CN102347475B - 一种高性能锂离子电池及其制作工艺 - Google Patents
一种高性能锂离子电池及其制作工艺 Download PDFInfo
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Abstract
一种高性能锂离子电池，电极材料经过石墨烯、聚苯胺的纳米复合处理，正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔，导电剂为超导碳黑、导电石墨或乙炔黑，粘结剂为丁苯橡胶、羟甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯或羟丙基甲基纤维素，电解质为液态电解液或含有导电聚合物、纳米材料或含两者复合物的聚合物电解质，隔膜经过耐高温绝缘涂料处理或直接采用耐高温绝缘多孔聚合物基体。一种高性能锂离子电池的制作工艺，包括：配料、涂覆、干燥、辊压、切片、绕卷或叠片、装配、注液、化成、分容。本发明在大倍率下充放电性能优异，电池容量衰减小，热稳定性好，安全性能好，电极循环寿命长，可在电动自行车、电动摩托车、电动汽车等方面得到广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池，尤其涉及一种高性能锂离子电池及其制作工艺。
背景技术
锂离子电池与其他电池相比，具有质量轻、体积小、平均电压高、能量密度高、输出功率大、充电效率高、无记忆效应、循环寿命长、工作温度宽、自放电小等优点，在于机、笔记本电脑等领域得到了广泛的应用。但是，目前锂离子电池也存在许多技术瓶颈，例如：随着循环次数的增多，电池容量衰减较大；抗过充性能差；热稳定性差，存在安全隐患；在大倍率下的充放电性能差，还不能实现大型锂离子电池如电动汽车电池的开发应用，等等。
为解决锂离子电池存在的问题，通常采用对锂离子电池的电极材料进行掺杂或包覆来实现。特别是为了使锂离子具有移动性和良好的传导性，普遍采用碳对锂离子电池的电极材料进行包覆。中国专利CN101212049A将原料按照一定的摩尔比通过固相反应，水热法以及溶胶凝胶法合成掺杂态的Li3+yFe2-xMex(PO4)3，然后将制备所得粉体与碳混合，得到Li3+yFe2- xMex(PO4)3/C正极材料，该材料在C/20倍率下放电比容量可达122mAh/g，在C/2倍率下放电比容量可达100mAh/g。但是，由于碳的电子传递速度和导电性能有限，导致锂离子电池在大倍率下的充放电性能还是不太理想。
石墨烯是碳原子紧密堆积的单层二维蜂窝状晶格结构的一种炭质新材料，具有一系列非凡的性质。首先，石墨烯具有非常稳定的结构，使得它的力学性能非常优异，它的抗拉强度可达50～200GPa，是钢的100倍，密度只有钢的1//6，它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍，是目前具有最高比强度的材料。其次，石墨烯具有优异的导热性能。所以，石墨烯与锂离子电池的电极材料复合后，不仅拥有强固的结构，而且具有散热的性能，可提高锂离子电池的热稳定性；最后，石墨烯具有奇特的电学性质，其电子的运动速度达到了光速的1/300，具有优异的导电性，它与锂离子电池的电极材料复合后，可改善其电子导电率，提高其振实密度，增强其在大倍率下的充放电性能。中国专利CN101562248A将纳米LiFePO4纯相粉体和一定重量比的石墨烯和氧化石墨烯充分混合，然后在有N2、Ar或氢氩混合保护气氛的300～850℃炉中保温0.1～5h，制得LiFePO4/石墨烯锂离子电池正极材料。该工艺中石墨烯只是与LiFePO4简单混合，不能充分发挥其对LiFePO4的电子传输作用，另外，石墨烯和电极材料复合后，锂离子电池的循环寿命还有待于提升。
聚苯胺具有结构多样、环境稳定性好、合成简易、单体成本低廉等优点，特别是它具有独特的质子酸掺杂机制和优异的电性能和电化学性能，被认为是最有实际应用前景的导电聚合物之一。同时，聚苯胺具有储存电荷的能力高、能量密度高、对氧和水的稳定性好、密度小和可逆的掺杂/脱掺杂等特点，与传统电极材料复合后既可作为导电基质又可作为活性物质，已被用于锂离子电池的电极材料。在电极反应过程中，锂离子电池主要是利用聚苯胺复合材料掺杂/脱掺杂的可逆性来实现氧化还原反应，完成电池的充放电过程。因此，聚苯胺与电极材料复合不仅能增大电极材料的放电容量，增强了电池的抗过充能力，更显著的是能延长电极材料的循环寿命，另外，聚苯胺具有优良的导热性能，可提高锂离子电池的热稳定性。中国专利CN101237036B在锂离子电池正极材料磷酸铁锂粉末的表面原位包覆聚苯胺，但是，所得锂离子电池在大倍率下的充放电性能欠佳。
电解质作为锂离子电池的一个重要组成部分，应拥有良好的离子导电性、高的锂离子迁移率、好的稳定性以及较高的机械强度。中国专利CN101714460A通过丙烯酸系聚合物与导电聚吡咯复合，然后将液体电解质吸附进入复合物内制得聚吡咯/聚丙烯酸系复合凝胶电解质，该电解质具有较高的电导率，但是电解质的机械强度欠佳。
大倍率下充放电的锂离子电池会产生更多的热量，这就容易导致隔膜熔融，使正负极之间容易短路，造成燃烧甚至***，将带来严重的安全隐患。中国专利CN101567434A制备了一种含有阻燃无机填料的聚合物隔膜，该薄膜在受热时无机填料将随着聚合物的软化而运动，从而容易失去其防护功能。
采用纳米复合技术在常规电极材料的表面包覆石墨烯纳米层和聚苯胺纳米层，得到电子导电率好、大倍率下的充放电性能好、放电容量大、热稳定性好、电池容量衰减小、抗过充性能好和循环寿命长的电极材料；同时可采用含有导电聚合物和纳米材料或两者复合物的电解质，使其离子导电性好、锂离子迁移率高、稳定性好以及机械强度高；另外，为提高电池的安全性能，采用涂覆有耐高温绝缘涂料的多孔聚合物基体为隔膜；最后将所得电极材料、电解质、隔膜和其他材料按照配料、涂覆、干燥、辊压、切片、绕卷或叠片、装配、注液、化成、分容等工艺制作得到锂离子电池。目前，此类锂离子电池的相关技术未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种电池容量衰减小、热稳定性佳、安全性能好、在大倍率下的充放电性能优异、抗过充性能好的锂离子电池及其制作工艺。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高性能锂离子电池，包括壳体、正极膜、负极膜、电解质、隔膜、极柱、盖板、保护电路板，其中正极膜和负极膜分别由正、负极集流体和涂覆在正、负极集流体上的由电极材料、导电剂和粘结剂组成的涂覆材料构成。
所述壳体为钢壳、铝壳、铝塑壳、塑料壳、软包装壳中的一种。
所述正极集流体为铝箔，铝箔厚度为15～20μm。
所述负极集流体为铜箔，铜箔厚度为10～15μm。
所述电极材料的制备过程为：在氧化石墨烯或石墨烯水溶液(或水性分散液)中加入常规电极材料，并在10～80℃下进行分散处理2～24h，制得经氧化石墨烯或石墨烯复合的电极材料水性分散液。然后往所得水性分散液中分别加入苯胺和质子酸，搅拌均匀，在反应温度为0～50℃下缓慢加入氧化剂水溶液，不断搅拌，反应1～24h后，经抽滤，并洗涤至滤液呈无色，将滤饼在60～100℃下烘干，经粉碎得到电极材料。其中，氧化石墨烯或石墨烯水溶液(或水性分散液)的浓度为0.1～10g/L，氧化石墨烯或石墨烯与常规电极材料的质量比为0.025～0.2∶1，苯胺与常规电极材料的质量比为0.3～1∶1，质子酸与苯胺的质量比为0.5～50∶1，氧化剂与苯胺的质量比为1.5～3∶1，氧化剂溶液的浓度为180～280g/L；常规电极材料包括正极材料和负极材料，正极材料为镍酸锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴酸锂、磷酸铁锂、氧化锰锂、磷酸亚铁锂、镍钴锰酸锂中的一种，负极材料为石墨烯、碳纳米管、天然石墨、MCMB、CMS中的一种；苯胺为苯胺或取代的苯胺；质子酸为对甲苯磺酸、樟脑磺酸、磺基水杨酸、十二烷基磺酸、十二烷基苯磺酸、萘磺酸、二壬基萘磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯磺酸、氨基磺酸、氨基苯磺酸、草酸、柠檬酸、酒石酸、盐酸、硫酸、硝酸、高氯酸和磷酸中的一种或几种；氧化剂为过硫酸铵。
所述导电剂为超导碳黑、导电石墨、乙炔黑中的一种，或者不使用导电剂。
所述粘结剂为丁苯橡胶、羟甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、羟丙基甲基纤维素中的一种。
所述涂覆材料中电极材料、导电剂和粘结剂的质量比为1∶0～0.1∶0.04～0.12。
所述电解质为液态电解质、聚合物电解质中的一种。其中，液态电解质为有机电解液或是含导电盐的离子液体，导电盐浓度均为20～800g/L；有机电解液由导电盐与有机溶剂二类组分构成，其中导电盐为高氯酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、三氟甲基磺酸锂、有机磷酸酯锂盐、有机硼酸酯锂盐、甲基系列锂盐、亚胺系列锂盐中的一种；有机溶剂为链状或环状有机碳酸酯、链状或环状醚类、链状或环状羧酸酯类、缩酮类、不易燃溶剂磷酸酯类、亚硫酸酯类中的一种；离子液体为卤化盐复合AlCl3型离子液体、烷基咪唑、吡啶、季铵、季膦阳离子复合BF4 -、PF6 -及多氟阴离子型离子液体、基于含酰胺基官能团的有机物型离子液体中的一种；聚合物电解质为含有聚合物材料和纳米材料且能发生离子迁移的电解质，具体由聚合物材料薄膜和纳米材料吸附液态电解质或者由聚合物/纳米材料复合材料吸附液态电解质或者由聚合物材料单体在分散有纳米材料的液态电解质中聚合而形成，其中聚合物、液态电解质和纳米材料的质量比为：1∶1～100∶0.05～0.2；聚合物材料为聚醚、聚丙烯腈、聚丙烯酸系、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚氧乙烯、聚氯乙烯、导电聚苯胺、导电聚吡咯、导电聚噻吩及上述材料的共聚物或共混物；纳米材料为氧化钛、氧化硅、氧化锌、氧化铈、氧化锆、氧化锡、氧化铁、氧化锰、氧化钒、氧化镍、氧化钼、氧化钨、氧化钇、磷酸钛、磷酸铁、磷酸钙、凹凸棒石、蒙脱石、高岭土、硅藻土、硅灰石、云母、水滑石、伊利石、海泡石、沸石、稀土、氮化铬、氮化硅、碳化硅的一种。
所述隔膜为涂覆有耐高温绝缘涂料的多孔聚合物基体或本身具有耐高温绝缘性能的多孔聚合物基体。其中，隔膜的孔隙率为10～80％，孔径为20nm～3μm，厚度为5～200μm；聚合物基体为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、尼龙、聚酯、聚氨酯及上述的共聚物或共混物；耐高温绝缘涂料由基体树脂、纳米填料和溶剂组成，其中基体树脂、填料和溶剂的质量比为1∶0.05～0.2∶0.5～50，基体树脂为磷酸二氢铝、硅酸盐树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、酚醛树脂中的一种，纳米填料为氧化镁、氧化铝、氧化硅、氧化锆、云母、高岭土、蒙脱石中的一种，溶剂为水、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙醇、丁醇、丙醇、乙二醇***、乙二醇丁醚、石油醚、丙二醇甲醚、醋酸正丁酯中的一种，涂层厚度为5～100μm；本身具有耐高温绝缘性能的聚合物基体为聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚芳砜(醚)、聚酰亚胺、聚醚醚酮中的一种。
所述锂离子电池的制作工艺为：用N-甲基吡咯烷酮与正极材料、导电剂、粘结剂配成一定粘度的浆料，并将其涂覆在铝箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成正极膜；用水与负极材料、导电剂、粘结剂配成一定粘度的浆料，并将其涂覆在铜箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成负极膜；将正极膜、负极膜和隔膜卷绕或叠片后装入壳体中，然后焊接极柱和保护电路板，并装配好壳盖，之后从壳盖的注液孔注液；最后经过化成、分容，制得锂离子电池。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用了纳米复合技术，在常规电极材料的表面包覆了石墨烯纳米层和聚苯胺纳米层，从而改善了电极材料的电子导电率，增强了电极材料的在大倍率下的充放电性能，增大了电极材料的放电容量，提高了电极材料的热稳定性，降低了电池容量的衰减，提高了电池的抗过充性能，延长了电极材料的循环寿命。
2、本发明中的聚合物电解质中可含有导电聚合物和纳米材料或两者复合物，拥有良好的离子导电性、优异的锂离子迁移率、优良的稳定性以及较高的机械强度。
3、本发明中的隔膜为涂覆有耐高温绝缘涂料的多孔聚合物基体，能有效地防止隔膜熔融和锂离子电极短路，保障了锂离子电池在在大倍率下充放电时的安全性能。
具体实施方式
实施例1：
在2L浓度为0.1g/L石墨烯水溶液中加入8g镍酸锂，并在10℃下进行乳化处理2h，制得经石墨烯复合的电极材料水性分散液。然后往所得水性分散液中分别加入8g苯胺和400g聚苯乙烯磺酸，搅拌均匀，在反应温度为50℃下缓慢滴入85.7mL浓度为280g/L的过硫酸铵水溶液，不断搅拌，反应1h后，经抽滤，并洗涤至滤液呈无色，将滤饼在60℃下烘干，经粉碎得到正极材料。将镍酸锂换成天然石墨，重复以上操作步骤，得到负极材料。
将四氟硼酸锂和碳酸丙烯酯配成导电盐浓度为20g/L的液态电解质。在液态电解质中加入纳米氧化硅，分散均匀后原位聚合导电聚苯胺，然后继续聚合聚甲基丙烯酸酯，从而得到电解质。其中，聚苯胺、聚甲基丙烯酸酯、液态电解质和纳米氧化硅的质量比为0.5∶0.5∶100∶0.2。
按照有机硅树脂、纳米氧化铝和甲苯的质量比为1∶0.05∶0.5混合制备耐高温绝缘涂料，并将其涂覆在孔隙率为80％、孔径为20nm、厚度为5μm的聚乙烯薄膜上，固化后其涂层厚度为5μm，得到隔膜。
电池的制作工艺：用N-甲基吡咯烷酮与正极材料、导电石墨、聚偏二氟乙烯配成一定粘度的浆料，其中正极材料、导电石墨和聚偏二氟乙烯的质量比为1∶0.1∶0.12，将其涂覆在厚度为15μm的铝箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成正极膜；用水与负极材料、导电石墨、羟甲基纤维素钠配成一定粘度的浆料，其中负极材料、导电石墨和羟甲基纤维素钠的质量比为1∶0.1∶0.12，并将其涂覆在10μm的铜箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成负极膜；将正极膜、负极膜和隔膜卷绕后装入钢壳体中，然后焊接极柱和保护电路板，并装配好壳盖，之后从壳盖的注液孔注入电解液；最后经过化成、分容，制得锂离子电池。
该电池室温时在1C倍率下和20C倍率下的放电比容量分别为205mAh/g和160mAh/g，1C倍率下循环100次后容量为166mAh/g。将该电池置于恒温的坩锅炉中做***实验，结果表明：在160℃下放置8h，电池发生明显膨胀，12h没有发生起火、燃烧或***现象。
实施例2：
在160mL浓度为10g/L氧化石墨烯水性分散液中加入8g锰酸锂，并在80℃下进行超声处理24h，制得经氧化石墨烯复合的电极材料水性分散液。然后往所得水性分散液中分别加入2.4g苯胺、0.4g浓盐酸和9.8g对甲苯磺酸，搅拌均匀，在反应温度为0℃下缓慢滴入20mL浓度为180g/L的过硫酸铵水溶液，不断搅拌，反应24h后，经抽滤，并洗涤至滤液呈无色，将滤饼在100℃下烘干，经粉碎得到正极材料。将锰酸锂换成MCMB，重复以上操作步骤，得到负极材料。
将双草酸硼酸锂与碳酸丙烯酯配成导电盐浓度为800g/L的液态电解质。在液态电解质中加入纳米氧化钒、导电聚吡咯和聚丙烯腈，混合均匀，得到电解质。其中，聚吡咯、聚丙烯腈、液态电解质和纳米氧化钒的质量比为0.2∶0.8∶1∶0.05。
按照氟碳树脂、纳米云母和二甲苯的质量比为1∶0.2∶50混合制备耐高温绝缘涂料，并将其涂覆在孔隙率为10％、孔径为3μm、厚度为200μm的聚丙烯薄膜上，固化后其涂层厚度为100μm，得到隔膜。
电池的制作工艺：将N-甲基吡咯烷酮、正极材料、聚偏二氟乙烯配成一定粘度的浆料，其中正极材料和聚偏二氟乙烯的质量比为1∶0.04，将其涂覆在20μm的铝箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成正极膜；用水与负极材料、丁苯橡胶配成一定粘度的浆料，其中负极材料和丁苯橡胶的质量比为1∶0.04，并将其涂覆在15μm的铜箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成负极膜；将正极膜、负极膜和隔膜叠片后装入塑料壳体中，然后焊接极柱和保护电路板，并装配好壳盖，之后从壳盖的注液孔注入电解液；最后经过化成、分容，制得锂离子电池。
该电池室温时在1C倍率下和20C倍率下的放电比容量分别为118mAh/g和102mAh/g，1C倍率下循环100次后容量为106mAh/g。将该电池置于恒温的坩锅炉中做***实验，结果表明：在160℃下放置4h，电池发生明显膨胀，12h没有发生起火、燃烧或***现象。
实施例3：
在500mL浓度为1.5g/L石墨烯水溶液中加入8g钴酸锂，并在25℃下进行乳化处理2h，再超声处理2h，制得经石墨烯复合的电极材料水性分散液。然后往所得水性分散液中分别加入2.4g苯胺和5g磺基水杨酸，搅拌均匀，在反应温度为20℃下缓慢滴入25.8mL浓度为228g/L的过硫酸铵水溶液，不断搅拌，反应4h后，经抽滤，并洗涤至滤液呈无色，将滤饼在80℃下烘干，经粉碎得到正极材料。将钴酸锂换成碳纳米管，重复以上操作步骤，得到负极材料。
将六氟磷酸锂和碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、乙烯碳酸酯配成导电盐浓度为152g/L的液态电解质。在液态电解质中加入纳米氧化铝，分散均匀后原位聚合导电聚苯胺，然后再与聚氧乙烯混合，得到电解质。其中，聚苯胺、聚氧乙烯、液态电解质和纳米氧化铝的质量比为0.1∶0.9∶50∶0.1。
按照磷酸二氢铝、纳米氧化锆和水的质量比为1∶0.1∶2混合制备耐高温绝缘涂料，并将其涂覆在孔隙率为50％、孔径为100nm、厚度为50μm的聚苯乙烯薄膜上，固化后其涂层厚度为20μm，得到隔膜。
电池的制作工艺：用N-甲基吡咯烷酮、正极材料、乙炔黑、聚偏二氟乙烯配成一定粘度的浆料，其中正极材料、乙炔黑和聚偏二氟乙烯的质量比为1∶0.05∶0.05，将其涂覆在15μm的铝箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成正极膜；用水与负极材料、乙炔黑、羟丙基甲基纤维素配成一定粘度的浆料，其中负极材料、乙炔黑和羟丙基甲基纤维素的质量比为1∶0.05∶0.05，并将其涂覆在15μm的铜箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成负极膜；将正极膜、负极膜和隔膜卷绕后装入铝塑壳体中，然后焊接极柱和保护电路板，并装配好壳盖，之后从壳盖的注液孔注入电解液；最后经过化成、分容，制得锂离子电池。
该电池室温时在1C倍率下和20C倍率下的放电比容量分别为155mAh/g和138mAh/g，1C倍率下循环100次后容量为144mAh/g。将该电池置于恒温的坩锅炉中做***实验，结果表明：在160℃下放置8h，电池发生明显膨胀，12h没有发生起火、燃烧或***现象。
实施例4：
在400mL浓度为1.8g/L石墨烯水溶液中加入8g磷酸铁锂，并在60℃下进行乳化处理2h，再在超声下搅拌2h，制得经石墨烯复合的电极材料水性分散液。然后往所得水性分散液中分别加入3g苯胺和13.7g浓盐酸，搅拌均匀，在反应温度为25℃下缓慢滴入32.3mL浓度为228g/L的过硫酸铵水溶液，不断搅拌，反应5h后，经抽滤，并洗涤至滤液呈无色，将滤饼在80℃下烘干，经粉碎得到正极材料。将磷酸铁锂换成石墨烯，重复以上操作步骤，得到负极材料。
将高氯酸锂和卤化盐复合AlCl3型离子液体配成导电盐浓度为106.4g/L的液态电解质。在液态电解质中加入凹凸棒石/导电聚苯胺纳米复合材料，然后再与聚偏氟乙烯混合，得到电解质。其中，聚苯胺、聚偏氟乙烯、液态电解质和凹凸棒石的质量比为0.05∶0.95∶60∶0.1。
通过干法单向拉伸工艺或干法双向拉伸工艺或湿法双向拉伸工艺制备孔隙率为45％、孔径为100nm、厚度为100μm的聚酰亚胺薄膜，得到隔膜。
电池的制作工艺：用N-甲基吡咯烷酮与正极材料、超导碳黑、聚偏二氟乙烯配成一定粘度的浆料，其中正极材料、导电碳黑和聚偏二氟乙烯的质量比为1∶0.05∶0.05，将其涂覆在18μm的铝箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成正极膜；用水与负极材料、超导碳黑、羟甲基纤维素钠配成一定粘度的浆料，其中负极材料、超导碳黑和羟甲基纤维素钠的质量比为1∶0.05∶0.05，并将其涂覆在12μm的铜箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成负极膜；将正极膜、负极膜和隔膜叠片后装入铝壳体中，然后焊接极柱和保护电路板，并装配好壳盖，之后从壳盖的注液孔注入电解液；最后经过化成、分容，制得锂离子电池。
该电池室温时在1C倍率下和20C倍率下的放电比容量分别为164mAh/g和153mAh/g，1C倍率下循环100次后容量为158mAh/g。将该电池置于恒温的坩锅炉中做***实验，结果表明：在160℃下放置10h，电池发生明显膨胀，16h没有发生起火、燃烧或***现象。
对比例1：
电池的制作工艺：用N-甲基吡咯烷酮与镍酸锂、导电石墨、聚偏二氟乙烯配成一定粘度的浆料，其中镍酸锂、导电石墨和聚偏二氟乙烯的质量比为1∶0.1∶0.12，将其涂覆在15μm的铝箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成正极膜；用水与天然石墨、导电石墨、羟甲基纤维素钠配成一定粘度的浆料，其中天然石墨、导电石墨和羟甲基纤维素钠的质量比为1∶0.1∶0.12，并将其涂覆在10μm的铜箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成负极膜；将正极膜、负极膜和隔膜卷绕后装入钢壳体中，然后焊接极柱和保护电路板，并装配好壳盖，之后从壳盖的注液孔注入由四氟硼酸锂和碳酸丙烯酯配成导电盐浓度为20g/L的液态电解质；最后经过化成、分容，制得锂离子电池。
该电池室温时在1C倍率下和20C倍率下的放电比容量分别为180mAh/g和108mAh/g，1C倍率下循环100次后容量为116mAh/g。将该电池置于恒温的坩锅炉中做***实验，结果表明：在140℃下放置1h，电池发生明显膨胀，4h发生***现象。
对比例2：
电池的制作工艺：将N-甲基吡咯烷酮、锰酸锂、聚偏二氟乙烯配成一定粘度的浆料，其中锰酸锂和聚偏二氟乙烯的质量比为1∶0.04，将其涂覆在20μm的铝箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成正极膜；用水与MCMB、丁苯橡胶配成一定粘度的浆料，其中MCMB和丁苯橡胶的质量比为1∶0.04，并将其涂覆在15μm的铜箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成负极膜；将正极膜、负极膜和隔膜叠片后装入塑料壳体中，然后焊接极柱和保护电路板，并装配好壳盖，之后从壳盖的注液孔注入由双草酸硼酸锂与碳酸丙烯酯配成导电盐浓度为800g/L的液态电解质；最后经过化成、分容，制得锂离子电池。
该电池室温时在1C倍率下和20C倍率下的放电比容量分别为108mAh/g和76mAh/g，1C倍率下循环100次后容量为82mAh/g。将该电池置于恒温的坩锅炉中做***实验，结果表明：在140℃下放置0.15h，电池发生明显膨胀，1h发生***现象。
对比例3：
电池的制作工艺：用N-甲基吡咯烷酮、钴酸锂、乙炔黑、聚偏二氟乙烯配成一定粘度的浆料，其中钴酸锂、乙炔黑和聚偏二氟乙烯的质量比为1∶0.05∶0.05，将其涂覆在15μm的铝箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成正极膜；用水与碳纳米管、乙炔黑、羟丙基甲基纤维素配成一定粘度的浆料，其中碳纳米管、乙炔黑和羟丙基甲基纤维素的质量比为1∶0.05∶0.05，并将其涂覆在15μm的铜箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成负极膜；将正极膜、负极膜和隔膜卷绕后装入铝塑壳体中，然后焊接极柱和保护电路板，并装配好壳盖，之后从壳盖的注液孔注入由六氟磷酸锂和碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、乙烯碳酸酯配成导电盐浓度为152g/L的液态电解质；最后经过化成、分容，制得锂离子电池。
该电池室温时在1C倍率下和20C倍率下的放电比容量分别为143mAh/g和78mAh/g，1C倍率下循环100次后容量为84mAh/g。将该电池置于恒温的坩锅炉中做***实验，结果表明：在140℃下放置0.2h，电池发生明显膨胀，0.8h发生***现象。
对比例4：
电池的制作工艺：用N-甲基吡咯烷酮与磷酸铁锂、超导碳黑、聚偏二氟乙烯配成一定粘度的浆料，其中磷酸铁锂、导电碳黑和聚偏二氟乙烯的质量比为1∶0.05∶0.05，将其涂覆在18μm的铝箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成正极膜；用水与石墨烯、超导碳黑、羟甲基纤维素钠配成一定粘度的浆料，其中石墨烯、超导碳黑和羟甲基纤维素钠的质量比为1∶0.05∶0.05，并将其涂覆在12μm的铜箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成负极膜；将正极膜、负极膜和隔膜叠片后装入铝壳体中，然后焊接极柱和保护电路板，并装配好壳盖，之后从壳盖的注液孔注入由高氯酸锂和卤化盐复合AlCl3型离子液体配成导电盐浓度为106.4g/L的液态电解质；最后经过化成、分容，制得锂离子电池。
该电池室温时在1C倍率下和20C倍率下的放电比容量分别为138mAh/g和88mAh/g，1C倍率下循环100次后容量为126mAh/g。将该电池置于恒温的坩锅炉中做***实验，结果表明：在140℃下放置2h，电池发生明显膨胀，6h发生***现象。
Claims (5)
1.一种高性能锂离子电池，包括壳体、正极膜、负极膜、电解质、隔膜、极柱、盖板、保护电路板，其中，壳体为钢壳、铝壳、铝塑壳、塑料壳中的一种；正极膜和负极膜分别由正、负极集流体和涂覆在正、负极集流体上的由电极材料、导电剂和粘结剂组成的涂覆材料构成；正极集流体为铝箔，铝箔厚度为15～20μm；负极集流体为铜箔，铜箔厚度为10～15μm；导电剂为超导碳黑、导电石墨、乙炔黑中的一种，或者不使用导电剂；粘结剂为丁苯橡胶、羟甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、羟丙基甲基纤维素中的一种；涂覆材料中电极材料、导电剂和粘结剂的质量比为1∶0～0.1∶0.04～0.12；电极材料的制备过程为：在氧化石墨烯或石墨烯水溶液中加入常规电极材料，并在10～80℃下进行分散处理2～24h，制得经氧化石墨烯或石墨烯复合的电极材料水性分散液，然后往所得水性分散液中分别加入苯胺和质子酸，搅拌均匀，在反应温度为0～50℃下缓慢加入氧化剂水溶液，不断搅拌，反应1～24h后，经抽滤，并洗涤至滤液呈无色，将滤饼在60～100℃下烘干，经粉碎得到电极材料，其中，氧化石墨烯或石墨烯水溶液的浓度为0.1～10g/L，氧化石墨烯或石墨烯与常规电极材料的质量比为0.025～0.2∶1，苯胺与常规电极材料的质量比为0.3～1∶1，质子酸与苯胺的质量比为0.5～50∶1，氧化剂与苯胺的质量比为1.5～3∶1，氧化剂溶液的浓度为180～280g/L。
2.根据权利要求1所述的一种高性能锂离子电池，其特征在于常规电极材料包括正极材料和负极材料，正极材料为镍酸锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸亚铁锂、镍钴锰酸锂中的一种，负极材料为碳纳米管、天然石墨、MCMB、CMS中的一种；苯胺为苯胺或取代的苯胺；质子酸为对甲苯磺酸、樟脑磺酸、磺基水杨酸、十二烷基磺酸、十二烷基苯磺酸、萘磺酸、二壬基萘磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯磺酸、氨基磺酸、氨基苯磺酸、草酸、柠檬酸、酒石酸、盐酸、硫酸、硝酸、高氯酸和磷酸中的一种或几种；氧化剂为过硫酸铵。
3.根据权利要求1所述的一种高性能锂离子电池，其特征在于电解质为液态电解质、聚合物电解质中的一种，其中，液态电解质为有机电解液或是含导电盐的离子液体，导电盐浓度均为20～800g/L；有机电解液由导电盐与有机溶剂二类组分构成，其中导电盐为高氯酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、三氟甲基磺酸锂、有机磷酸酯锂盐、有机硼酸酯锂盐、甲基系列锂盐、亚胺系列锂盐中的一种；有机溶剂为链状或环状有机碳酸酯、链状或环状醚类、链状或环状羧酸酯类、缩酮类、不易燃溶剂磷酸酯类、亚硫酸酯类中的一种；离子液体为卤化盐复合AlCl3型离子液体、烷基咪唑、吡啶、季铵、季膦阳离子复合BF4 -、PF6 -及多氟阴离子型离子液体、基于含酰胺基官能团的有机物型离子液体中的一种；聚合物电解质为含有聚合物材料和纳米材料且能发生离子迁移的电解质，由聚合物材料薄膜和纳米材料吸附液态电解质或者由聚合物/纳米材料复合材料吸附液态电解质或者由聚合物材料单体在分散有纳米材料的液态电解质中聚合而形成，其中聚合物、液态电解质和纳米材料的质量比为1∶1～100∶0.05～0.2；聚合物材料为聚醚、聚丙烯腈、聚丙烯酸系、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚氧乙烯、聚氯乙烯、导电聚苯胺、导电聚吡咯、导电聚噻吩及上述材料的共聚物或共混物；纳米材料为氧化钛、氧化硅、氧化锌、氧化铈、氧化锆、氧化锡、氧化铁、氧化锰、氧化钒、氧化镍、氧化钼、氧化钨、氧化钇、磷酸钛、磷酸铁、磷酸钙、凹凸棒石、蒙脱石、高岭土、硅藻土、硅灰石、云母、水滑石、伊利石、海泡石、沸石、稀土、氮化铬、氮化硅、碳化硅的一种。
4.根据权利要求1所述的一种高性能锂离子电池，其特征在于隔膜为涂覆有耐高温绝缘涂料的多孔聚合物基体或本身具有耐高温绝缘性能的多孔聚合物基体，其中，隔膜的孔隙率为10～80％，孔径为20nm～3μm，厚度为5～200μm；聚合物基体为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、尼龙、聚酯、聚氨酯及上述的共聚物或共混物；耐高温绝缘涂料由基体树脂、纳米填料和溶剂组成，其中基体树脂、填料和溶剂的质量比为1∶0.05～0.2∶0.5～50，基体树脂为磷酸二氢铝、硅酸盐树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、酚醛树脂中的一种，纳米填料为氧化镁、氧化铝、氧化硅、氧化锆、云母、高岭土、蒙脱石中的一种，溶剂为水、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、乙醇、丁醇、丙醇、乙二醇***、乙二醇丁醚、石油醚、丙二醇甲醚、醋酸正丁酯中的一种，涂层厚度为5～100μm；本身具有耐高温绝缘性能的聚合物基体为聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚芳砜、聚酰亚胺、聚醚醚酮中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种高性能锂离子电池，其特征在于锂离子电池的制作工艺为：用N-甲基吡咯烷酮与正极材料、导电剂、粘结剂配成一定粘度的浆料，并将其涂覆在铝箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成正极膜；用水与负极材料、导电剂、粘结剂配成一定粘度的浆料，并将其涂覆在铜箔上，经烘干、辊压后切成小片，制成负极膜；将正极膜、负极膜和隔膜卷绕或叠片后装入壳体中，然后焊接极柱和保护电路板，并装配好壳盖，之后从壳盖的注液孔注液；最后经过化成、分容，制得锂离子电池。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CENG YONGBIN Effective date: 20130815 Owner name: ZHANG GUOQING Free format text: FORMER OWNER: CENG YONGBIN Effective date: 20130815 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Yali Inventor after: Zhang Guoqing Inventor after: Lu Xifeng Inventor after: Yin Zhenyan Inventor after: Zhang Qingjie Inventor after: Man Jie Inventor after: Zeng Yongbin Inventor before: Zeng Yongbin Inventor before: Lai Rixuan Inventor before: Zeng Yangsheng Inventor before: Gu Xiaofeng Inventor before: He Xueyi |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 341700 GANZHOU, JIANGXI PROVINCE TO: 272000 JINING, SHANDONG PROVINCE Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: CENG YONGBIN LAI RIXUAN CENG YANGSHENG GU XIAOFENG HE XUEYI TO: ZHANG YALI ZHANG GUOQING LU XIFENG YIN ZHENYAN ZHANG QINGJIE MAN JIE CENG YONGBIN |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20130815 Address after: 272000 Shandong city of Jining Province Guang River Road No. 16 South 11 floor quality inspection center Applicant after: Zhang Guoqing Applicant after: Zeng Yongbin Address before: 341700 Jiangxi Province, Longnan County Longnan Town Cultural Street No. 205 Simon Applicant before: Zeng Yongbin |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Guoqing Inventor after: Lu Xifeng Inventor after: Lv Qingluan Inventor after: Man Jie Inventor after: Ren Dieling Inventor after: Zeng Yongbin Inventor after: Yin Zhenyan Inventor after: Yao Chao Inventor before: Zhang Yali Inventor before: Zhang Guoqing Inventor before: Lu Xifeng Inventor before: Yin Zhenyan Inventor before: Zhang Qingjie Inventor before: Man Jie Inventor before: Zeng Yongbin |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20151229 Address after: 272000 Shandong city of Jining Province Guang River Road No. 16 Shandong Quality Inspection Center Applicant after: Lunan Coal Chemical Research Institute Address before: 272000 Shandong city of Jining Province Guang River Road No. 16 South 11 floor quality inspection center Applicant before: Zhang Guoqing Applicant before: Zeng Yongbin |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160120 Termination date: 20170727 |