CN111162322A - 一种低温锂离子电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温锂离子电池的制备方法，所述锂离子电池包括高电子电导及高离子电导的多孔正极片，活性材料是由一次纳米粒子构成二次微米颗粒的正极材料，高电子电导及高离子电导的多孔负极片，活性负极材料是由一次纳米粒子构成二次微米颗粒的负极材料，以及高孔隙率和高润滋性的陶瓷隔膜和低粘度低熔点及高的低温离子电导率的电解液。本发明所公开的锂离子电池在极低的温度条件下（‑45℃）仍保持超过80%的放电容量，具有良好的低温电化学性能，能够扩大锂离子电池的低温工作温度范围，解决锂离子电池在极低温度下的电动车和储能的应用。

Description

一种低温锂离子电池的制备方法
技术领域
本发明涉及二次电池技术领域，特别是涉及一种低温锂离子电池的制造方法。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、比能量高、充放电寿命长、自放电率低和无记忆效应等优点，使其在便携式电子设备和电动工具等民用市场应用范围越来越广泛。但是其较差的低温性能使其在航空、航天，特殊通讯，极地考察和军事等特殊领域的应用受到限制。如目前锂离子电池的低温性能，特别是在-40℃以下低温环境中的工作性能很差，主要表现为放电容量的急剧衰减以及放电电压平台的下降。
影响锂离子电池低温性能下降的主要原因是锂离子在电极中以及电极与电解液界面之间的运输速度变慢，以及电子在电极中，以及电极和电极与电解液界面之间的迁移扩散速度减慢；其次是电解液在低温下粘度增加，离子电导率下降。除此之外，电极的孔隙率、孔径、比表面积、电极密度、压实、电极与电解液在低温下的润湿性、以及电解液的低温流动性等均影响着锂离子电池的低温性能。
目前改善电子迁移的方法通常采用向电极活性材料中添加导电剂(导电碳粉，碳纳米管，石墨烯,碳纳米线等)。但仅从改善电子迁移方面改善低温电化学性能的程度有限。中国专利201110055390.9通过在正极中加入锂离子导体添加剂-钙钛矿型氧化物来改善锂离子半电池的低温-20oC电化学放电容量。中国专利201210134320.7则是通过调整正负极片孔隙率以及电解液组成实现电解液稳定性的保持、低温电导率的提高，以及电池在低温-20oC环境下电压平台和放电容量的提升。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种低温（小于-45℃）锂离子电池的制造方法。
本发明的技术方案：
一种低温锂离子电池的制备方法，所述锂离子电池包括正极片、负极片、陶瓷隔膜和电解液，所述低温小于-45℃；所述制备方法包括如下步骤：
（1）正极片
将由一次纳米粒子构成二次微米颗粒的活性正极材料和电子导电添加剂并加入适当大分子增塑剂，并通过粘结剂涂布在覆碳铝箔上，压实，通过溶剂萃取方法去除而形成多孔的正极片。
（2）负极片
将由一次纳米粒子构成二次微米颗粒的活性负极材料和电子导电添加剂并加入适当大分子增塑剂，并通过粘结剂涂布在铜箔上，压实，通过溶剂萃取方法去除而形成多孔的负极片。
（3）电解液
将低粘度、低熔点的溶剂以及在低温下仍具有较高低温离子电导率的锂盐-溶剂组合混合形成电解液。
（4）陶瓷隔膜
选用低温下仍具有高孔隙率和高润滋性的多孔陶瓷隔膜。
（6）组装锂电池
将步骤（1）、（2）、（4）中制备的正极片、陶瓷隔膜,负极片、顺序依次层叠，加入步骤（3）中制备的电解液，按照普通的软包电池的制作工艺制作，最终得到低温的锂离子电池。
所述正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元、磷酸铁锂、镍钴铝中的一种或多种的混合。
所述负极活性材料为钛酸锂、中间相碳微球、人造石墨（包括硬碳、软碳）中的一种或多种的混合。
所述正极片的面密度为160～280g/m2；压实密度为1.0～2.8g/cm3；所述负极片的面密度为60～120g/m2；压实密度为0.8～1.6g/cm3；所述正极电子导电添加剂为KS6、碳纳米管或VGCF或石墨烯或Super-P；所述负极电子导电添加剂为KS6、碳纳米管或VGCF或石墨烯或Super-P；通过对正、负极片压实密度和面密度的控制以及电子导电添加剂的选择既要有利于锂离子在低温度下的传输，同时保证较高的能量密度。
所述大分子增塑剂为DBP或PTP或DOP或DIDP；所述低粘度、低熔点的溶剂由两种溶剂混合形成，其中一种为碳酸酯，另外一种为酯类；所述碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯中一种或多种的混合；所述酯类为-丁内酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯中一种或多种的混合。
所述锂盐为LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiBC2O4F2中的一种或多种的混合；锂盐的浓度为0.7M～2M。
所述粘结剂为可溶于丙酮类的聚偏氟乙烯共聚物PVDF-HFP、聚丙烯晴、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氧化乙烯中的至少一种的混合。
本发明优点是，构思巧妙，设计合理，具备如下有益效果，
（1）通过选择活性正极材料和电子导电添加剂并加入适当大分子增塑剂，并通过粘结剂涂布在覆碳铝箔上，形成的正极片具有高孔隙率、压实密度和面密度可控特性；通过选择活性负极材料和电子导电添加剂并加入适当大分子增塑剂，并通过粘结剂涂布在覆碳铜箔上，形成的负极片具有高孔隙率、压实密度和面密度可控特性；由此当锂离子在低温度下传输时非常顺畅，同时保证了较高的能量密度；同时，通过选择低粘度、低熔点的溶剂以及在低温下仍具有较高低温离子电导率的锂盐-溶剂组合，和低温下具有高孔隙率和高润滋性的多孔陶瓷隔膜，所制备的锂离子电池在极低的温度条件下（-45℃）仍保持超过80%的放电容量，具有良好的低温电化学性能。这样扩大锂离子电池的低温工作温度范围，解决了锂离子电池在极低温度下的电动车和储能的应用。
（2）通过在正负极片制备过程中加入大分子增塑剂，使正负极片在形成过程中不但不会影响其能量密度还使其具有了高孔隙率，且大分子增塑剂在后续的工艺过程中能通过溶剂萃取法去除，保证了在低温下电解液的润滋性以及改善了离子的迁移扩散速度，提高了电池低温电化学性能。
（3）采用低粘度、低熔点的溶剂以及在低温下仍具有较高低温离子电导率的锂盐组成的溶剂组合，改善了低温离子电导率和电子传输速率；采用高孔隙率（大于45%）的多孔陶瓷隔膜解决了其在低温下的润滋性以及离子的迁移扩散速度，改善了锂离子和电子在电极内部以及电极和电解液界面之间的迁移传输速率以及提高电解液的低温离子电导率，多方面的结合解决了锂离子电池在极低温度应用下的充放电问题。
全面改善了锂离子电池的低温性能，其不但具有较高的能量密度和高倍率性能，同时具有较高的低温性能（-45℃，容量仍能保持80%以上），满足电池产品能够应用到更加广泛的环境温度的技术领域的要求。
附图说明
图1是锂电池外形图。
图2是锂电池内部结构示意图。
图3低温锂离子电池放电曲线示意图。
图中锂电池100正极片110负极片120陶瓷隔膜130。
具体实施方式
如图1、2所示，一种低温锂离子电池100的制备方法，包括如下步骤，
步骤1：将7克聚偏氟乙烯共聚物(PVDF-HFP)加入到180克丙酮中使其充分搅拌溶解形成粘稠液。
步骤2：正极片110的制作程序按以下步骤操作：将60克增塑剂DBP和140克磷酸铁锂正极材料（由一次纳米粒子构成二次微米颗粒的磷酸铁锂材料）和2.5%的碳纳米管导电剂和1.5%的SP导电剂充分混合加入到上述粘稠液中，用搅拌机搅拌均匀制成粘稠的正极浆料。将得到的正极浆料均匀双面涂布在覆碳铝箔上，并将其在80℃真空烘箱内保温4小时除去溶剂丙酮。将除去溶剂丙酮的正极片使用压延器使其致密,所述正极片中的大分子增塑剂DBP通过IPA萃取并在110℃条件下真空干燥达到高孔隙率的正极片。得到的正极片的压实密度1.8g/cm3。
步骤3：负极片120的制作程序按以下步骤操作：将7克粘合剂聚偏氟乙烯共聚物加入到180克丙酮中使其充分搅拌溶解形成粘稠液。将60克增塑剂DBP和70克复合碳（由一次纳米粒子构成二次微米颗粒的负极材料）和1.5%的碳纳米管导电剂和1.0%的SP导电剂充分混合加入到上述粘稠液中，用搅拌机搅拌均匀制成粘稠的负极浆料。将得到的负极浆料均匀双面涂布在铜箔上，并将其在80℃真空烘箱内保温4小时除去溶剂丙酮。将除去溶剂丙酮的负极片使用压延器使其致密,所述负极片中的大分子增塑剂DBP通过IPA萃取并在110℃条件下真空干燥达到高孔隙率的负极片。得到的负极片压实密度1.3g/cm3。
步骤4：采用静电纺丝法在隔膜的表面上涂上纳米氧化铝涂层，在烤箱内去除溶剂，得到具有高孔隙率和高润滋性的多孔陶瓷隔膜130。
步骤5：选择低粘度、低熔点的溶剂加入电解液溶剂中，得到在低温下仍具有较高低温离子电导率的锂盐-溶剂组合。
步骤6：提供锂离子电池的制备方法：将上述正、陶瓷隔膜和负极层按附图1的顺序依次层叠，在一定温度下施加一定压力使三者接触更加密实，加入电解液，按照普通的软包电池的制作工艺制作，最终得到低温的锂离子电池100。
上述低温的锂离子电池100的放电曲线图如图3所示。零下30℃高倍率（10C）放电容量保持率为97%以上,零下45℃1C倍率放电容量保持率为90%以上。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种低温锂离子电池的制备方法，所述锂离子电池包括正极片、负极片、陶瓷隔膜和电解液，所述低温小于-45℃；其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）正极片
将由一次纳米粒子构成二次微米颗粒的活性正极材料和电子导电添加剂并加入适当大分子增塑剂，并通过粘结剂涂布在覆碳铝箔上，通过溶剂萃取方法去除而形成多孔的正极片；
（2）负极片
将由一次纳米粒子构成二次微米颗粒的活性负极材料和电子导电添加剂并加入适当大分子增塑剂，并通过粘结剂涂布在铜箔上，通过溶剂萃取方法去除而形成多孔的负极片；
（3）电解液
将低粘度、低熔点的溶剂以及在低温下仍具有较高低温离子电导率的锂盐-溶剂组合混合形成电解液；
（4）陶瓷隔膜
选用低温下仍具有高孔隙率和高润滋性的多孔陶瓷隔膜；
（5）锂电池
将步骤（1）、（2）、（4）中制备的正极片、负极片、陶瓷隔膜顺序依次层叠，压实，加入步骤（3）中制备的电解液，按照普通的软包电池的制作工艺制作，最终得到低温的锂离子电池。
2.根据权利要求1所述电池的制备方法，其特征在于，所述正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元、磷酸铁锂、镍钴铝中的一种或多种的混合。
3.根据权利要求1所述电池的制备方法，其特征在于，所述负极活性材料为钛酸锂、中间相碳微球、人造石墨中的一种或多种的混合。
4.根据权利要求1所述电池的制备方法，其特征在于，所述正极片的面密度为120～280g/m2；压实密度为1.0～2.8g/cm3；所述负极片的面密度为60～140g/m2；压实密度为0.8～1.6g/cm3。
5.根据权利要求1所述电池的制备方法，其特征在于，所述正极电子导电添加剂为KS6、碳纳米管或VGCF或石墨烯Super-P；所述负极电子导电添加剂为KS6、碳纳米管或VGCF或石墨烯或Super-P。
6.根据权利要求1所述电池的制备方法，其特征在于，所述大分子增塑剂为DBP或PTP或DOP或DIDP。
7.根据权利要求1所述的电池制备方法，其特征在于，所述低粘度、低熔点的溶剂由两种溶剂混合形成，其中一种为碳酸酯，另外一种为酯类；所述碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯中一种或多种的混合；所述酯类为-丁内酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯中一种或多种的混合。
8.根据权利要求7所述的电池制备方法，其特征在于，所述锂盐-溶剂组合为LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiBC2O4F2中的一种或多种的混合；锂盐的浓度为0.7M～2M。
9.根据权利要求1所述的电池制备方法，其特征在于，所述粘结剂为可溶于丙酮类的聚偏氟乙烯共聚物PVDF-HFP、聚丙烯晴、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氧化乙烯中的至少一种的混合。
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