CN108539156A - 锂离子电池负极材料、锂离子电池及其驱动的装置和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，具体而言，提供了一种锂离子电池负极材料、锂离子电池及其驱动的装置和制备方法。本发明提供的锂离子电池负极材料包含硅碳复合材料，负极粘结剂和负极导电剂。该锂离子电池负极材料中负极粘结剂和负极导电剂的含量低，在保证负极材料的导电性能和循环性能稳定的同时，负极材料还具有能量密度高，稳定性好并且成本低的优点。本发明提供的锂离子电池应用上述锂离子负极材料。本发明提供了锂离子电池驱动的装置。本发明提供制备上述锂离子电池的制备方法，工艺简单，应用范围广，制备得到的锂离子电池具有安全性高和成本低的优点。

Description

锂离子电池负极材料、锂离子电池及其驱动的装置和制备 方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体而言，涉及一种锂离子电池负极材料、锂离子电池及其驱动的装置和制备方法。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池，即充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。
当前商业化的锂离子电池所用的负极材料普遍是石墨材料，虽然石墨材料具有平稳的工作电位和良好的循环性能，但是比容量偏低(300mAh/g 左右)，这就限制了锂离子电池在高能量密度电池上的应用和性能提升。然而，硅具有较大的理论比容量(4200mAh/g左右)，因此，将硅应用于锂离子电池的负极材料中具有更好地发展前景。但是，目前的硅碳复合材料应用于锂离子电池负极材料的制备中还存在导电性能较差和循环性能较差的缺点，开发一种包含硅碳复合材料并且导电性能和循环性能高的负极材料和锂离子电池具有重要意义。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种锂离子电池负极材料，本发明的第二目的在于提供一种锂离子电池，本发明的第三目的在于提供上述锂离子电池驱动的装置，本发明的第四目的在于提供上述锂离子电池的制备方法，以缓解现有技术中缺少一种能量密度高，导电性能和循环性能好同时成本低又安全性高的锂离子负极材料和锂离子电池的技术问题。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供一种锂离子电池负极材料，原料按照重量份数计包括94-96 份硅碳复合材料，0.5-3份负极导电剂和1.5-4份负极粘结剂。
进一步地，原料按照重量份数计包括95-96份硅碳复合材料，2-3份负极导电剂和1-5份负极粘结剂。
进一步地，所述负极粘结剂包括CMC和/或SBR；
优选地，所述负极粘结剂按照重量份数计包括0.5-2份CMC和1-2份 SBR；
优选地，所述负极粘结剂按照重量份数计包括1-2份CMC和1-2份 SBR。
进一步地，所述负极导电剂包括碳纳米管、导电炭黑或石墨烯中的一种或多种；
优选地，所述硅碳复合材料包括硅碳混合研磨材料，硅碳纳米棒材料，硅包覆碳材料，碳包覆硅材料或硅碳核壳材料。
本发明提供一种锂离子电池，包括上述的锂离子电池负极材料。
进一步地，所述锂离子电池还包括正极材料，所述正极材料包括NCA，正极粘结剂和正极导电剂，所述NCA的化学式为LiNi0.85Co0.1Al0.05O2；
优选地，所述正极材料按照重量份数计包括93-97份NCA，1-2份正极粘结剂和1-2份正极导电剂；
优选地，所述正极材料按照重量份数计包括95-97份NCA，1-1.5份正极粘结剂和1.5-2份正极导电剂。
进一步地，所述正极粘结剂包括PVDF。
进一步地，所述正极导电剂包括碳纳米管、导电炭黑或石墨烯中的一种或多种。
本发明提供由上述的锂离子电池驱动的装置。
本发明最后提供上述的锂离子电池的制备方法，，包括以下步骤：
(a)分别将正极材料和负极材料涂覆于正极集流体和负极集流体的正反两侧，然后进行干燥、辊压、裁切成所需合适尺寸的正极片和负极片；
(b)将经烘烤后的正极片、隔离膜、负极片以叠片形式制成电芯，其中负极片较正极片多一片；
(c)用经冲坑后的铝塑膜将叠好的电芯包膜，一侧不封口，另一侧和上一侧封口，经一定时间烘烤后，经不封口一侧向电芯内注入适量电解液；
(d)经化成，老化，抽气后再将未封口一侧热封，即得所述锂离子电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的锂离子电池负极材料包含硅碳复合材料，负极粘结剂和负极导电剂。该锂离子电池负极材料中各原料的配比合理，负极粘结剂和负极导电剂的含量低，在保证负极材料的导电性能和循环性能稳定的同时，负极材料还具有能量密度高，稳定性好并且成本低的优点。
本发明提供的锂离子电池应用上述锂离子负极材料，具有容量高，能量密度高和安全性能高的优点。
本发明提供的上述锂离子电池驱动的装置，通过降低了锂离子电池的成本从而降低了装置的成本，并提高了装置的安全性，减少了装置中由于电池带来的安全隐患，并且使用寿命更长。
本发明提供的制备上述锂离子电池的制备方法工艺简单，应用范围广，制备得到的锂离子电池具有安全性高和成本低的优点。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
本发明提供了一种锂离子电池负极材料，原料按照重量份数计包括 94-96份硅碳复合材料，0.5-3份负极导电剂和1.5-4份负极粘结剂。
该锂离子电池负极材料中各原料的配比合理，均一性，粘度和流动性好。其中，负极粘结剂和负极导电剂的含量比例低，但是可以保证负极材料的导电性能和循环性能，同时硅碳复合材料的含量比例高，因此该锂离子电池负极材料具有能量密度高，稳定性好并且成本低的优点。
硅碳复合材料典型但非限制性的为94份、94.5份、95份、95.5份或 96份；负极粘结剂典型但非限制性的为1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份、或4份；负极导电剂典型但非限制性的为0.5份、1份、1.4份、1.6份、1.8 份、2份、2.4份、2.8份或3份。
在本发明的一个优选地实施方式中，负极粘结剂包括CMC和/或SBR。羧甲基纤维素钠(CMC)是葡萄糖聚合度为100-2000的纤维素衍生物，是良好的乳化稳定剂和增稠剂，具有优异的冻结和熔化稳定性。SBR是一种丁苯胶乳，水性粘结剂，是由苯乙烯(Styrene)和丁二烯(Butadiene)单体以水为介质加入乳化剂和引发剂等经过乳液聚合共聚生成，状态为固含量50％左右的水乳液。
在本发明的一个优选地实施方式中，负极粘结剂按照重量份数计包括 0.5-2份CMC和1-2份SBR。CMC典型但非限制性的为0.5份、0.7份、0.9 份、1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份或2份；SBR典型但非限制性的为 1份、1.1份、1.2份、1.3份、1.4份、1.5份、1.6份、1.7份、1.8份、1.9 份或2份。
在本发明的一个优选地实施方式中，负极导电剂包括碳纳米管、导电炭黑或石墨烯中的一种或多种。导电剂能够提高正极浆料与正极集流体之间的电子传输，降低电极的界面接触电阻，起到去极化的作用。
在本发明的一个优选地实施方式中，硅碳复合材料包括硅碳混合研磨材料，硅碳纳米棒材料，硅包覆碳材料，碳包覆硅材料或硅碳核壳材料。
硅碳混合研磨材料是硅碳混合材料在惰性气体的保护下，通过高温球磨得到的硅碳混合纳米材料。该材料具有良好的电化学性能。
硅碳纳米棒材料，由于碳纳米材料具有高的导电性和强的韧性，能够承受硅材料充放电带来的体积膨胀，所以硅碳纳米材料具有很好的循环性能。
硅包覆碳材料是将硅纳米颗粒通过沉积的方法包覆在碳材料上，该材料可以提高碳材料的电化学性能。反之，碳包覆硅同样能够提高材料的容量。
硅碳核壳材料是在硅材料的外表面均匀地包覆一层碳材料，形成的一种新型核壳结构复合材料，这种核壳结构的硅碳复合材料既能提高硅的电导率又能抑制硅材料的体积膨胀。
本发明提供一种锂离子电池，包括上述的锂离子电池负极材料。该锂离子电池具有容量高，能量密度高和安全性能高的优点。
在本发明的一个优选地实施方式中，锂离子电池还包括正极材料，正极材料包括NCA，正极粘结剂和正极导电剂，其中，NCA的化学式为 LiNi0.85Co0.1Al0.05O2。
高镍系正极材料LiNi0.85Co0.1Al0.05O2(NCA)是由多元过渡金属固溶体合成出来的，兼具LiNiO2和LiCoO2两者的优点，同时掺入少量的Al元素来稳定结构。镍、钴和铝三种金属元素在三元正极材料中起到的作用不同，镍是活性物质，具有电化学活性，镍的含量越高，表面材料的比容量发挥的较高。该正极材料中NCA，正极粘结剂和正极导电剂的配比合理，正极粘结剂和正极导电剂的含量低，在保证正极材料性能稳定的同时，正极材料还具有能量密度高，循环性能好的优点。配合上述锂离子电池负极材料可以大幅度提高锂离子电池的整体性能。
在本发明的一个优选地实施方式中，正极材料按照重量份数计包括 93-97份NCA，1-2份正极粘结剂和1-2份正极导电剂。NCA典型但非限制性的为93份、94份、95份、96份或97份；正极粘结剂典型但非限制性的为1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份或2份；正极导电剂典型但非限制性的为1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份或2份。
在本发明的一个优选地实施方式中，正极粘结剂包括PVDF。PVDF(Polyvinylidene Fluoride)为聚偏氟乙稀。
在本发明的一个优选地实施方式中，正极导电剂包括碳纳米管、导电炭黑或石墨烯中的一种或多种。
本发明提供一种由上述的软包锂离子电池驱动的装置。该软包锂电池驱动的装置，通过降低了软包锂电池的成本从而降低了装置的成本，并提高了装置的安全性，减少了装置中由于电池带来的安全隐患，并且使用寿命更长。
本发明又提供一种上述软包锂电池的制备方法，包括以下步骤：
(a)分别将正极材料和负极材料涂覆于正极集流体和负极集流体的正反两侧，然后进行干燥、辊压、裁切成所需合适尺寸的正极片和负极片；
(b)将经烘烤后的正极片、隔离膜、负极片以叠片形式制成电芯，其中负极片较正极片多一片；
(c)用经冲坑后的铝塑膜将叠好的电芯包膜，一侧不封口，另一侧和上一侧封口，经一定时间烘烤后，经不封口一侧向电芯内注入适量电解液；
(d)经化成，老化，抽气后再将未封口一侧热封，即得所述锂离子电池。
该制备方法工艺简单，应用范围广，制备得到的软包锂电池具有安全性高和成本低的优点。
为了有助于进一步理解本发明，现结合优选实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种锂离子电池负极材料，按重量份数计包括94份硅碳混合研磨材料，3份导电剂，0.5份CMC和2份SBR。
实施例2
本实施例提供一种锂离子电池负极材料，按重量份数计包括96份硅碳纳米棒材料，0.5份导电剂，2份CMC和1份SBR。
实施例3
本实施例提供一种锂离子电池负极材料，按重量份数计包括95份硅包覆碳材料，1份导电剂，1份CMC和1.5份SBR。
实施例4
本实施例提供一种锂离子电池负极材料，按重量份数计包括94.5份硅碳核壳材料，1.5份导电剂，2份CMC和1.8份SBR。
实施例5
本实施例提供一种锂离子电池负极材料，按重量份数计包括94.5份硅碳核壳材料，1.5份导电剂和2份SBR。
对比例1
本对比例提供了一种锂离子电池负极材料，按重量份数计包括90份硅碳混合研磨材料，4份导电剂，0.1份CMC和10份SBR。
对比例2
本对比例提供了一种锂离子电池负极材料，按重量份数计包括98份硅碳纳米棒材料，0.2份导电剂，5份CMC和0.1份SBR。
对比例3
本对比例提供了一种锂离子电池负极材料，按重量份数计包括92份硅包覆碳材料，4份导电剂，5份CMC。
对比例4
本对比例提供了一种锂离子电池负极材料，按重量份数计包括98份硅碳核壳材料，5份导电剂，0.2份CMC和0.4份SBR。
实施例6
本实施例提供一种锂离子电池，包括正极材料和实施例1中的负极材料；正极材料包括93份LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，2份PVDF和1份导电炭黑。
实施例7
本实施例提供一种锂离子电池，包括正极材料和实施例2中的负极材料；正极材料包括97份LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，1份PVDF和2份导电炭黑。
实施例8
本实施例提供一种锂离子电池，包括正极材料和实施例3中的负极材料；正极材料包括95份LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，1.5份PVDF和1.5份导电炭黑。
实施例9
本实施例提供一种锂离子电池，包括正极材料和实施例4中的负极材料；正极材料包括94份LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，1.3份PVDF和1.8份导电炭黑。
实施例10
本实施例提供一种锂离子电池，包括正极材料和实施例5中的负极材料；正极材料包括96份LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，1.7份PVDF和1.4份导电炭黑。
实施例11
本实施例提供一种锂离子电池，包括正极材料和实施例4中的负极材料；正极材料包括90份LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，3份PVDF和0.5份导电炭黑。
对比例5
本对比例提供一种锂离子电池，包括正极材料材料和对比例1中的负极材料；正极材料包括93份LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，2份PVDF和1份导电炭黑。
对比例6
本对比例提供一种锂离子电池，包括正极材料和对比例2中的负极材料；正极材料包括97份LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，1份PVDF和2份导电炭黑。
对比例7
本对比例提供一种锂离子电池，包括正极材料和对比例3中的负极材料；正极材料包括95份LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，1.5份PVDF和1.5份导电炭黑。
对比例8
本对比例提供一种锂离子电池，包括正极材料和对比例4中的负极材料；正极材料包括94份LiNi0.85Co0.1Al0.05O2，1.3份PVDF和1.8份导电炭黑。
实施例6-11和对比例5-8的锂离子电池，其制备方法包括以下步骤：
(a)分别将正极材料和负极材料涂覆于正极集流体和负极集流体的正反两侧，然后进行干燥、辊压、裁切成所需合适尺寸的正极片和负极片；
(b)将经烘烤后的正极片、隔离膜、负极片以叠片形式制成电芯，其中负极片较正极片多一片；
(c)用经冲坑后的铝塑膜将叠好的电芯包膜，一侧不封口，另一侧和上一侧封口，经一定时间烘烤后，经不封口一侧向电芯内注入适量电解液；
(d)经化成，老化，抽气后再将未封口一侧热封，即得所述锂离子电池。
试验例
对实施例6-11和对比例5-8的锂离子电池进行电化学性能测试，结果如表1所示。
表1锂离子电池的性能测试
由上面结果可知，通过相同的组装方法制备锂离子电池，实施例6-11 的锂离子电池在初始容量和循环次数的性能检测上都优于对比例5-8的锂离子电池。说明本发明提供的锂离子电池初始容量和能量密度高，性能好。
进一步的分析可知，实施例6-9与对比例5-8的软包锂电池正极材料分别对应相同，但是负极材料不同。测试结果可知实施例6-9的各项性能均优于对比例5-8，说明本发明提供的负极材料原料和配比合理，制备的锂离子电池性能高同时安全性好。
更进一步的分析可知，实施例9和实施例11的锂离子电池的负极材料相同，但是正极材料不同。测试结果可知实施例9的各项性能均优于实施例11，说明本发明提供的正极材料配比合理，制备的锂离子电池性能高同时安全性好。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，原料按照重量份数计包括94-96份硅碳复合材料，0.5-3份负极导电剂和1.5-4份负极粘结剂。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，原料按照重量份数计包括95-96份硅碳复合材料，1-2份负极导电剂和2-3份负极粘结剂。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述负极粘结剂包括CMC和/或SBR；
优选地，所述负极粘结剂按照重量份数计包括0.5-2份CMC和1-2份SBR；
优选地，所述负极粘结剂按照重量份数计包括1-2份CMC和1-2份SBR。
4.根据权利要求1或2所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述负极导电剂包括碳纳米管、导电炭黑或石墨烯中的一种或多种；
优选地，所述硅碳复合材料包括硅碳混合研磨材料，硅碳纳米棒材料，硅包覆碳材料，碳包覆硅材料或硅碳核壳材料。
5.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的锂离子电池负极材料。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池还包括正极材料，所述正极材料包括NCA，正极粘结剂和正极导电剂，所述NCA的化学式为LiNi0.85Co0.1Al0.05O2；
优选地，所述正极材料按照重量份数计包括93-97份NCA，1-2份正极粘结剂和1-2份正极导电剂；
优选地，所述正极材料按照重量份数计包括95-97份NCA，1-1.5份正极粘结剂和1.5-2份正极导电剂。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极粘结剂包括PVDF。
8.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极导电剂包括碳纳米管、导电炭黑或石墨烯中的一种或多种。
9.一种由权利要求5-8任一项所述的锂离子电池驱动的装置。
10.一种权利要求5-8任一项所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)分别将正极材料和负极材料涂覆于正极集流体和负极集流体的正反两侧，然后进行干燥、辊压、裁切成所需合适尺寸的正极片和负极片；
(b)将经烘烤后的正极片、隔离膜、负极片以叠片形式制成电芯，其中负极片较正极片多一片；
(c)用经冲坑后的铝塑膜将叠好的电芯包膜，一侧不封口，另一侧和上一侧封口，经一定时间烘烤后，经不封口一侧向电芯内注入适量电解液；
(d)经化成，老化，抽气后再将未封口一侧热封，即得所述锂离子电池。
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