CN101740809A - 一种大容量动力锂电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的提出了一种可作为动力源应用于汽车领域的大容量动力锂电池及其制备方法。本发明的大容量动力锂电池由正电极、凝胶态聚合物电解质的薄膜和负电极通过堆叠、封装而成，关键在于所述负电极的活性材料为改性钛酸锂；所述正电极的活性材料为三元材料、锰酸锂和磷酸铁锂中的一种或多种；所述凝胶态聚合物电解质的薄膜由锂盐、有机溶剂的溶液与导电聚合物溶液混合、干燥而成。本发明的动力锂电池具有对环境友好、良好的高倍率性能、良好的散热性能等特点，并且制备简单，没有环境污染，无泄漏，存储寿命长，易于大型化，使用温度范围宽，可作为动力源应用在混合电动汽车、电动汽车等领域。

Description

一种大容量动力锂电池及其制备方法
技术领域
本发明属于锂电池能源技术领域，特别涉及到一种大容量动力锂电池及其制备方法。
背景技术
随着社会发展和科技进步，人们对能源的需求越来越大。相比传统的铅酸蓄电池、Ni-Cd、Ni-MH电池来说，锂离子蓄电池具有对环境友好、比能量高(140Wh/kg)、电压平台高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应等特点，已广泛应用于军用、民用领域，包括3C电子产品、各种电动工具等，并有希望作为动力源应用于混合动力车、电动汽车领域。
目前锂电池技术还不够成熟，存在一些问题，特别是单体容量小，这个缺点大大限制了锂离子电池在汽车领域的应用。例如专利CN200810066054.2公开的一种锂电池，其负电极采用占90％～93％质量比的钛酸锂活性物质，正电极采用占88％～90％质量比的磷酸钒锂活性物质，电解液采用碳酸乙烯脂(EC)、碳酸丙烯脂(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)等有机溶剂，其锂离子单体动力电池容量只有335～345mAh；又例如专利CN200810052728.3公开的一种可快速充电的锂电池，其正电极活性物质为锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)、镍钴酸锂(LiNixCoyMzO2)和三元材料(LiNixMnxCo1-2xO2)中的一种或多种，或钴酸锂(LiCoO2)与其中的一种混合物；负电极活性材料为亚微米级钛酸锂；电解质为六氟磷酸锂(LiPF6)，溶剂为乙烯碳酸脂(EC)、二甲基碳酸脂(DMC)和乙基甲基碳酸脂(EMC)的多元混合物，这种锂单体电池容量只有400多mAh。上述两种锂电池都无法作为动力源应用于混合动力车、电动汽车领域。
发明内容
本发明的第一个目的是提出一种可作为动力源应用于汽车领域的大容量动力锂电池。
本发明的大容量动力锂电池由正电极、凝胶态聚合物电解质的薄膜和负电极通过堆叠、封装而成，其中负电极和正电极通过凝胶态聚合物电解质的薄膜隔离，关键在于所述负电极的活性材料为改性钛酸锂；所述正电极的活性材料为三元材料、锰酸锂和磷酸铁锂中的一种或多种；所述凝胶态聚合物电解质的薄膜由锂盐、有机溶剂的溶液与导电聚合物溶液混合、干燥而成。
本发明的大容量动力锂电池由于采用了改性钛酸锂(Li4Ti5O12/C)作为负电极的活性材料，以三元材料(LiNixMnyCo1-x-yO2或LiNixCoyAl1-x-yO2)、锰酸锂(LiMn2O4)和磷酸铁锂(LiFePO4)中的一种或多种作为正电极活性材料，其热稳定性与结构稳定性更好，单体电池容量在20Ah～50Ah左右，具有较高的安全性能，良好的高倍率性能，良好的循环性能和长循环寿命。
所述改性钛酸锂的粒度小于1μm，比表面大于2.0m2/g。
所述导电聚合物溶液的溶质为聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、环氧乙烯-环氧丙烯的均聚物或共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚氨基甲酸脂中的一种或多种混合物，导电聚合物溶液中的溶剂为酮类溶剂、脂类溶剂和杂环化溶剂中的一种或几种混合溶剂。
所述酮类溶剂为丙酮、甲乙酮中的一种或两种混合溶剂，所述脂类溶剂为碳酸二乙脂、碳酸二丙脂、乙酸乙酯、乙酸甲酯、亚硫酸亚乙酯、亚硫酸亚丙酯中的一种或多种混合溶剂，所述杂环化溶剂为r-丁内酯、四氢呋喃中的一种或两种混合溶剂。
所述锂盐为LiPF6、LiClO4、LiBOB、LiBF4、LiBF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(SO2C2F5)2和LiN(SO2C2F5)2中的一种或多种混合物。
所述有机溶剂可以采用酮类或者脂类有机溶剂，没有特别要求。
本发明的第二个目的是提出上述大容量动力锂电池的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
A：将含75％～98％重量的改性钛酸锂、1％～15％重量的导电剂和1％～10％重量的粘结剂溶于溶剂中制成负电极浆料，以9μm～13μm厚的铜箔为集流体，将负电极浆料涂在铜箔正、反面上并干燥，制成极片，然后将极片碾压、剪切，制成负电极；
B：将含80％～98％重量的正电极活性材料、1％～10％重量的导电剂和1％～10％重量的粘结剂溶于溶剂中制成正电极浆料，以15μm～20μm厚的铝箔为集流体，将正电极浆料涂覆在铝箔正、反面上并干燥，制成极片，然后将极片碾压、剪切，制成正电极；
C：将锂盐溶于有机溶剂中制成钾盐溶液，并与导电聚合物溶液混合后涂于聚乙烯多孔薄膜或电极的表面上，干燥后得到凝胶态聚合物电解质的薄膜；
D：将上述的负电极、正电极和凝胶态聚合物电解质的薄膜依次通过堆叠、包膜、焊接极耳、封装工序后得到动力锂电池半成品，其中负电极和正电极通过凝胶态聚合物电解质的薄膜隔离；
E：将D步骤中得到的动力锂电池半成品进行化成、分容、检测，得到动力锂电池成品。
上述A步骤中，负电极浆料在负电极上的涂覆量小于40mg/cm2。
上述B步骤中，正电极浆料在正电极上的涂覆量小于40mg/cm2。
上述A、B步骤中所述的导电剂为超级导电炭黑、导电石墨或导电纳米碳管中的一种或几种的混合物；所述的粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚合类树脂中的一种或几种的混合物；正电极浆料和负电极浆料中的溶剂为N-甲基吡咯烷酮或二甲基酰胺或二甲基乙酰胺。
本发明的动力锂电池具有对环境友好、良好的高倍率性能、良好的散热性能等特点，并且制备简单，没有环境污染，无泄漏，存储寿命长，易于大型化，使用温度范围宽，可作为动力源应用在混合电动汽车、电动汽车等领域。
附图说明
图1是本发明的大容量动力锂电池的制备方法流程图；
图2是本发明的大容量动力锂电池的正电极、负电极和凝胶态聚合物电解质的薄膜的堆叠方式图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图来详细说明本发明。
实施例1：
本实施例的大容量动力锂电池，按单体电池额定容量10Ah设计，由正电极、凝胶态聚合物电解质的薄膜和负电极通过堆叠、封装而成，其中负电极和正电极通过凝胶态聚合物电解质的薄膜隔离，关键在于所述负电极的活性材料为粒径为0.165μm，比表面积为9.2m2/g的改性钛酸锂；所述正电极的活性材料为三元材料；所述凝胶态聚合物电解质的薄膜由锂盐、有机溶剂的溶液与导电聚合物溶液混合、干燥而成，如图1所示，其具体的制备方法如下：
A：将84％重量的改性钛酸锂、7％重量的导电碳黑和9％重量的聚偏氟乙烯为溶质，以N-甲基吡咯烷酮为溶剂调成膏状的负电极浆料，以10μm厚的铜箔作集流体，将负电极浆料涂到铜箔的正、反面上并于120℃条件下干燥6小时后制成极片，然后将极片碾压、剪切，制成负电极，负电极的密度为4.6g/cm3；
B：将含95％重量的三元材料、1.5％重量的乙炔黑、1.5％重量的导电碳黑、4％重量的聚偏氟乙烯为溶质，以N-甲基吡咯烷酮为溶剂调成膏状的正电极浆料，以15μm厚的铝箔作为集流体，将正电极浆料涂覆到铝箔的正、反面上并于120℃条件下干燥8小时，制成极片，然后将极片碾压、剪切制成正电极，正电极的密度为3.8g/cm3；
C：将锂盐LiPF6溶于有机溶剂中制成钾盐溶液，并与导电聚合物溶液混合后涂于聚乙烯多孔薄膜的表面上，干燥后得到凝胶态聚合物电解质的薄膜，其中导电聚合物溶液的溶质为偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，溶剂为碳酸二乙脂、碳酸二丙脂的混合物；
D：将上述的负电极、正电极和凝胶态聚合物电解质的薄膜依次通过堆叠、包膜、焊接极耳、用铝塑复合膜封装等工序后得到动力锂电池半成品，如图2所示，堆叠时负电极1和正电极2通过凝胶态聚合物电解质的薄膜3隔离；
E：将D步骤中得到的动力锂电池半成品进行化成、分容、检测，得到动力锂电池成品。
经过测试，本实施例的动力锂电池的内阻为2.4mΩ，容量为21.93Ah，开路电压为2.436V，电池出现2.212V的电压平台，500次循环后电池容量的保持率为96.86％。
实施例2：
本实施例的大容量动力锂电池，按单体电池额定容量40Ah设计，由正电极、凝胶态聚合物电解质的薄膜和负电极通过堆叠、封装而成，其中负电极和正电极通过凝胶态聚合物电解质的薄膜隔离，关键在于所述负电极的活性材料为粒径为0.165μm，比表面积为9.2m2/g的改性钛酸锂；所述正电极的活性材料为三元材料；所述凝胶态聚合物电解质的薄膜由锂盐、有机溶剂的溶液与导电聚合物溶液混合、干燥而成，如图1所示，其具体的制备方法如下：
A：将84％重量的改性钛酸锂、7％重量的导电碳黑和9％重量的聚偏氟乙烯为溶质，以N-甲基吡咯烷酮为溶剂调成膏状的负电极浆料，以10μm厚的铜箔作集流体，将负电极浆料涂到铜箔的正、反面上并于120℃条件下干燥6小时后制成极片，然后将极片碾压、剪切，制成负电极，负电极的密度为4.6g/cm3；
B：将含93％重量的锰酸锂、1.5％重量的乙炔黑、2％重量的导电碳黑、3.5％重量的聚偏氟乙烯为溶质，以N-甲基吡咯烷酮为溶剂调成膏状的正电极浆料，以15μm厚的铝箔作为集流体，将正电极浆料涂覆到铝箔的正、反面上并于120℃条件下干燥8小时，制成极片，然后将极片碾压、剪切制成正电极，正电极的密度为3.8g/cm3；
C：将锂盐LiPF6溶于有机溶剂中制成钾盐溶液，并与导电聚合物溶液混合后涂于聚乙烯多孔薄膜的表面上，干燥后得到凝胶态聚合物电解质的薄膜，其中导电聚合物溶液的溶质为偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，溶剂为碳酸二乙脂、碳酸二丙脂的混合物；
D：将上述的负电极、正电极和凝胶态聚合物电解质的薄膜依次通过堆叠、包膜、焊接极耳、用铝塑复合膜封装等工序后得到动力锂电池半成品，如图2所示，堆叠时负电极1和正电极2通过凝胶态聚合物电解质的薄膜3隔离；
E：将D步骤中得到的动力锂电池半成品进行化成、分容、检测，得到动力锂电池成品。
经过测试，本实施例的动力锂电池的内阻为2.35mΩ，容量为43.74Ah，开路电压为2.537V，电池出现2.364V的电压平台，500次循环后电池容量的保持率为87.68％。

Claims (9)

1.一种大容量动力锂电池，由正电极、凝胶态聚合物电解质的薄膜和负电极通过堆叠、封装而成，其中负电极和正电极通过凝胶态聚合物电解质的薄膜隔离，其特征在于所述负电极的活性材料为改性钛酸锂；所述正电极的活性材料为三元材料、锰酸锂和磷酸铁锂中的一种或多种；所述凝胶态聚合物电解质的薄膜由锂盐、有机溶剂的溶液与导电聚合物溶液混合、干燥而成。
2.根据权利要求1所述的大容量动力锂电池，其特征在于所述改性钛酸锂的粒度小于1μm，比表面大于2.0m2/g。
3.根据权利要求1所述的大容量动力锂电池，其特征在于所述导电聚合物溶液的溶质为聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、环氧乙烯-环氧丙烯的均聚物或共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚氨基甲酸脂中的一种或多种混合物，导电聚合物溶液中的溶剂为酮类溶剂、脂类溶剂和杂环化溶剂中的一种或几种混合溶剂。
4.根据权利要求3所述的大容量动力锂电池，其特征在于所述酮类溶剂为丙酮、甲乙酮中的一种或两种混合溶剂，所述脂类溶剂为碳酸二乙脂、碳酸二丙脂、乙酸乙酯、乙酸甲酯、亚硫酸亚乙酯、亚硫酸亚丙酯中的一种或多种混合溶剂，所述杂环化溶剂为r-丁内酯、四氢呋喃中的一种或两种混合溶剂。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的大容量动力锂电池，其特征在于所述锂盐为LiPF6、LiClO4、LiBOB、LiBF4、LiBF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(SO2C2F5)2和LiN(SO2C2F5)2中的一种或多种混合物。
6.一种大容量动力锂电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A：将含75％～98％重量的改性钛酸锂、1％～15％重量的导电剂和1％～10％重量的粘结剂溶于溶剂中制成负电极浆料，以9μm～13μm厚的铜箔为集流体，将负电极浆料涂在铜箔正、反面上并干燥，制成极片，然后将极片碾压、剪切，制成负电极；
B：将含80％～98％重量的正电极活性材料、1％～10％重量的导电剂和1％～10％重量的粘结剂溶于溶剂中制成正电极浆料，以15μm～20μm厚的铝箔为集流体，将正电极浆料涂覆在铝箔正、反面上并干燥，制成极片，然后将极片碾压、剪切，制成正电极；
C：将锂盐溶于有机溶剂中制成钾盐溶液，并与导电聚合物溶液混合后涂于聚乙烯多孔薄膜或电极的表面上，干燥后得到凝胶态聚合物电解质的薄膜；
D：将上述的负电极、正电极和凝胶态聚合物电解质的薄膜依次通过堆叠、包膜、焊接极耳、封装工序后得到动力锂电池半成品，其中负电极和正电极通过凝胶态聚合物电解质的薄膜隔离；
E：将D步骤中得到的动力锂电池半成品进行化成、分容、检测，得到动力锂电池成品。
7.根据权利要求6所述的大容量动力锂电池的制备方法，其特征在于A步骤中，负电极浆料在负电极上的涂覆量小于40mg/cm2。
8.根据权利要求6所述的大容量动力锂电池的制备方法，其特征在于B步骤中，正电极浆料在正电极上的涂覆量小于40mg/cm2。
9.根据权利要求6所述的大容量动力锂电池的制备方法，其特征在于A、B步骤中所述的导电剂为超级导电炭黑、导电石墨或导电纳米碳管中的一种或几种的混合物；所述的粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚合类树脂中的一种或几种的混合物；正电极浆料和负电极浆料中的溶剂为N-甲基吡咯烷酮或二甲基酰胺或二甲基乙酰胺。
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