CN103035940A - 一种锂离子电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种锂离子电池，包括正极片、负极片及电解液，正极片或负极片上具有无机粉体材料复合物的涂层。该锂离子电池中的电极极片上的涂层替代通常意义上的电池隔膜，带无机粉体材料复合物的涂层的电极极片可以无需隔膜的存在下直接组合成电池，防止电池在短路、热失效等条件下，因隔膜的融化导致正负极直接短路而造成更严重的安全隐患，以此增加电池的安全性能。本发明还提供一种上述锂离子电池的制备方法。
Description
【技术领域】
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种锂离子电池及其制备方法。
【背景技术】
随着信息、材料和能源技术的进步，锂离子电池以其高比能量、长循环寿命、无记忆效应、安全可靠以及能快速充放电等优点而成为新型电源技术研究的热点。锂离子电池除广泛用于日常熟知的手机、笔记本电脑以及其他数码电子产品之外，电动车的发展也将带动锂离子电池的更大需求，且在航空航天、航海、人造卫星、小型医疗、军用通信设备等领域中也得到了应用，逐步代替传统电池。
电池隔膜是指在锂离子电池正极与负极中间的聚合物隔膜，是锂离子电池最关键的部分，对电池安全性和成本有直接影响。其主要作用有：隔离正、负极并使电池内的电子不能自由穿过；让电解质液中的离子在正负极间自由通过。锂离子传导能力直接关系到锂离子电池的整体性能，电池隔膜的隔离正负极的作用使电池在过度充电或者温度升高的情况下能限制电流的升高，防止电池短路引起***，对电池使用者和设备起到安全保护的作用。普通电池隔膜的共同特点是材料均为有机聚合物材料，这些材料容易在电池短路或其它异常情况下升温而造成有机材料的融化甚至碳化，从而最终使正负极极体接触而短路甚至***。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种安全性能较好的锂离子电池。
此外，还有必要提供一种安全性能较好的锂离子电池的制备方法
一种锂离子电池，包括正极片、负极片及电解液，其中：正极片或负极片上具有无机粉体材料复合物的涂层。
在优选实施例中，无机粉体材料复合物各组份按质量百分比包括，88％～95％的无机粉体材料，5％～12％的粘结剂及分散剂。
在优选实施例中，所述涂层的孔隙率大于40％。
在优选实施例中，无机粉体材料为粒径在500nm～8μm的纳米级无机金属氧化物或多孔结构粉体材料。
在优选实施例中，无机粉体材料包括三氧化二铝、沸石、氧化锂、氧化钛或二氧化硅中的一种及几种混合物。
一种锂离子电池的制备方法，包括以下步骤，
制备混合溶液，通过有机溶剂及纯净水溶解无机粉体材料、粘结剂及分散剂，得到混合溶液；
其中，无机粉体材料复合物各组份按质量百分比包括，88％～95％的无机粉体材料，5％～12％的粘结剂及分散剂；
制备浆液，将所述混合溶液通过转速为2800RPM的高速剪切分散机或沙磨分散机制成粘度为200cp～1600cp的浆液；
制备涂层，将上述浆料通过涂布方法复合在正极片或负极片上表面形成涂覆层，将所述涂覆层烘干得到涂层；
电池的组装，电池的组装，将正极片与负极片，电解液组装成电池，其中所述正极片或负极片中至少一个极片上具有无机粉体材料复合物的涂层。优选实施例中，锂离子电池正极片的活性物质为磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料、钴酸锂中的一种或几种，集流体为铝箔。
在优选实施例中，所述无机粉体材料为粒径在500nm～8μm的纳米级无机金属氧化物或多孔结构粉体材料。
在优选实施例中，所述无机粉体材料包括三氧化二铝、沸石、氧化锂、氧化钛或二氧化硅中的一种及几种混合物。
在优选实施例中，所述涂覆层的厚度为10μm～40μm。
在优选实施例中，所述涂层的孔隙率大于40％。
该锂离子电池中的电极极片上的涂层替代通常意义上的电池隔膜，具备无机粉体材料复合物的涂层的电极极片可以无需隔膜的存在下直接组合成电池，防止电池在短路、热失效等条件下隔膜的融化导致正负极直接短路而造成更严重的安全隐患，增加电池的安全性能。
【附图说明】
图1为本发明制备的锂离子电池的制备流程图；
图2为一实施方式制备的电池的热箱测试结果。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对锂离子电池及其制备方法进一步阐明。
一种锂离子电池，包括正极片、负极片及电解液，其中：正极片或负极片上具有无机粉体材料复合物的涂层。
优选实施例中，无机粉体材料复合物各组份按质量百分比包括，88％～95％的无机粉体材料，5％～12％的粘结剂及分散剂。
优选实施例中，所述涂层的孔隙率大于40％。
优选实施例中，无机粉体材料为粒径在500nm～8μm的纳米级无机金属氧化物或多孔结构粉体材料。
优选实施例中，无机粉体材料包括三氧化二铝、沸石、氧化锂、氧化钛或二氧化硅中的一种及几种混合物。
优选实施例中，粘结剂及分散剂包括PVDF、CMC、SBR等，溶剂选用纯净水或NMP。
一种锂离子电池的制备方法，包括以下步骤，
S01、制备混合溶液。通过有机溶剂及纯净水溶解无机粉体材料、粘结剂及分散剂，得到混合溶液；
其中，无机粉体材料复合物各组份按质量百分比包括，88％～95％的无机粉体材料，5％～12％的粘结剂及分散剂；
S02、制备浆液。将所述混合溶液通过转速为2800RPM的高速剪切分散机或沙磨分散机制成粘度为200cp～1600cp的浆液；
S03、制备涂层。将上述浆料通过涂布方法复合在正极片或负极片上表面形成涂覆层，将所述涂覆层烘干得到涂层；
S04、电池的组装。电池的组装，将正极片与负极片，电解液组装成电池，其中所述正极片或负极片中至少一个极片上具有无机粉体材料复合物的涂层。
优选实施例中，锂离子电池不含有隔膜。
优选实施例中，锂离子电池正极片的活性物质为磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料、钴酸锂中的一种或几种，集流体为铝箔。
锂离子电池负极片的活性物质为人造石墨、天然石墨或碳微球，集流体为铜箔。
优选实施例中，涂布方法包括喷涂、印刷、挤压式或转移式等本领域内常用的方法。
该锂离子电池中的电极极片上的涂层替代通常意义上的电池隔膜，具备无机粉体材料复合物的涂层的电极极片可以无需隔膜纸的存在下直接组合成电池，防止电池在短路、热失效等条件下隔膜的融化导致正负极直接短路而造成更严重的安全隐患，增加电池的安全性能
下面为具体实施例。
实施例1
步骤S11、制备混合溶液。
用N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂将固体质量百分比为12％的PVDF溶解搅拌分散后继续添加88％的气相法SiO2粉体。
步骤S12、制备浆液。
将S11中的混合溶液经过2800rpm的高速剪切分散制成粘度约1400cp的浆液。
步骤S13、制备涂层。
将浆液通过转移式涂布方式复合在以铜箔为集流体，以球形石墨为活性物质的负极片表面，得到涂覆层，涂覆层厚度为24μm，经过烘干得到具备涂层的负极片。
通过重量法测定该电极片孔隙率为52％，孔径测试仪测得孔径为140nm。
步骤S14、组装电池。
将上述制作的带有涂层的负极片与以磷酸铁锂作为活性物质的正极片通过叠片的方式组装成电池，注入1.2mol/L的LiPF6作为锂盐，以碳酸甲乙酯∶碳酸乙烯酯∶碳酸二乙酯＝1∶5∶4的比例混合成为溶剂的电解液。经过封装、预充形成电池。
实施例2
步骤S21、制备混合溶液。
用纯净水作为溶剂将固体质量百分比为3％的粘结剂CMC羧甲基纤维素钠、5％丁苯橡胶SBR溶解搅拌分散后继续添加92％的AI2O3粉体。
步骤S22、制备浆液。
将S21中的混合溶液，经过沙磨分散制成粘度约800cp的浆液。
步骤S23、制备涂层。
将浆液通过凹版印刷涂布方式复合在以铝箔为集流体，以磷酸铁锂为活性物质的正极片表面，得到涂覆层，涂覆层厚度为15μm，经过烘干得到具备涂层的负极片。
通过重量法测定该电极片孔隙率为44％，孔径测试仪测得孔径为85nm。
步骤S24、组装电池。
将上述制作的带有涂层的正极片与以石墨作为活性物质的负极片通过叠片的方式组装成电池，注入1.2mol/L的LiPF6作为锂盐，以碳酸甲乙酯∶碳酸乙烯酯∶碳酸二乙酯＝1∶5∶4的比例混合成为溶剂的电解液。经过封装、预充形成电池。
实施例3
步骤S31、制备混合溶液。
用NMP作为溶剂将固体质量百分比为6％的PVDF溶解搅拌分散后继续添加94％的多孔纳米沸石。
步骤S32、制备浆液。
将S31中的混合溶液经过2800rpm的高速剪切分散制成粘度约1000cp的浆液。
步骤S33、制备涂层。
将浆液通过转移式涂布方式复合在以铝箔为集流体，以石墨CMB为活性物质的负极片表面，得到涂覆层，涂覆层厚度为30μm，经过烘干得到具备涂层的负极片。
通过重量法测定该电极片孔隙率为60％，孔径测试仪测得孔径为125nm。
步骤S34、组装电池。
将上述制作的带有涂层的负极片与以磷酸铁锂作为活性物质的正极片通过叠片的方式组装成电池，注入1.2mol/L的LiPF6作为锂盐，以碳酸甲乙酯∶碳酸乙烯酯∶碳酸二乙酯＝1∶5∶4的比例混合成为溶剂的电解液。经过封装、预充形成电池。
表2实施所制极片与相应的无隔膜层极片组合成电池测试电池电性能，其相对于理论容量的放电比例如下：
| Rate | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 无涂敷层 |
| 0.2C | 100％ | 100％ | 100％ | 100％ |
| 0.5C | 94.3％ | 94.8％ | 94.0％ | 94.0％ |
| 1.0C | 90.4％ | 91.0％ | 90.4％ | 89.7％ |
| 2.0C | 88.5％ | 88.2％ | 88.6％ | 89.0％ |
| 3.0C | 87.4％ | 87.0％ | 87.8％ | 87.9％ |
由上表可见低倍率放电条件下涂敷有A12O3粉体的极片地倍率放电性能较好，涂敷有纳米沸石的极片的倍率放电性能相对突出。这个效果也可以通过不同材料隔膜的孔隙率参数加以比对判断。
热箱实验数据：
由图2可以看出：分别涂有隔离膜的极片制作的电池在热箱温度升高额定温度150度后没有继续升高，而无涂层电池在热箱温度达到150度后由于隔膜开始融化造成正负极直接接触，从而造成温度继续上升，至到电池鼓胀破裂温度才会逐渐下降。各电池电压均在电池内压达到CID反转压力时自动变为零。
可以说明利用涂敷的方式制作的无机隔膜层可以在电池温度超过普通有机隔膜融化温度时能够保证电池正负极不会短路而造成自然、***等现象的产生。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种锂离子电池，包括正极片、负极片及电解液，其特征在于：所述正极片或负极片上具有无机粉体材料复合物的涂层。
2.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述无机粉体材料复合物各组份按质量百分比包括，88％～95％的无机粉体材料，5％～12％的粘结剂及分散剂。
3.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于：所述涂层的孔隙率大于40％。
4.如权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于：所述无机粉体材料为粒径在500nm～8μm的纳米级无机金属氧化物或多孔结构粉体材料。
5.如权利要求4所述的锂离子电池，其特征在于：所述无机粉体材料包括三氧化二铝、沸石、氧化锂、氧化钛或二氧化硅中的一种及几种混合物。
6.一种锂离子电池的制备方法，包括以下步骤，
制备混合溶液，通过有机溶剂及纯净水溶解无机粉体材料、粘结剂及分散剂，得到混合溶液；其中，所述无机粉体材料复合物各组份按质量百分比包括，88％～95％的无机粉体材料，5％～12％的粘结剂及分散剂；
制备浆液，将所述混合溶液通过转速为2800RPM的高速剪切分散机或沙磨分散机制成粘度为200cp～1600cp的浆液；
制备涂层，将上述浆料通过涂布方法复合在正极片或负极片上表面形成涂覆层，将所述涂覆层烘干得到涂层；
电池的组装，将正极片与负极片，电解液组装成电池，其中所述正极片或负极片中至少一个极片上具有无机粉体材料复合物的涂层。
7.如权利要求6所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述无机粉体材料为粒径在500nm～8μm的纳米级无机金属氧化物或多孔结构粉体材料。
8.如权利要求7所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述无机粉体材料包括三氧化二铝、沸石、氧化锂、氧化钛或二氧化硅中的一种及几种混合物。
9.如权利要求6所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述涂覆层的厚度为10μm～40μm。
10.如权利要求6所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述涂层的孔隙率大于40％。
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