CN104103824A - 一种高能动力电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高能动力电池，包括多个正极、多个负极、多个隔膜、聚合物凝胶电解质、电池壳体，其中，正极、负极以及正负极之间的隔膜组成电芯，正极由正极活性物质、粘结剂、导电剂和正极集流体组成，正极活性物质组分和含量(重量百分比)为：20％～25％的锰酸锂，余量为镍钴锰酸锂；负极由负极活性材料、导电剂、增稠剂、粘结剂和负极集流体组成，负极活性物质包括含量(重量百分比)为87％～90％的石墨烯。本发明还公开了高能动力电池的制作方法。本发明的高能动力电池及其制作方法以锰酸锂和锰镍钴锰酸锂为主添加导电石墨、鳞片石墨等的物质，提高了动力电池重量比能量、安全性和结构稳定性。

Description

一种高能动力电池及其制作方法
技术领域
本发明动力电池及其制作方法，特别涉及一种高能动力电池及其制作方法。 
背景技术
目前，随着社会的发展，传统石油资源的日益减少，以及以全球变暖为主要特征的气候问题对人类威胁越来越严重。节能环保的电动汽车越来越成为人们出行的最佳选择。而电动汽车的关键部件之一的动力电池需要更高的容量、比能量、高功率、高安全、长寿命。目前市场的电池有一次电池和二次电池，二次电池又分为铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池，由于以上电池容量小、比能量低、功率低、安全性差、使用寿命短等问题严重制约着电动汽车行业的发展，要使动力电池在电动汽车上应用得更为广泛，必须提高动力电池的容量、比能量、功率、安全性及使用寿命。 
发明内容
本发明提出一种高能动力电池及其制作方法，在于克服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： 
本发明公开了一种高能动力电池，包括多个正极、多个负极、多个隔膜、聚合物凝胶电解质、电池壳体，其中，正极、负极以及正负极之间的隔膜组成电芯，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，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，所述的正极活性物质组分和含量(重量百分比)为：20％～25％的锰酸锂，余量为镍钴锰酸锂； 
负极由负极活性材料、导电剂、增稠剂、粘结剂和负极集流体组成，所述的负极活性物质包括含量(重量百分比)为87％～90％的石墨烯。 
在本发明所述的高能动力电池中，所述的正极采用的粘结剂、导电剂和正极集流体具体为：所述的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。 
在本发明所述的高能动力电池中，所述的正极的组分以及重量百分比为： 
镍钴锰酸锂  58％～70％； 
锰酸锂      20％～25％； 
纳米碳管    1％～3％； 
导电炭黑    1％～3％； 
鳞片石墨    0％～2％； 
聚偏氟乙烯  2％～4％； 
余量为铝箔。 
在本发明所述的高能动力电池中，所述的负极采用的石墨、导电剂、增稠剂、粘结剂和负极集流体具体为：石墨采用人造石墨、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、纳米碳管中的一种或两种；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； 
在本发明所述的高能动力电池中，所述的负极的组分以及重量百分比为： 
石墨烯          87％～90％； 
导电碳黑        1％～3％； 
纳米碳管        1％～3％； 
丁苯橡胶        3％～5％； 
羧甲基纤维素钠  0％～2％； 
余量为铜箔。 
本发明公开了上述的高能动力电池的制作方法，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4～5小时，然后加入混合均匀的20wt％～25wt％的锰酸锂、58wt～70wt％的镍钴锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌5～6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1wt％～3wt％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4～5小时，随后加入0wt％～2wt％的导电炭黑及0wt％～2wt％的纳米碳管搅拌1～2小时，获得浆料，浆料过胶体磨以使导电炭黑及纳米碳管得到完全分散，再加入87％～90％的负极材料搅拌10～12小时，随后加入3wt％～5wt％的丁苯橡胶搅拌1～2小时，得到的浆料过150目筛1～2次；负极材料为石墨烯； 
S3.使用基材厚度为16～24um铝箔进行正极涂布，负极使用基材厚度为7～13μm的铜箔进行负极涂布； 
S4.将涂布完的膜片卷料放入烘箱85度真空烘烤4小时，除去水份； 
S5.辊压极片，将辊压好的极片进行横切和分切出需要的尺寸； 
S6.将极片在真空下进行85度烘烤4小时； 
S7.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20um～40um的隔离膜； 
S8.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辊压式超声焊焊接固定； 
S9.把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住； 
S10.将电芯放入真空状态下85度烘烤24小时，电芯在环境湿度小于-45％RH中注入聚合物凝胶型电解液，然后热封电池另一侧边； 
S11.将静置完成的电池芯放入40度的热夹具中压1～2分钟，然后放入普通夹具中压30秒～60秒； 
S12.电池化成和分容：采用夹具化成，化成工艺为0.03C充电2小时，0.2C充电到4.2V，电池放入不锈钢铁板中夹具80度烘烤3～5个小时，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.3C恒流充到4.2V，再在4.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.02C，然后以0.3C放电到3.0V。 
在本发明所述的高能动力电池的制作方法中，正极压实密度为2.8～4.0g/cm3，负极压实密度为1.2～1.6g/cm3。 
实施本发明的一种高能动力电池及其制作方法，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以锰酸锂和锰镍钴锰酸锂为主添加导电石墨、鳞片石墨、钒纳米的一种或多种物质，高克容量的锰镍钴锰酸锂掺合稳定性及安全性好的锰酸锂，再配上负极采用高客容量的石墨稀，提高此动力电池比能量，更有提高电池功率、容量、使用寿命、安全性和结构稳定性等优势。 
具体实施方式
本说明书中，使用wt表示重量百分比。 
实施例1， 
一种高能动力电池，包括正极、负极、25um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22wt％的锰酸锂、58wt％的镍钴锰酸锂材料； 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gum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87wt％的石墨烯；导电剂采用1.2wt％的导电炭黑；增稠剂采用0.5wt％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7um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。 
高能动力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4小时，然后加入混合均匀的22wt％的锰酸锂、58wt的镍钴锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌5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4小时，随后加入1.2wt％的导电炭黑搅拌1小时，获得浆料，浆料过胶体磨以使导电炭黑得到完全分散，再加入91wt％的人造石墨搅拌5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1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16铝箔进行正极涂布，负极使用基材厚度为8μm的铜箔进行负极涂布； 
S4.将涂布完的膜片卷料放入烘箱85度真空烘烤4小时，除去水份； 
S5.辊压极片，将辊压好的极片进行横切和分切出需要的尺寸； 
S6.将极片在真空下进行85度烘烤4小时； 
S7.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的隔离膜； 
S8.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辊压式超声焊焊接固定； 
S9.把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住； 
S10.将电芯放入真空状态下85度烘烤24小时，电芯在环境湿度小于-45％RH中注入聚合物凝胶型电解液，然后热封电池另一侧边； 
S11.将静置完成的电池芯放入40度的热夹具中压1分钟，然后放入普通夹具中压30秒； 
S12.电池化成和分容：采用夹具化成，化成工艺为0.03C充电2小时，0.2C充电到4.2V，电池放入不锈钢铁板中夹具80度烘烤3个小时，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.3C恒流充到4.2V，再在4.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.02C，然后以0.3C放电到3.0V。 
实施例2至5 
与实施例一中的制作工艺大部分相同，不同之处在于，锰酸锂、镍钴锰酸锂的含量、正极导电剂的选用及含量、石墨的选用及含量及负极的导电剂选用及含量不相同，所获得的高能动力电池特性如下表一所示。 
表一 
本发明的实施例制备的电池的性能远胜于市售电池的性能，具体比较如下表二所示。 
表二 
。

Claims (7)

1.一种高能动力电池，包括多个正极、多个负极、多个隔膜、聚合物凝胶电解质、电池壳体，其中，正极、负极以及正负极之间的隔膜组成电芯，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，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，所述的正极活性物质组分和含量(重量百分比)为：20％～25％的锰酸锂，余量为镍钴锰酸锂；
负极由负极活性材料、导电剂、增稠剂、粘结剂和负极集流体组成，所述的负极活性物质包括含量(重量百分比)为87％～90％的石墨烯。
2.根据权利要求1所述的高能动力电池，其特征在于，所述的正极采用的粘结剂、导电剂和正极集流体具体为：所述的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。
3.根据权利要求2所述的高能动力电池，其特征在于，所述的正极的组分以及重量百分比为：
镍钴锰酸锂    58％～70％；
锰酸锂        20％～25％；
纳米碳管      1％～3％；
导电炭黑      1％～3％；
鳞片石墨      0％～2％；
聚偏氟乙烯    2％～4％；
余量为铝箔。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高能动力电池，其特征在于，所述的负极所采用的导电剂、增稠剂、粘结剂和负极集流体具体为：导电剂采用导电碳黑、纳米碳管中的一种或两种；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。
5.根据权利要求4所述的高能动力电池，其特征在于，所述的负极的组分以及重量百分比为：
石墨烯          87％～90％；
导电碳黑        1％～3％；
纳米碳管        1％～3％；
丁苯橡胶        3％～5％；
羧甲基纤维素钠  0％～2％；
余量为铜箔。
6.一种权利要求1至5任一项所述的高能动力电池的制作方法，其特征在于，包括：
S1.将2wt％～4wt％的聚偏氟乙烯加入N一甲基吡咯烷酮中，在有循环水冷却的条件下进行真空搅拌4～5小时，然后加入混合均匀的20wt％～25wt％的锰酸锂、58wt～70wt％的镍钴锰酸锂和导电剂的混合物，加完料搅拌5～6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1wt％～3wt％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4～5小时，随后加入0wt％～2wt％的导电炭黑及0wt％～2wt％的纳米碳管搅拌1～2小时，获得浆料，浆料过胶体磨以使导电炭黑及纳米碳管得到完全分散，再加入87％～90％的负极材料搅拌10～12小时，随后加入3wt％～5wt％的丁苯橡胶搅拌1～2小时，得到的浆料过150目筛1～2次；负极材料为石墨烯；
S3.使用基材厚度为16～24um铝箔进行正极涂布，负极使用基材厚度为7～13μm的铜箔进行负极涂布；
S4.将涂布完的膜片卷料放入烘箱85度真空烘烤4小时，除去水份；
S5.辊压极片，将辊压好的极片进行横切和分切出需要的尺寸；
S6.将极片在真空下进行85度烘烤4小时；
S7.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20um～40um的隔离膜；
S8.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辊压式超声焊焊接固定；
S9.把叠合电芯装入冲好的电池壳体中，将铝塑复合膜封住；
S10.将电芯放入真空状态下85度烘烤24小时，电芯在环境湿度小于-45％RH中注入聚合物凝胶型电解液，然后热封电池另一侧边；
S11.将静置完成的电池芯放入40度的热夹具中压1～2分钟，然后放入普通夹具中压30秒～60秒；
S12.电池化成和分容：采用夹具化成，化成工艺为0.03C充电2小时，0.2C充电到4.2V，电池放入不锈钢铁板中夹具80度烘烤3～5个小时，然后对电池进行除气、热封、裁边、整形；电池分容工艺为0.3C恒流充到4.2V，再在4.2V下恒流恒压充电，截止电流为0.02C，然后以0.3C放电到3.0V。
7.根据权利要求6所述的高能动力电池的制作方法，其特征在于，正极压实密度为2.8～4.0g/cm3，负极压实密度为1.2～1.6g/cm3。
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