2h制成一次浆料；将制成的一次浆料加入高速分散机中，使粘度达到8000±1000mPa.s，获得二次浆料；将获得的二次浆料采用喷涂设备按120-160g/㎡的面密度涂覆在14-16μm厚的铝箔上，烘干制成含水量≤0.15％的半成品正极片；将半成品正极片按照活性物3.3-3.6g/mm3的压实密度进行滚压制成密实的极片，然后用全自动分切设备分切为57-58mm宽小片，获得正极片；
S2负极片的制作：将石墨硅碳、导电炭黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶混合加入双星行打浆机中打制2h制成一次浆料；将制成的一次浆料加入高速分散机中，使粘度达到6000±1000mPa.s，获得二次浆料；将获得的二次浆料采用喷涂设备按照70-85g/㎡的面密度涂覆在9-10μm厚的铜箔上，烘干制成含水量≤0.15％的半成品极片；将半成品正极片按照活性物1.4-1.6g/mm3的压实密度进行滚压制成密实的极片，然后用全自动分切设备分切为58.5-59.5mm宽小片，获得负极片；
S3半成品电芯的制备：将S1制得的正极片焊接0.1mm厚4mm宽的铝带，S2制得的负极片焊接0.08mm厚4mm宽的镍带时正极片焊接0.1mm厚4mm宽的铝带，之后将焊接好后的正极片、负极片之间焊接陶瓷隔膜卷绕在全自动卷绕机上、S2制得的负极片分别按要求安装在全自动卷绕机上，制成直径17.5±0.25mm，高度61±1mm的卷芯；将制成的卷芯插入治具中，放入真空烤箱，通过抽真空，充氮气，在温度为85±10℃、压力为-40至-90MPa的条件行烘烤，三步循环烘烤16H后，使卷芯中水份含量减少≤200PPM，获得半成品电芯；
S4电芯制备：采用全自动上下垫片入壳，焊接负极耳与钢壳后插入PIN，上上垫片，滚槽，测试短路，注入电解液5.6±0.2g；焊接正极耳与盖帽后封口，清洗，获得电芯；
S5电池制备：将S4制得的电芯在温度为35-45℃的环境下老化36H后，上到化成柜上进行化成，用0.2C的电流充电10H后,将电芯先在温度为40±5℃的环境下老化五天，然后对电芯进行电压内阻筛选，合格电芯分容单充电压控制在3.6-3.9V，并在温度为40±5℃的环境下老化五天，老化过程中包好PET，然后通过配组机筛选电芯成不同电压内阻档次，将合格电芯分容、最后将容量≥2500mAh的电芯，FQC外观全检合格后的电芯，按照容量40mAh,电压3mV，内阻2mΩ配好组，检查合格后制得高倍率高比能量锂离子电池。
4.根据权利要求1所述的一种高倍率高比能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述S1中双星行打浆机的自转转速为48转/min，公转转速为1700转/min，所述高速分散机的转速为4000±500转/min。
5.根据权利要求1所述的一种高倍率高比能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述S2中双星行打浆机的自转转速为48转/min，公转转速为1500转/min，所述高速分散机的转速为3500±500转/min。
6.根据权利要求1所述的一种高倍率高比能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述S3中陶瓷隔膜采用8μm的PE膜两面各涂覆3μm的α晶型三氧化二铝制成，该陶瓷隔膜的宽度为60.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种高倍率高比能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述S4中制备环境温度为20-25℃，露点温度≦-38℃。
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