CN102299367B - 一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池，其正极材料由85~95%重量的镍钴锰酸锂、1~10%重量的水性粘合剂、3~10%重量的导电剂组成；其负极材料由85~95%重量的钛酸锂（Li4Ti5O12）、1~10%重量的水性粘合剂、2~10%重量的导电剂组成。本发明锂离子动力电池容量大，倍率充放电优良，循环寿命长，稳定安全性能高，可应用于混合电动汽车、大型储能***、家庭储能电站、高性能要求的军品等领域。本发明还公开了锂离子动力电池的制备方法，该方法以水作为溶剂，成本低、工艺简单易行、无环境污染，可大范围推广应用。

Description

一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子动力电池及其制备方法，具体涉及一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池及其制备方法。
背景技术
钛酸锂负极材料是一种新型的锂离子二次电池负极材料。 在锂离子嵌入或脱出过程中，晶型不发生变化，体积变化小于1%，因此被称为“零应变材料”，从而能够避免充放电循环中由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，提高电极的循环性能和使用寿命。在25℃下，Li4Ti5O12的化学扩散系数为2×10-8cm2/s,远高于碳负极材料，高的扩散系数使得该负极材料可以快速充放电。钛酸锂材料电势比纯金属锂的高，不易产生锂晶枝，为保障锂电池的安全提供了基础，被认为可彻底解决锂电池的安全性。
 但钛酸锂相对电位(Vs.Li)1.5v,远高于碳负极相对电位0.1v，因此要选择电位较高的材料作为正极才能提高电池的工作电压，从而提高电池比能量。镍钴锰酸锂相对电位较高，循环性能好，克容量高，是理想的正极材料之一。
钛酸锂与镍钴锰酸锂的粉末较细，比表面积较大，极易吸水，而且除水比较困难，因此以此二种材料为主要原材料的配料合浆都使用NMP（氮甲基吡咯烷酮）做为溶剂。粘合剂则使用聚偏氟乙烯（PVDF）。将原材料、导电剂等与上述粘合剂与溶剂混合好的胶液按一定比例混合，经过高速搅拌制备成浆料后，在涂布工序被均匀地涂于铝箔上，然后经过烘干，碾压、分切成电极极片。
NMP为有机溶剂，易挥发，散发于空气中有浓烈的刺激性气味，污染环境，对人的身体有一定不利影响，必须予以回收。回收装置的购买、安装增加了电池制造的成本。而且NMP闪点95℃，***界限1.3%-9.5%，在涂布烘箱、风道中必须及时地散发出去，否则会发生***、着火等安全事故。NMP为有机溶剂，具有一定的腐蚀性。而且NMP-PVDF溶液在制作过程中吸水会影响PVDF的粘合性，在电极制造中需要严格地控制水分，从而增加的制造难度和成本。
因而，在锂离子动力电池的研制过程中，选择一种合适的水性粘合剂，使用水作溶剂，并通过特殊工艺在制备过程中严格除水，对于解决上述技术问题，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负极以钛酸锂为主要原料、正极以镍钴锰酸锂为主要原材料的锂离子动力电池水性配方体系及其制备方法。以该配方及制备方法制备得到的锂离子动力电池容量大，倍率充放电优良，循环寿命长，稳定安全性能高，节能环保。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池，其正极材料由85~95%重量的镍钴锰酸锂、1~10%重量的粘合剂、3~10%重量的导电剂组成；其负极材料由85~95%重量的钛酸锂（Li4Ti5O12）、1~10%重量的粘合剂、2~10%重量的导电剂组成；所述粘合剂为水性粘合剂。
优选的，所述水性粘合剂为聚醚类化合物。
优选的，所述水性粘合剂为103胶、103A胶、105胶、LA132中的至少一种。
优选的，所述导电剂为SP、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管中的至少一种。
上述一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加水溶解，搅拌均匀，得正极浆料，将正极浆料涂布在铝箔上，在真空环境下，80-120℃烘烤5-12小时后，辊压、分切成正极片； 
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加水溶解，搅拌均匀，得负极浆料，将负极浆料涂布在铝箔上，在真空环境下，80-120℃烘烤5-12小时后，辊压、分切成负极片； 
3）分别将正极片、负极片在真空环境下，60~120℃烘烤24~48小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入电池壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在真空环境下，60~100℃烘烤48~96小时后，注液、化成、分容，得到一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池。
优选的，所述真空环境的真空压力为－0.08~－0.10 MPa。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的锂离子动力电池负极以钛酸锂为主要原料、正极以镍钴锰酸锂为主要原材料，大大改善了电池的充放电性能，容量大、循环寿命长，稳定安全；
（2）本发明的锂离子动力电池所用的粘合剂为水性粘合剂，从而可使用水作为溶剂，水的处理成本低，对环境零污染，大大降低了电池的制造难度和成本，环保节能；
（3）本发明的制备方法通过特殊的烘烤工艺，严格除水，保证了电池的品质；
（4）本发明的制备方法成本低、工艺简单易行、无环境污染，可大范围推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例1的锂离子动力电池的充电曲线图；
图2是本发明实施例1的锂离子动力电池的放电曲线图；
图3是本发明实施例2的锂离子动力电池的充电曲线图；
图4是本发明实施例2的锂离子动力电池的放电曲线图；
图5是本发明实施例3的锂离子动力电池的充电曲线图；
图6是本发明实施例3的锂离子动力电池的放电曲线图。
具体实施方式
一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池，其正极材料由85~95%重量的镍钴锰酸锂、1~10%重量的粘合剂、3~10%重量的导电剂组成；其负极材料由85~95%重量的钛酸锂（Li4Ti5O12）、1~10%重量的粘合剂、2~10%重量的导电剂组成；所述粘合剂为水性粘合剂。
优选的，所述水性粘合剂为聚醚类化合物。
优选的，所述水性粘合剂为103胶、103A胶、105胶、LA132中的至少一种。当然，根据本领域技术人员的理解范围，还可以选用其它的聚醚类化合物水性粘合剂。
优选的，所述导电剂为SP、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管中的至少一种。当然，在本领域技术人员的理解范围内，还可以选用其它的导电剂。
上述一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加水溶解，搅拌均匀，得正极浆料，将正极浆料涂布在铝箔上，在真空环境下，80-120℃烘烤5-12小时后，辊压、分切成正极片； 
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加水溶解，搅拌均匀，得负极浆料，将负极浆料涂布在铝箔上，在真空环境下，80-120℃烘烤5-12小时后，辊压、分切成负极片； 
3）分别将正极片、负极片在真空环境下，60~120℃烘烤24~48小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入电池壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在真空环境下，60~100℃烘烤48~96小时后，注液、化成、分容，得到一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池。
优选的，所述真空环境的真空压力为－0.08~－0.10 MPa。
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
实施例1
一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳。
正极材料组成：85%的镍钴锰酸锂、5%的103胶、10%的SP；
负极材料组成：85%的钛酸锂、5%的LA132、10%的SP；
隔膜为：PP材质的单层隔膜；
电解液为：1.0mol/L LiPF6溶液，溶剂成分为EC：DMC：EMC=1：1：1；
外壳为塑料壳体。
具体制备方法如下：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加水溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得正极浆料，将正极浆料经过自动上料***、涂布机均匀涂布在铝箔上，在－0.09MPa下，100℃烘烤10小时后，辊压、分切成正极片；
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加水溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得负极浆料，将负极浆料经过自动上料***、涂布机均匀涂布在铝箔上，在－0.09MPa下，100℃烘烤10小时后，辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在－0.09MPa下100℃烘烤36小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入塑料壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在－0.08MPa下80℃烘烤72小时后，注液、化成、分容成为150Ah电池。所得电池的充放电曲线如图1、图2所示。
实施例2
一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳。
正极材料组成：90%的镍钴锰酸锂、7%的103A胶、3%的超导炭黑；
负极材料组成：85%的钛酸锂、10%的LA132、5%的超导炭黑；
隔膜为：PP材质的单层隔膜；
电解液为：1.0mol/L LiPF6溶液，溶剂成分为EC：DMC：EMC=1：1：1；
外壳为塑料壳体。
具体制备方法如下：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加水溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得正极浆料，将正极浆料经过自动上料***、涂布机均匀涂布在铝箔上，在－0.09MPa下，80℃烘烤12小时后，辊压、分切成正极片；
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加水溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得负极浆料，将负极浆料经过自动上料***、涂布机均匀涂布在铝箔上，在－0.09MPa下，80℃烘烤12小时后，辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在－0.08MPa下80℃烘烤48小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入塑料壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在－0.08MPa下100℃烘烤48小时后，注液、化成、分容成为150Ah电池。电池充放电曲线如图3、图4所示。
实施例3
一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳。
正极材料组成：95%的镍钴锰酸锂，1%的103胶、103A胶混合物，4%的碳纳米管；
负极材料组成：95%的钛酸锂，1%的103胶，4%的碳纳米管；
隔膜为：PP材质的单层隔膜；
电解液为：1.0mol/L LiPF6溶液，溶剂成分为EC：DMC：EMC=1：1：1；
外壳为塑料壳体。
具体制备方法如下：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加水溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得正极浆料，将正极浆料经过自动上料***、涂布机均匀涂布在铝箔上，在－0.08MPa下，120℃烘烤8小时后，辊压、分切成正极片；
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加水溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得负极浆料，将负极浆料经过自动上料***、涂布机均匀涂布在铝箔上，在－0.08MPa下，120℃烘烤8小时后，辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在真空－0.10MPa下60℃烘烤48小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入塑料壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在真空－0.10MPa下60℃烘烤72小时后，注液、化成、分容成为150Ah电池。电池充放电曲线如图5、图6所示。

Claims (1)

1.一种钛酸锂与镍钴锰酸锂体系锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳：
正极材料组成：95%的镍钴锰酸锂，1%的103胶、103A胶混合物，4%的碳纳米管；
负极材料组成：95%的钛酸锂，1%的103胶，4%的碳纳米管；
隔膜为：PP材质的单层隔膜；
电解液为：1.0mol/L LiPF6溶液，溶剂成分为EC：DMC：EMC=1：1：1；
外壳为塑料壳体；
具体制备方法如下：
1）正极片的制作：按配方量加入正极材料，加水溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得正极浆料，将正极浆料经过自动上料***、涂布机均匀涂布在铝箔上，在－0.08MPa下，120℃烘烤8小时后，辊压、分切成正极片；
2）负极片的制作：按配方量加入负极材料，加水溶解，用双星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑，得负极浆料，将负极浆料经过自动上料***、涂布机均匀涂布在铝箔上，在－0.08MPa下，120℃烘烤8小时后，辊压、分切成负极片；
3）分别将正极片、负极片在真空－0.10MPa下60℃烘烤48小时后，将正极片、隔膜、负极片一起层叠成电芯，置入塑料壳体中，成为半成品电池；
4）将半成品电池在真空－0.10MPa下60℃烘烤72小时后，注液、化成、分容成为150Ah电池。
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