CN105990602A - 一种高容量高功率动力型锂离子电池制造方法 - Google Patents

一种高容量高功率动力型锂离子电池制造方法 Download PDF

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沈晓彦
唐琛明
宋晓波
沈晓卫
王兴威
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JIANGSU HIGHSTAR BATTERY MANUFACTURING Co Ltd
JIANGSU NEW POWER BATTERY AND MATERIAL ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTRAL Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种高容量高功率动力型圆柱锂离子电池的制造方法，其中正极采用高比容量的NCA（镍钴铝）材料，负极活性物质采用的硅碳复合材料，大大提高了电池的容量，NCA材料中锂镍混排程度小，层状结构更加完好，结构不容易坍塌，增加了循环性能以及热稳定性。采用耐高温、高安全性的五元电解液作为高安全宽温幅动力新型锂离子电池的电解液，可以提高动力电池在大倍率放电时的使用寿命和安全性。

Description

一种高容量高功率动力型锂离子电池制造方法
技术领域
本发明涉及用镍钴铝锂氧化物LiNixCo1 – x – yAlyO2等作为正极活性物质，硅碳复合材料作为负极活性物质，耐高温、高安全性的五元电解质作为电解质，经过卷绕加工方式制备而成的圆柱型锂离子电池再经过智能化成而成的锂离子电池。
背景技术
2013 年，随着Tesla公司对其电动跑车的成功商业化运作，Tesla Model S
电动跑车在2013 年1 季度销售4750 台，成为美国电动汽车销售榜冠军，其电动跑车采用的NCA 动力电池再一次引发了国内锂电界对NCA 正极材料的产业化热潮。Tesla Model S 电动跑车采用的NCA 动力电池组由6831 节18650 锂离子电池组成，其单体电池为日本松下提供的18650 型NCA 锂离子电池，容量可以达到3.0 Ah。NCA 正极材料是目前能够产业化的最高比容量的正极材料。Tesla 公司成功将其用于动力电池，并商业化成功，无疑给锂离子电池的新能源之路提供了一个全新的思路，NCA 正极材料此次再次成为产业化研究热点，也体现了人们对高能量密度的锂离子电池正极材料的迫切需求。
电动工具市场上处于领导地位的传统三元锂离子都存在以下缺陷：
1、较高的首次不可逆容量，降低了材料的实际能量密度，造成电池的比容量比较低。
2、电池锂层中镍锂混排程度高，影响循环性能和热稳定性。
3、镍钴铝作为正极材料虽然容量有所提高，但倍率性能较差。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种高容量高功率动力型锂离子电池的制造方法。该方法的特点是采用NCA三元材料作为正极活性物质，提高电池的比容量；负极采用高容量的碳硅复合材料，硅作为储锂容量，碳作为分散基，提高比容量，保持结构的稳定性。
电解液采用五元电解液，耐高温，安全性高。通过的途径和解决的问题分述如下：
1．采用NCA（镍钴铝）作为三元材料作为锂电池的正极活性物质。NCA是对LiNiO2 进行钴和铝的共同掺杂所得产物，因掺杂后Co 和Al 占据Ni 位，故其晶体结构与LiNiO2相似，为α-NaFeO2型层状结构，属R m 空间群，其中O2–占据6c 位置构成fcc 点阵，Li+和Ni3+（以及Co3+、Al3+）交替占据八面体间隙的3b、3a 位。Co 在NCA 材料中的作用机理和三元材料中Co 的作用基本一致，掺杂Co 后，晶胞参数均随着Co 的掺杂量增大逐渐减小，c/a 值逐渐增加，镍锂混排程度逐渐降低，并且可以降低Ni3+的Jahn-Teller 扭曲，增加了材料层状结构的特性，提高材料的循环性能和热稳定。
2. 采用高容量的碳硅复合负极材料，材料中的硅作为活性物质，提供储锂容量，碳作为分散基体，可以缓冲硅颗粒脱嵌锂时的体积变化，保持结构的稳定性，维持电极内部电接触，故电池具有高容量和优越的循环性能。
3.采用耐高温、高安全性的五元电解液作为高安全宽温幅动力新型锂离子电池的电解液。可以提高动力电池在大倍率放电时的使用寿命和安全性。
4．改进电池结构，减小基带厚度，进一步提高电池容量。
5．采用智能化成的化成方法，使负极表面的SEI膜，结构稳定，阻抗小，电池倍率性能好，安全性高，同时又能具有良好的循环性能及性能的一致性。
（1） 正电极的制备：
将NCA作为正极活性物质，KS6、Super P作为导电剂，PVdF作为粘结剂，用NMP做溶剂，经过一定时间的高速搅拌制得正极浆料，均匀地涂布在铝箔的两面，烘干后制得正电极。
（2） 负电极的制备：
a制浆：将碳硅复合材料作为负极活性物质，将纯水，粘结剂和导电添加剂分别与粉末状的负极活性物质混合，经高速搅拌均匀、真空制得。
b 涂布：将负极浆料均匀地涂布在铜箔的两面，烘干后制得负电极。
（3） 卷绕（叠片）组装：将事先设计好的正极、隔膜和负极相互对应卷绕成形，或以叠片的形式组装后装入电壳体内组装成为电池芯。
（4） 五元电解液：有机溶剂：碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）、丙烯碳酸酯（PC）、四氢呋喃（THF）、乙酸甲酯（MA），比例为1:2:1:1:1，电解质：LiPF6、LiBF4。
（5）注液：把事先配制好的电解液按电池产品设计的数量，引入电池芯中。
（6）化成和放置：用专用的电池充放电设备对成品电池进行小电流预充电一定的电量，再在一定的温度下经过老化处理，再用小电流化成，在负电极表面形成保护模，然后放置数周后，再作放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池，待出厂。
按照本方法所提供的产品设计和工艺技术来生产制备能低温下安全充电的动力新型锂离子电池将会达到如下技术效果：
（1）产品容量提高
本发明的高容量动力型锂离子电池能在20℃±5℃的条件下以0.5C电流充电至4.2V，再以4.2V恒压充至电流为0.02C，搁置10min后，以0.2C的电流恒流放电至2.75V，所放出的电量不低于额定容量的90%。
（2）10C循环性能提高
本发明的高容量动力型锂离子电池能在20℃±5℃的条件下以0.5C电流充电至4.2V，再以4.2V恒压充至电流为0.02C，搁置10min后，以10C的电流恒流放电至2.75V，搁置30min，上述步骤循环300次，容量保持率在70%以上。
（3）产品的安全性能提高
本发明的能低温下安全充电的动力新型锂离子电池充满电后能在穿刺、挤压条件下不发生起火、***。
（4）产品性能一致性增加
在本发明生产工艺中采用了智能化成，在对电池进行小电流预充电一定的电量，再在一定的温度下经过老化处理，再用小电流化成的过程中，能在负极表面形成结构均匀、稳定、阻抗小的SEI膜，从而使电池性能一致性增加。
具体实施方式
实施例一：
ISR18650PC-2600高容量高功率电池的配方：
正极配方：活性材料NCA（镍钴铝），导电剂KS6、科琴黑，粘结剂PVDF。
负极配方：活性材料碳硅复合材料，导电剂KS6、Super P，粘结剂CMC、SBR。
电解液配方：有机溶剂碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）、丙烯碳酸酯（PC）、四氢呋喃（THF）、乙酸甲酯（MA），比例为1:2:1:1:1；电解质LiPF6、LiBF4。
表1为实施例一 ISR18650PC-2600的正负极、电解液配方。
表1
实施例二：
传统三元材料的电池配方：
正极配方：活性材料镍钴锰三元材料，导电剂KS6、科琴黑，粘结剂PVDF。
负极配方：活性材料活性石墨粉，导电剂KS6、Super P，粘结剂CMC、SBR。
电解液配方：有机溶剂碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）、丙烯碳酸酯（PC），比例为1:1:1；电解质LiPF6、LiBF4。
表2为实施例二传统三元材料锂电池的正负极、电解液配方。
表2
表3为实施例二、三制作的电池与普通动力型电池测试对比数据
表3
测试项目 实施例一 实施例二
额定容量 2600 2000
20A循环（容量衰减至80%）/次 300 250
26A循环（容量衰减至80%）/次 200 150
针刺 不起火、不*** 不起火、不***
挤压 不起火、不*** 不起火、不***
注：以上表中数据为测试平均值。

Claims (5)

1.一种高容量高功率动力型圆柱锂离子电池的制造方法，其特征在于该电池由正极、负极、隔膜和倍率放电电解质组成，使用该制造方法制备的锂离子动力电池容量高大倍率放电性能明显改善。
2.在如权利要求1所述，其特征在于电池的正极活性物质为镍钴铝锂氧化物LiNixCo1–x–yAlyO2。
3.如权利要求1所述，其特征在于电池的负极活性物质为硅碳复合材料。
4.如权利要求1所述，其特征在于电池的倍率放电电解质采用的是五元电解液。
5. 如权利要求1所述，其特征在于电池制备时其正极、隔膜、负极经过卷绕方式组装而成。
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