CN105226325A - 一种钛酸锂电池用电解液及钛酸锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛酸锂电池用电解液及钛酸锂电池，属于锂离子电池技术领域。本发明的钛酸锂电池用电解液，包括以下组分：1-1.5mol/L的电解质锂盐，质量百分含量为1％-3％的碳酸亚乙烯酯，质量百分含量为1％-5％的丙磺酸内酯，质量百分含量为1-6％的联苯，余量为溶剂，所述溶剂由如下体积比的组分组成：碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸甲乙酯：碳酸丙烯酯＝10-35:40-65:10-25:1-15。本发明的钛酸锂电池用电解液能够降低钛酸锂电池的内阻，提高电解液与钛酸锂材料的相容性，进而提高钛酸锂电池的倍率性能和安全性。

Description

一种钛酸锂电池用电解液及钛酸锂电池
技术领域
本发明涉及一种钛酸锂电池用电解液及钛酸锂电池，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
由于传统能源的枯竭，新能源技术越来越受到人们的重视，锂离子电池就是其中的一种。随着锂离子电池在电动车等领域的应用范围越来越广，人们对电池的倍率性能、安全性能提出了更高的要求。现有技术中通常采用对正极材料、负极材料的选择和改性等方式，来提高锂离子电池的倍率性能和安全性能，这种方式也非常有效。但是从降低锂离子电池的内阻方面来提高电池的倍率性能和安全性能方面的研究还不是很多。由于大倍率充放电时，内阻越大的电池其内部引起的热量集聚也就越严重，电池内部热量积累过多，锂离子电池的电化学性能就会恶化，而且很容易引起安全性问题，甚至会引发***。
钛酸锂作为一种新的锂离子电池负极材料，在电池充放电过程中几乎没有结构变化，被称为“零应变材料”，在于结构变化较为严重的正极材料如锰酸锂、三元材料等配合制成锂离子电池时，能够抵消正极材料结构变化对电池性能的影响。但是钛酸锂材料的导电性较差，制成的电池内阻较大，在充放电过程中，如果充放电倍率较大，则在电池内部引起的发热较为严重，影响了钛酸锂电池的倍率性能和安全性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够降低钛酸锂电池的内阻的钛酸锂电池用电解液。
为了实现以上目的，本发明的钛酸锂电池用电解液的技术方案如下：
一种钛酸锂电池用电解液，包括以下组分：1-1.5mol/L的电解质锂盐，质量百分含量为1％-3％的碳酸亚乙烯酯，质量百分含量为1％-5％的丙磺酸内酯，质量百分含量为1-6％的联苯，余量为溶剂，所述溶剂由如下体积比的组分组成：碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸甲乙酯：碳酸丙烯酯＝10-35:40-65:10-25:1-15。
本发明的钛酸锂电池用电解液，采用多种溶剂和多种添加剂，提高了电解液的离子导电性，与钛酸锂材料具有较好的相容性，在用作钛酸锂电池的电解液时，能够降低电池的内阻，从而提高钛酸锂电池的倍率充放电性能和安全性能。
所述电解质锂盐为全氟烷基磺酸酰亚胺锂盐、硼酸锂配合物、磷酸锂配合物中的一种。具体的，所述电解质锂盐为LiTFSI、LiBF4、LiPF6中的一种。
本发明的钛酸锂电池的技术方案如下：
一种使用上述电解液的钛酸锂电池，包括正极片和负极片，所述负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极材料层，所述负极材料层由如下重量百分比的组分组成：82-98％的钛酸锂、1-8％的粘结剂、1-10％的导电剂。
所述导电剂为颗粒导电剂、纤维导电剂中的一种或者两种的组合。所述颗粒导电剂为KS-6。所述纤维导电剂为SP或VGCF。
所述导电剂可以进一步优选为由乙炔黑与导电石墨按照2-6:1的质量比混合而成的混合导电剂。也可以单独使用乙炔黑或者导电石墨作为导电剂。
所述粘结剂为本领域常用的粘结剂，如聚偏氟乙烯。
由于本发明的电解液能够降低电池的内阻，负极片上的钛酸锂材料层可以采用较大的厚度，所述负极片上负极材料层的面密度为120-300g/m2。负极片的压实密度为1.95g/cm3。正极片的涂覆面密度为240g/m2，正极片的压实密度为2.8g/cm3。
为了充分发挥正极材料的容量，所述负极片与正极片的容量比为1:1.02-1.15。具体的，负极片的面积大于正极片的面积，以能够使负极片将正极片盖住。
所述正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极材料层，所述正极材料层由如下重量百分比的组分组成：89-92.5％的正极活性物质、1-8％的粘结剂、1-10％的导电剂。
所述正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料中的一种或者几种。进一步的，所述正极活性物质优选为三元材料。
上述钛酸锂电池的制备方法包括如下步骤：
1)正极片的制备：将粘结剂加入溶剂中，混匀，静置得胶液，将导电剂及正极活性物质加入所述胶液中，均匀分散后得到固含量为20-80％的正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体上，干燥、辊压、切片得到正极片；
2)负极片的制备：将粘结剂加入溶剂中，混匀，静置得胶液，将导电剂及负极活性物质加入所述胶液中，均匀分散得到固含量为20-80％的负极浆料，将负极浆料涂覆在负极集流体上，干燥，辊压，切片得到负极片；
3)将正极片、隔膜、负极片叠片制成电芯，80℃干燥12h，入壳，注入上述电解液，封口，即得。
所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
本发明的钛酸锂电池用电解液能够降低钛酸锂电池的内阻，提高电解液与钛酸锂材料的相容性，进而提高钛酸锂电池的倍率性能和安全性。本发明的钛酸锂电池的内阻为0.6-1.2mΩ，5C放电容量可以达到1C充电容量的87.2-91.8％，循环次数超过8000次，针刺试验和挤压试验全部合格，倍率性能和安全性能都得到了大幅的提高。
附图说明
图1为本发明实施例1的钛酸锂电池的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明。
实施例1
本实施例的钛酸锂电池用电解液，包括以下组分：1.3mol/L的电解质锂盐，质量百分含量为1.5％的碳酸亚乙烯酯，质量百分含量为3％的丙磺酸内酯，质量百分含量为4％的联苯，余量为溶剂，所述溶剂由如下体积比的组分组成：碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸甲乙酯：碳酸丙烯酯＝20:50:15:5。电解质锂盐为四氟硼酸锂LiBF4。
本实施例的钛酸锂电池，如图1所示，包括正极片1、负极片2和隔膜3，负极片由负极集流体铝箔和涂覆在负极集流体上的负极材料层构成，负极材料层由如下重量百分比的组分组成：88％的钛酸锂、5％的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)、7％的导电剂，导电剂由重量比为6：1的乙炔黑和导电石墨构成。负极片的涂覆面密度为200g/m2，负极片的压实密度为1.95g/cm3。正极片由正极集流体铝箔和涂覆在正极集流体上的正极材料层构成，正极材料层由如下重量百分比的组分组成：91％的三元材料、3.5％的导电剂乙炔黑和1％的导电剂KS-6、4.5％的粘结剂PVDF。正极片的涂覆面密度为240g/m2，正极片的压实密度为2.8g/cm3。
正极片和负极片采用相互交错叠片的方式进行装配，负极片的面积大于正极片的面积，以能够使负极片将正极片盖住。
本实施例的钛酸锂电池的制备方法包括如下步骤：
1)正极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和三元材料加入上述胶液中，均匀分散得到固含量为60％的正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体表面，干燥，辊压，切片制得正极片；
2)负极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和导电石墨的混合物及钛酸锂加入上述胶液中，均匀分散得到固含量为40％的负极浆料，将负极浆料涂覆在负极集流体表面，干燥，辊压，切片制得负极片；
3)将正极片、隔膜、负极片按次序叠放装配制成电芯，80℃干燥12h，装入电池壳体，注入27g上述电解液，浸润，封口，化成，分容，制得5.5Ah的钛酸锂电池。
实施例2
本实施例的钛酸锂电池用电解液，包括以下组分：1.0mol/L的电解质锂盐，质量百分含量为1.5％的碳酸亚乙烯酯，质量百分含量为3％的丙磺酸内酯，质量百分含量为4％的联苯，余量为溶剂，所述溶剂由如下体积比的组分组成：碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸甲乙酯：碳酸丙烯酯＝20:50:15:5。电解质锂盐为LiPF6。
本实施例的钛酸锂电池，包括正极片和负极片，负极片由负极集流体铝箔和涂覆在负极集流体上的负极材料层构成，负极材料层由如下重量百分比的组分组成：90％的钛酸锂、5％的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)、5％的导电剂，导电剂由重量比为4：1的乙炔黑和导电石墨构成。负极片的涂覆面密度为120g/m2，负极片的压实密度为1.95g/cm3。正极片由正极集流体铝箔和涂覆在正极集流体上的正极材料层构成，正极材料层由如下重量百分比的组分组成：91％的三元材料、3.5％的导电剂乙炔黑和1％的导电剂KS-6、4.5％的粘结剂PVDF。正极片的涂覆面密度为240g/m2，正极片的压实密度为2.8g/cm3。
正极片和负极片采用相互交错叠片的方式进行装配，负极片的面积大于正极片的面积，以能够使负极片将正极片盖住。
本实施例的钛酸锂电池的制备方法包括如下步骤：
1)正极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和三元材料加入上述胶液中，均匀分散得到固含量为60％的正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体表面，干燥，辊压，切片制得正极片；
2)负极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和导电石墨的混合物及钛酸锂加入上述胶液中，均匀分散得到固含量为40％的负极浆料，将负极浆料涂覆在负极集流体表面，干燥，辊压，切片制得负极片；
3)将正极片、隔膜、负极片按次序叠放装配制成电芯，80℃干燥12h，装入电池壳体，注入27g上述电解液，浸润，封口，化成，分容，制得5.5Ah的钛酸锂电池。
实施例3
本实施例的钛酸锂电池用电解液，包括以下组分：1.2mol/L的电解质锂盐，质量百分含量为1.5％的碳酸亚乙烯酯，质量百分含量为3％的丙磺酸内酯，质量百分含量为4％的联苯，余量为溶剂，所述溶剂由如下体积比的组分组成：碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸甲乙酯：碳酸丙烯酯＝25:50:15:10。电解质锂盐为LiPF6。
本实施例的钛酸锂电池，包括正极片和负极片，负极片由负极集流体铝箔和涂覆在负极集流体上的负极材料层构成，负极材料层由如下重量百分比的组分组成：85％的钛酸锂、5％的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)、5％的导电剂，导电剂由重量比为4：1的乙炔黑和导电石墨构成。负极片的涂覆面密度为300g/m2，负极片的压实密度为1.95g/cm3。正极片由正极集流体铝箔和涂覆在正极集流体上的正极材料层构成，正极材料层由如下重量百分比的组分组成：91％的三元材料、3.5％的导电剂乙炔黑和1％的导电剂KS-6、4.5％的粘结剂PVDF。正极片的涂覆面密度为240g/m2，正极片的压实密度为2.8g/cm3。
正极片和负极片采用相互交错叠片的方式进行装配，负极片的面积大于正极片的面积，以能够使负极片将正极片盖住。
本实施例的钛酸锂电池的制备方法包括如下步骤：
1)正极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和三元材料加入上述胶液中，均匀分散得到固含量为60％的正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体表面，干燥，辊压，切片制得正极片；
2)负极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和导电石墨的混合物及钛酸锂加入上述胶液中，均匀分散得到固含量为40％的负极浆料，将负极浆料涂覆在负极集流体表面，干燥，辊压，切片制得负极片；
3)将正极片、隔膜、负极片按次序叠放装配制成电芯，80℃干燥12h，装入电池壳体，注入27g上述电解液，浸润，封口，化成，分容，制得5.5Ah的钛酸锂电池。
实施例4
本实施例的钛酸锂电池用电解液，包括以下组分：1.2mol/L的电解质锂盐，质量百分含量为1％的碳酸亚乙烯酯，质量百分含量为5％的丙磺酸内酯，质量百分含量为1％的联苯，余量为溶剂，所述溶剂由如下体积比的组分组成：碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸甲乙酯：碳酸丙烯酯＝30:40:15:5。电解质锂盐为LiPF6。
本实施例的钛酸锂电池，包括正极片和负极片，负极片由负极集流体铝箔和涂覆在负极集流体上的负极材料层构成，负极材料层由如下重量百分比的组分组成：88％的钛酸锂、5％的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)、7％的导电剂，导电剂由重量比为6：1的乙炔黑和导电石墨构成。负极片的涂覆面密度为200g/m2，负极片的压实密度为1.95g/cm3。正极片由正极集流体铝箔和涂覆在正极集流体上的正极材料层构成，正极材料层由如下重量百分比的组分组成：92.5％的三元材料、3％的导电剂乙炔黑和1％的导电剂KS-6、3.5％的粘结剂PVDF。正极片的涂覆面密度为240g/m2，正极片的压实密度为2.8g/cm3。
正极片和负极片采用相互交错叠片的方式进行装配，负极片的面积大于正极片的面积，以能够使负极片将正极片盖住。
本实施例的钛酸锂电池的制备方法包括如下步骤：
1)正极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和三元材料加入上述胶液中，均匀分散得到固含量为60％的正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体表面，干燥，辊压，切片制得正极片；
2)负极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和导电石墨的混合物及钛酸锂加入上述胶液中，均匀分散得到固含量为40％的负极浆料，将负极浆料涂覆在负极集流体表面，干燥，辊压，切片制得负极片；
3)将正极片、隔膜、负极片按次序叠放装配制成电芯，80℃干燥12h，装入电池壳体，注入27g上述电解液，浸润，封口，化成，分容，制得5.5Ah的钛酸锂电池。
实施例5
本实施例的钛酸锂电池用电解液，包括以下组分：1.2mol/L的电解质锂盐，质量百分含量为3％的碳酸亚乙烯酯，质量百分含量为1％的丙磺酸内酯，质量百分含量为6％的联苯，余量为溶剂，所述溶剂由如下体积比的组分组成：碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸甲乙酯：碳酸丙烯酯＝25:45:25:5。电解质锂盐为LiTFSI。
本实施例的钛酸锂电池，包括正极片和负极片，负极片由负极集流体铝箔和涂覆在负极集流体上的负极材料层构成，负极材料层由如下重量百分比的组分组成：88％的钛酸锂、5％的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)、7％的导电剂，导电剂由重量比为6：1的乙炔黑和导电石墨构成。负极片的涂覆面密度为200g/m2，负极片的压实密度为1.95g/cm3。正极片由正极集流体铝箔和涂覆在正极集流体上的正极材料层构成，正极材料层由如下重量百分比的组分组成：89％的三元材料、4％的导电剂乙炔黑和1.5％的导电剂KS-6、5.5％的粘结剂PVDF。正极片的涂覆面密度为240g/m2，正极片的压实密度为2.8g/cm3。
正极片和负极片采用相互交错叠片的方式进行装配，负极片的面积大于正极片的面积，以能够使负极片将正极片盖住。
本实施例的钛酸锂电池的制备方法包括如下步骤：
1)正极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和三元材料加入上述胶液中，均匀分散得到固含量为60％的正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体表面，干燥，辊压，切片制得正极片；
2)负极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和导电石墨的混合物及钛酸锂加入上述胶液中，均匀分散得到固含量为60％的负极浆料，将负极浆料涂覆在负极集流体表面，干燥，辊压，切片制得负极片；
3)将正极片、隔膜、负极片按次序叠放装配制成电芯，80℃干燥12h，装入电池壳体，注入27g上述电解液，浸润，封口，化成，分容，制得5.5Ah的钛酸锂电池。
对比例1
本对比例的钛酸锂电池用电解液，包括以下组分：1.2mol/L的电解质锂盐，溶剂由如下体积比的组分组成：碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸甲乙酯：碳酸丙烯酯＝20:50:15:5。电解质锂盐为LiPF6。
本对比例的钛酸锂电池，包括正极片和负极片，负极片由负极集流体铝箔和涂覆在负极集流体上的负极材料层构成，负极材料层由如下重量百分比的组分组成：88％的钛酸锂、5％的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)、7％的导电剂，导电剂由重量比为6：1的乙炔黑和导电石墨构成。负极片的涂覆面密度为200g/m2，负极片的压实密度为1.95g/cm3。正极片由正极集流体铝箔和涂覆在正极集流体上的正极材料层构成，正极材料层由如下重量百分比的组分组成：89％的三元材料、4.5％的导电剂乙炔黑和1％的导电剂KS-6、5.5％的粘结剂PVDF。正极片的涂覆面密度为240g/m2，正极片的压实密度为2.8g/cm3。
正极片和负极片采用相互交错叠片的方式进行装配，负极片的面积大于正极片的面积，以能够使负极片将正极片盖住。
本对比例的钛酸锂电池的制备方法包括如下步骤：
1)正极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和三元材料加入上述胶液中，均匀分散得到正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体表面，干燥，辊压，切片制得正极片；
2)负极片的制备：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，静置240min得胶液，将导电剂乙炔黑和导电石墨的混合物及钛酸锂加入上述胶液中，均匀分散得到负极浆料，将负极浆料涂覆在负极集流体表面，干燥，辊压，切片制得负极片；
3)将正极片、隔膜、负极片按次序叠放装配制成电芯，80℃干燥12h，装入电池壳体，注入27g上述电解液，浸润，封口，化成，分容，制得5.5Ah的钛酸锂电池。
试验例
将实施例1-5及对比例中得到的钛酸锂电池按照国标QC/T743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》中的测试方法进行电化学性能测试，测试结果如表1所示。
表1实施例1-5及对比例中的钛酸锂电池的电化学性能
由表1可知，本发明的钛酸锂电池的内阻为0.6-1.2mΩ，5C放电容量可以达到1C充电容量的87.2-91.8％，循环次数超过8000次，针刺试验和挤压试验全部合格，倍率性能和安全性能都得到了大幅的提高。

Claims (8)

1.一种钛酸锂电池用电解液，其特征在于，包括以下组分：1-1.5mol/L的电解质锂盐，质量百分含量为1％-3％的碳酸亚乙烯酯，质量百分含量为1％-5％的丙磺酸内酯，质量百分含量为1-6％的联苯，余量为溶剂，所述溶剂由如下体积比的组分组成：碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸甲乙酯：碳酸丙烯酯＝10-35:40-65:10-25:1-15。
2.如权利要求1所述的钛酸锂电池用电解液，其特征在于，所述电解质锂盐为LiTFSI、LiBF4、LiPF6中的一种。
3.一种使用如权利要求1所述的电解液的钛酸锂电池，其特征在于，包括正极片和负极片，所述负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极材料层，所述负极材料层由如下重量百分比的组分组成：82-98％的钛酸锂、1-8％的粘结剂、1-10％的导电剂。
4.如权利要求3所述的钛酸锂电池，其特征在于，所述负极片与正极片的容量比为1:1.02-1.15。
5.如权利要求3所述的钛酸锂电池，其特征在于，所述负极片上负极材料层的面密度为120-300g/m2。
6.如权利要求3所述的钛酸锂电池，其特征在于，所述导电剂由乙炔黑与导电石墨按照2-6:1的质量比混合而成。
7.如权利要求3所述的钛酸锂电池，其特征在于，所述正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体上的正极材料层，所述正极材料层由如下重量百分比的组分组成：89-92.5％的正极活性物质、1-8％的粘结剂、1-10％的导电剂。
8.如权利要求7所述的钛酸锂电池，其特征在于，所述正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料中的一种或者几种。
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