CN103208632A - 一种纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池，包括正极、负极、隔膜、聚合物凝胶电解质、电池壳体，正极由正极活性物质、粘结剂、导电剂和正极集流体组成，正极活性物质采用镍锰酸锂材料；粘结剂采用聚偏氟乙烯；导电剂采用导电炭黑、导电石墨、鳞片石墨、纳米碳管中的一种或多种；正极集流体采用铝箔；负极由负极材料、导电剂、增稠剂、碳纳米管、粘结剂和负极集流体组成。采用由依次排列的第一隔膜、负极、第二隔膜、正极相连的叠片式结构。本发明的正极材料镍锰酸锂中添导电炭黑、导电石墨、鳞片石墨、纳米碳管的一种或多种物质，提高纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池重量比能量、功率、容量、放电效率、使用寿命、安全性及结构稳定性。
Description
技术领域
本发明动力电池及其制作方法，特别涉及一种纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池及其制作方法。
背景技术
目前，市场上现有多种电池，有一次电池和二次充电电池，有铅酸、镍氢、镍镉、锂电池（钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂）应用在电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、储能上的电池，由于小容量、功率低、效率低，需采用多块电池并联及串联起来增加功率和容量来提高电子产品的使用时间，由于每个电池都存在一定的差异，多个电池的组合对电池性能产生较大影响，降低电池的使用寿命，并影响使用安全。
发明内容
本发明提出一种纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池及其制作方法，在于克服单纯的锰酸锂电池及镍钴锰酸锂动电池及其他锂离子电池应用于电动车、储能电池时电压低、比能量小、放电效率低、使用寿命短和安全性差、电池结构能不稳定。
本技术方案是这样实现的：
本发明公开了一种纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池，包括正极、负极、隔膜、聚合物凝胶电解质、电池壳体，包括：
正极由正极活性物质、粘结剂、导电剂和正极集流体组成，
正极活性物质采用镍锰酸锂材料；粘结剂采用聚偏氟乙烯；导电剂采用导电炭黑、导电石墨、鳞片石墨、纳米碳管中的一种或多种；正极集流体采用铝箔；
负极由负极材料、导电剂、增稠剂、碳纳米管、粘结剂和负极集流体组成，
负极材料采用人造石墨、天然石墨、中间相碳微球或硬碳材料中的一种或多种；导电剂采用导电碳黑、导电石墨中的一种或多种；增稠剂采用羧甲基纤维素钠；粘结剂采用丁苯橡胶；负极集流体采用铜箔；
其中，电芯包括正极、负极以及正负极之间的隔膜，电芯采用由依次排列的第一隔膜、负极、第二隔膜、正极相连的叠片式结构。
进一步地，所述的正极的组分以及重量百分比为：
镍锰酸锂 92%～95%；
导电炭黑 1%～3%或鳞片石墨0%～2%或纳米碳管0%～2%；
聚偏氟乙烯 2%～4%；
余量为铝箔。
进一步地，所述的负极的组分以及重量百分比为：
负极材料 92%～95%，其中，负极材料为：人造石墨、天然石墨、中间相碳微球或硬碳材料中的一种或多种；
导电石墨 0%～2%；
碳纳米管 0%～2%；
丁苯橡胶 2%～3%；
羧甲基纤维素钠 0%～2%；
余量为铜箔。
本发明公开了一种权利要求制造中上述的纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池的制作方法，包括：
S1.将2wt%～4wt%的聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌2～3小时，然后加入混合均匀的92%～95%的镍锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌6～8小时，得到的浆料过150目筛1～2次；其中，导电剂的配比为：1wt%～3wt%的导电炭黑或0wt%～2wt%的鳞片石墨或0wt%～2wt%的纳米碳管或它们三种的混合物；
S2.将0wt%～2wt%的羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌3～5小时，随后加入0wt%～2wt%的导电石墨及0wt%～2wt%的碳纳米管搅拌2～4小时，获得浆料，浆料过胶体磨以使导电石墨及碳纳米管得到完全分散，再加入92wt%～95wt%的负极材料搅拌2～4小时，随后加入2wt%～3wt%的丁苯橡胶搅拌1～2小时，得到的浆料过150目筛2～3次；负极材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球或硬碳材料中的一种或多种；
S3.使用基材厚度为15～25um铝箔进行正极涂布，负极使用基材厚度为9～15μm的铜箔进行负极涂布；
S4.辊压极片，将辊压好的极片进行横切和分切出需要的尺寸；
S5.将极片在真空下进行烘烤3～5小时；
S6.将依次排列的第一隔膜、负极、隔膜、正极进行叠片式连接成电芯结构，所述的隔膜采用厚度为25um～40um的隔离膜；
S7.根据电池设计要求把正负极极耳焊接于正负极极片预留集流体上，极耳上留有纤维密封胶，正负极极耳焊接都采用超声焊并加以铆钉固定；
S8.把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住；
S9.将电芯放入真空状态下烘烤，在装有电芯的电池中注入凝胶电解液，然后热封电池另一侧边；采用夹具化成电池，化成工艺为0.02C充电2.5小时，0.1C充电2.5小时，0.2C充电5.2V，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.5C恒流充到5.2V，再在5.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.04C，然后以0.5C放电到3.5V。
进一步地，正极压实密度为2.2～3.9g/cm3，负极压实密度为1.2～1.6g/cm3。
实施本发明的一种纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池及其制作方法，具有以下有益的技术效果：
区别于现有技术中采用单纯的锰酸锂电池及镍钴锰酸锂动电池及其他锂离子电池在应用在电动车、储能电池电压低、比能量小、放电效率低、使用寿命短和安全性差、电池结构能不稳定的问题，本技术方案正极材料镍锰酸锂中添导电炭黑、导电石墨、鳞片石墨、纳米碳管的一种或多种物质，提高纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池重量比能量、功率、容量、放电效率、使用寿命、安全性及结构稳定性。
具体实施方式
本说明书中，使用wt表示重量百分比。
实施例一，
一种纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池，包括正极、负极、28um的隔膜、聚合物凝胶电解质、电池壳体，包括：
正极由正极活性物质、粘结剂、导电剂和正极集流体组成，
配比为：正极活性物质采用采用工作92wt%的镍锰酸锂材料；粘结剂采用2.5wt%的聚偏氟乙烯；导电剂采用1wt%的导电炭黑；正极集流体采用18um的铝箔；其中，
负极由负极材料、导电剂、增稠剂、粘结剂和负极集流体组成，
配比为：负极材料采用92wt%的人造石墨；导电剂采用0.5wt%的导电石墨；增稠剂采用0.5wt%的羧甲基纤维素钠；粘结剂采用2wt%的丁苯橡胶；负极集流体采用10um的铜箔；
其中，电芯包括正极、负极以及正负极之间的隔膜，电芯采用由依次排列的第一隔膜、负极、第二隔膜、正极相连的叠片式结构。
纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池的制作工艺包括以下步骤：
S1.将2.5wt%的聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌2小时，然后加入混合均匀的92wt%的镍锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌6小时，得到的浆料过150目筛1次；其中，导电剂的配比为：1wt%的导电炭黑；
S2.将0.5wt%的羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌3小时，随后加入0.5wt%的导电石墨及0.5wt%的碳纳米管搅拌2小时，获得浆料，浆料过胶体磨以使导电石墨及碳纳米管得到完全分散，再加入92wt%的负极材料搅拌2小时，随后加入2wt%的丁苯橡胶搅拌1小时，得到的浆料过150目筛2次；负极材料为人造石墨；
S3.使用基材厚度为18um铝箔进行正极涂布，负极使用基材厚度为10μm的铜箔进行负极涂布；
S4.辊压极片，将辊压好的极片进行横切和分切出需要的尺寸；
S5.将极片在真空下进行烘烤3.5小时；
S6.将依次排列的第一隔膜、负极、隔膜、正极进行叠片式连接成电芯结构，所述的隔膜采用厚度为28um的隔离膜；
S7.根据电池设计要求把正负极极耳焊接于正负极极片预留集流体上，极耳上留有纤维密封胶，正负极极耳焊接都采用超声焊并加以铆钉固定；
S8.把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住；
S9.将电芯放入真空状态下烘烤，在装有电芯的电池中注入凝胶电解液，然后热封电池另一侧边；采用夹具化成电池，化成工艺为0.02C充电2.5小时，0.1C充电2.5小时，0.2C充电5.2V，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.5C恒流充到5.2V，再在5.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.04C，然后以0.5C放电到3.5V。
在本发明所述的纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池的制作方法中，正极压实密度为2.2g/cm3，负极压实密度为1.2g/cm3。
实施例二，
一种纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池，包括正极、负极、30um的隔膜、聚合物凝胶电解质、电池壳体，包括：
正极由正极活性物质、粘结剂、导电剂和正极集流体组成，
配比为：正极活性物质采用采用93wt%的镍锰酸锂材料；粘结剂采用3wt%的聚偏氟乙烯；导电剂采用1.5wt%的导电炭黑；正极集流体采用20um的铝箔；其中，
负极由负极材料、导电剂、增稠剂、粘结剂和负极集流体组成，
配比为：负极材料采用93wt%的人造石墨；导电剂采用1.5wt%的导电石墨；增稠剂采用1.5wt%的羧甲基纤维素钠；粘结剂采用2.5wt%的丁苯橡胶；负极集流体采用13um的铜箔；
其中，电芯包括正极、负极以及正负极之间的隔膜，电芯采用由依次排列的第一隔膜、负极、第二隔膜、正极相连的叠片式结构。
纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池的制作工艺包括以下步骤：
S1.将3wt%的聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌2.5小时，然后加入混合均匀的93wt%的镍锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌7小时，得到的浆料过150目筛2次；其中，导电剂的配比为：1.5wt%的导电炭黑；
S2.将1.5wt%的羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌4小时，随后加入1.5wt%的导电石墨及1.5wt%的碳纳米管搅拌3小时，获得浆料，浆料过胶体磨以使导电石墨及碳纳米管得到完全分散，再加入93wt%的负极材料搅拌3小时，随后加入2wt%的丁苯橡胶搅拌1.5小时，得到的浆料过150目筛3次；负极材料为天然石墨；
S3.使用基材厚度为20um铝箔进行正极涂布，负极使用基材厚度为12μm的铜箔进行负极涂布；
S4.辊压极片，将辊压好的极片进行横切和分切出需要的尺寸；
S5.将极片在真空下进行烘烤4小时；
S6.将依次排列的第一隔膜、负极、隔膜、正极进行叠片式连接成电芯结构，所述的隔膜采用厚度为30um的隔离膜；
S7.根据电池设计要求把正负极极耳焊接于正负极极片预留集流体上，极耳上留有纤维密封胶，正负极极耳焊接都采用超声焊并加以铆钉固定；
S8.把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住；
S9.将电芯放入真空状态下烘烤，在装有电芯的电池中注入凝胶电解液，然后热封电池另一侧边；采用夹具化成电池，化成工艺为0.02C充电2.5小时，0.1C充电2.5小时，0.2C充电5.2V，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.5C恒流充到5.2V，再在5.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.04C，然后以0.5C放电到3.5V。
在本发明所述的纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池的制作方法中，正极压实密度为2.5g/cm3，负极压实密度为1.4g/cm3。
实施例三，
一种纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池，包括正极、负极、38um的隔膜、聚合物凝胶电解质、电池壳体，包括：
正极由正极活性物质、粘结剂、导电剂和正极集流体组成，
配比为：正极活性物质采用采用95wt%的镍锰酸锂材料；粘结剂采用4wt%的聚偏氟乙烯；导电剂采用3wt%的导电炭黑；正极集流体采用22um的铝箔；其中，
负极由负极材料、导电剂、增稠剂、粘结剂和负极集流体组成，
配比为：负极材料采用95wt%的人造石墨；导电剂采用2wt%的导电石墨；增稠剂采用2wt%的羧甲基纤维素钠；粘结剂采用3wt%的丁苯橡胶；负极集流体采用15um的铜箔；
其中，电芯包括正极、负极以及正负极之间的隔膜，电芯采用由依次排列的第一隔膜、负极、第二隔膜、正极相连的叠片式结构。
纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池的制作工艺包括以下步骤：
S1.将4wt%的聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌2.8小时，然后加入混合均匀的95wt%的镍锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌8小时，得到的浆料过150目筛2次；其中，导电剂的配比为：1.5wt%的导电炭黑；
S2.将2wt%的羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌5小时，随后加入1.5wt%的导电石墨及1.5wt%的碳纳米管搅拌4小时，获得浆料，浆料过胶体磨以使导电石墨及碳纳米管得到完全分散，再加入95wt%的负极材料搅拌4小时，随后加入3wt%的丁苯橡胶搅拌2小时，得到的浆料过150目筛3次；负极材料为天然石墨；
S3.使用基材厚度为22um铝箔进行正极涂布，负极使用基材厚度为14μm的铜箔进行负极涂布；
S4.辊压极片，将辊压好的极片进行横切和分切出需要的尺寸；
S5.将极片在真空下进行烘烤4小时；
S6.将依次排列的第一隔膜、负极、隔膜、正极进行叠片式连接成电芯结构，所述的隔膜采用厚度为30um的隔离膜；
S7.根据电池设计要求把正负极极耳焊接于正负极极片预留集流体上，极耳上留有纤维密封胶，正负极极耳焊接都采用超声焊并加以铆钉固定；
S8.把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住；
S9.将电芯放入真空状态下烘烤，在装有电芯的电池中注入凝胶电解液，然后热封电池另一侧边；采用夹具化成电池，化成工艺为0.02C充电2.5小时，0.1C充电2.5小时，0.2C充电5.2V，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.5C恒流充到5.2V，再在5.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.04C，然后以0.5C放电到3.5V。
在本发明所述的纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池的制作方法中，正极压实密度为3.9g/cm3，负极压实密度为1.6g/cm3。
Claims (5)
1.一种纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池，包括正极、负极、多个隔膜、聚合物凝胶电解质、电池壳体，其特征在于，包括：
正极由正极活性物质、粘结剂、导电剂和正极集流体组成，
正极活性物质采用镍锰酸锂材料；粘结剂采用聚偏氟乙烯；导电剂采用导电炭黑、导电石墨、鳞片石墨、纳米碳管中的一种或多种；正极集流体采用铝箔；
负极由负极材料、导电剂、增稠剂、碳纳米管、粘结剂和负极集流体组成，
负极材料采用人造石墨、天然石墨、中间相碳微球或硬碳材料中的一种或多种；导电剂采用导电碳黑、导电石墨中的一种或多种；增稠剂采用羧甲基纤维素钠；粘结剂采用丁苯橡胶；负极集流体采用铜箔；
其中，所述的正极、负极以及正负极之间的隔膜组成为电芯，电芯的结构为依次排列的第一隔膜、负极、第二隔膜、正极相连的叠片式结构。
2.根据权利要求1所述的纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池，其特征在于，所述的正极的组分以及重量百分比为：
镍锰酸锂 92%～95%；
导电炭黑 1%～3%或鳞片石墨0%～2%或纳米碳管0%～2%；
聚偏氟乙烯 2%～4%；
余量为铝箔。
3.根据权利要求1所述的纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池，其特征在于，所述的负极的组分以及重量百分比为：
负极材料 92%～95%，其中，负极材料为：人造石墨、天然石墨、中间相碳微球或硬碳材料中的一种或多种；
导电石墨 0%～2%；
碳纳米管 0%～2%；
丁苯橡胶 2%～3%；
羧甲基纤维素钠 0%～2%；
余量为铜箔。
4.一种权利要求1至3任一项所述的纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池的制作方法，其特征在于，包括：
S1.将2wt%～4wt%的聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌2～3小时，然后加入混合均匀的92%～95%的镍锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌6～8小时，得到的浆料过150目筛1～2次；其中，导电剂的配比为：1wt%～3wt%的导电炭黑或0wt%～2wt%的鳞片石墨或0wt%～2wt%的纳米碳管或它们三种的混合物；
S2.将0wt%～2wt%的羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌3～5小时，随后加入0wt%～2wt%的导电石墨及0wt%～2wt%的碳纳米管搅拌2～4小时，获得浆料，浆料过胶体磨以使导电石墨及碳纳米管得到完全分散，再加入92wt%～95wt%的负极材料搅拌2～4小时，随后加入2wt%～3wt%的丁苯橡胶搅拌1～2小时，得到的浆料过150目筛2～3次；负极材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球或硬碳材料中的一种或多种；
S3.使用基材厚度为15～25um铝箔进行正极涂布，负极使用基材厚度为9～15μm的铜箔进行负极涂布；
S4.辊压极片，将辊压好的极片进行横切和分切出需要的尺寸；
S5.将极片在真空下进行烘烤3～5小时；
S6.将依次排列的第一隔膜、负极、隔膜、正极进行叠片式连接成电芯结构，所述的隔膜采用厚度为25um～40um的隔离膜；
S7.根据电池设计要求把正负极极耳焊接于正负极极片预留集流体上，极耳上留有纤维密封胶，正负极极耳焊接都采用超声焊并加以铆钉固定；
S8.把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住；
S9.将电芯放入真空状态下烘烤，在装有电芯的电池中注入凝胶电解液，然后热封电池另一侧边；采用夹具化成电池，化成工艺为0.02C充电2.5小时，0.1C充电2.5小时，0.2C充电5.2V，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.5C恒流充到5.2V，再在5.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.04C，然后以0.5C放电到3.5V。
5.根据权利要求4所述的纳米碳管和镍锰酸锂纳米电池的制作方法，其特征在于，正极压实密度为2.2～3.9g/cm3，负极压实密度为1.2～1.6g/cm3。
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