CN111224067A - 一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池，所述锂离子电池包含：正极极片、负极极片、隔膜、电解液和外包装结构；所述电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂，锂盐为六氟磷酸锂，有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯，添加剂由碳酸亚乙烯酯、1,4‑丁烷磺酸内酯和硫酸亚乙酯混合而成，本发明还公开了该锂离子电池的制备方法。本发明通过正极、负极极片、电解液的成分及含量的控制，能够保持倍率型电解液的原有特性，又满足软包装锂离子电池高倍率放电，可以满足高温60℃、7天的储存不胀气，软包锂离子电池的厚度变化率≤0.6％；可以倍率循环300次以上，满足高倍率锂电池的市场要求。

Description

一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体是涉及一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池自上世纪九十年代问世以来，经过十几年的快速发展，技术已经相对比较成熟。锂离子电池具有能量密度高，循环性能好，无记忆效应等优点，随着研究过程的不断深入，电池性能得到不断地优化，成熟性和安全性不断提高，在航空航天，水下装备，3C电子产品和新能源汽车等方面的不断推广和应用，成为目前应用前景最广的一款蓄电池。
但是现有的软包锂离子电池，要么倍率性能太差，要么高温存储性能太差，两者不能有效的结合。并且市场上很多倍率型软包装锂离子电池主要是优先考虑软包装锂离子电池的倍率特性，以满足客户的使用要求，而忽视存储性能的设计，以至于使用这样的倍率型软包装锂离子电池在市场销售后常常发生胀气的问题。为此，很有必要设计一款倍率型软包装锂离子电池，该软包装锂离子电池既能解决软包装锂离子电池高倍率的问题，又能解决软包锂离子电池在高温储存时胀气的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池及其制备方法，通过正极、负极极片、电解液的成分及含量的控制，能够保持倍率型电解液的原有特性，又满足软包锂离子电池高倍率放电，并能够兼顾了软包锂离子电池的高温满电储存特性的改善，可以满足高温60℃、7天的储存不胀气，软包锂离子电池的厚度变化率≤0.6％；倍率循环寿命也非常好，可以倍率循环300次以上，满足高倍率锂电池的市场要求。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池，所述锂离子电池包含：正极极片、负极极片、隔膜、电解液和外包装结构；
所述正极极片包括正极集流体以及涂敷在正极集流体上的正极材料；
所述负极极片包括负极集流体以及涂敷在负极集流体上的负极材料；
所述正极极片和负极极片上均设有极耳，极耳采用超声焊接方式固定于极片上；
所述电解液为倍率型电解液，包括锂盐、有机溶剂和添加剂，锂盐为六氟磷酸锂，其在电解液中的摩尔浓度为1.3mol/L；有机溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯按照重量比为30:15:50:5混合得到的复配溶剂；添加剂由碳酸亚乙烯酯、1,4-丁烷磺酸内酯和硫酸亚乙酯混合而成，依次占电解液总体重量的1.5％，1.5％，0.5％；
所述外包装结构为厚度113um的铝塑膜。
进一步地，所述正极集流体为铝箔，所述正极材料包括如下重量百分比的原料：钴酸锂94％-96％、碳纳米管0.5％-1.5％、导电碳黑0.5％-2％、聚偏氟乙烯1.5％-2.5％，溶剂为N-甲基吡咯烷酮，占正极材料质量的40％-45％。
进一步地，所述钴酸锂的D10粒度2.9um，D50粒度4.8um，D90粒度9.8um，比表面积0.47m2/g，振实密度2.1g/cm3，克容量大于等于143mAh/g。
进一步地，所述负极集流体为铜箔，所述负极材料包括如下重量百分比原料：人造石墨46.5％-48.0％、碳黑0.5％-1.0％、羧甲基纤维素钠0.5％-1.2％、丁苯橡胶1.0％-1.5％，溶剂为去离子水，占负极材料质量的40％-45％，人造石墨的克容量大于340mAh/g。
进一步地，所述隔膜为以PE膜为基体，单面涂覆陶瓷涂层的隔膜材料，基体的厚度为9μm-12μm，陶瓷涂层厚度为2μm-4μm。
一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：制备正极极片和负极极片；
步骤2：通过超声波焊接机，分别将极耳焊接在正极极片和负极极片上；
步骤3：将正极极片、隔膜和负极极片按顺序叠片组装后，再经卷绕后得到电池卷芯；
步骤4：将电池卷芯用铝塑膜封装，并进行烘烤，烘烤温度为85℃，烘烤时间24h，得到电池半成品；
步骤5：向步骤4得到的电池半成品中注入电解液，并封口静置；
步骤6：进行充放电，并进行抽真空除去气体，得到所述锂离子电池。
进一步地，步骤1的具体步骤如下：
将钴酸锂、碳纳米管、导电碳黑和聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，搅拌混合均匀，得到正极材料，将正极材料涂布于正极集流体的表面，压实密度为3.75-3.9mg/cm3，经烘干后，再进行辊压、分切，得到正极极片；
将负极材料中碳黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶加入去离子水中，搅拌混合均匀，得负极材料，将负极材料涂布于负极集流体的表面，压实密度为1.45-1.55mg/cm3，经烘干后，再进行辊压、分切，得到负极极片。
进一步地，步骤3中隔膜的陶瓷涂层与正极极片相对设置。
本发明的有益效果：
(1)本发明的正极采用粒径较小的钴酸锂材料，倍率性能优异；
(2)本发明的石墨负极材料采用人造石墨，有效地改善负极快速充电过程的表面现状，防止负极表面出现锂枝晶，提高电池的安全性；
(3)本发明的电池的正极和负极均控制压实密度，使其控制在适宜的范围内，具有好的倍率性能和快速充电能力；
(4)本发明的电池通过采用陶瓷隔膜提升快充电池的安全性和电池吸液性能，循环性能好；
(5)本发明电池电解液既保持了倍率型电解液的原有特性，又满足了软包锂离子电池高倍率放电，如3～5C倍率持续放电；兼顾了软包锂离子电池的高温满电储存特性的改善，可以满足高温60℃、7天的储存不胀气，软包锂离子电池的厚度变化率≤0.6％；倍率循环寿命也非常好，可以倍率循环300次以上，很好的满足了高倍率市场的要求。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明实施例1制备的锂离子电池的3C充放电电压-容量曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池，该锂离子电池包含：正极极片、负极极片、隔膜、电解液和外包装结构；
正极极片包含：正极集流体以及涂敷在正极集流体上的正极材料；较优的，正极集流体为铝箔，正极材料包括如下重量百分比的原料：钴酸锂94％-96％、碳纳米管0.5％-1.5％、导电碳黑0.5％-2％、聚偏氟乙烯(PVDF)1.5％-2.5％，溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)，占正极材料质量的40％-45％；
正极材料涂敷于正极集流体表面时，其压实密度为3.75-3.9mg/cm3；
其中的钴酸锂材料为高功率钴酸锂，其D10粒度2.9um，D50粒度4.8um，D90粒度9.8um，比表面积0.47m2/g，振实密度2.1g/cm3，克容量大于等于143mAh/g；这种钴酸锂锂粒度小，比表面积大，单晶型结构，表面锂离子嵌入的孔洞浅，同时孔洞数目多，因此放电时锂离子进入正极的速度快，体现在电池放电性能方面就是可以支持大倍率放电。
负极极片包含：负极集流体以及涂敷在负极集流体上的负极材料，较优的，负极集流体为铜箔，负极材料包括如下重量百分比原料：人造石墨93％-95％、碳黑(CB)0.5％-1.0％、羧甲基纤维素钠(CMC)1.5％-2％、丁苯橡胶(SBR)2％-2.5％，溶剂为去离子水，占负极材料质量的40％-45％，其中的人造石墨的克容量大于340mAh/g；
负极材料涂敷于负极集流体表面时，其压实密度为1.45-1.55mg/cm3。
需要说明的是，正极极片和负极极片上均设有极耳，正极极片的极耳引出作为正极极耳，负极极片的极耳引出作为负极极耳；正极极耳和负极极耳均采用超声焊接方式固定于极片上；
隔膜为以PE膜为基体，单面涂覆陶瓷涂层(Al2O3)的隔膜材料，即PE+陶瓷涂覆的隔膜材料；其中的基体(PE膜)的厚度为9μm-12μm，陶瓷涂层厚度为2μm-4μm；
隔膜设置在正极极片与负极极片之间，隔膜的涂覆层与正极极片相对设置。
该锂离子电池的电池容量大于等于1Ah。
电解液为倍率型电解液，包括锂盐、有机溶剂和添加剂；锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)，其在电解液中的摩尔浓度为1.3mol/L；有机溶剂由碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸丙烯酯(PC)按照重量比为30:15:50:5混合得到的复配溶剂；添加剂由碳酸亚乙烯酯(VC)、1,4-丁烷磺酸内酯(1,4-BS)和硫酸亚乙酯(DTD)混合而成，依次占电解液总体重量的1.5％，1.5％，0.5％；
外包装结构为厚度为113um的铝塑膜；
一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池的制备方法，该方法包含：
步骤1：制备正极极片和负极极片；
具体的，将钴酸锂、碳纳米管、导电碳黑和聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，搅拌混合均匀，得到正极材料，将正极材料涂布于正极集流体的表面，经烘干后，再进行辊压、分切，得到正极极片；
将人造石墨、碳黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶加入去离子水中，搅拌混合均匀，得负极材料，将负极材料涂布于负极集流体的表面，经烘干后，再进行辊压、分切，得到正极极片；
步骤2：通过超声波焊接机，分别将极耳焊接在正极极片和负极极片上；
步骤3：将正极极片、隔膜和负极极片按顺序叠片组装后，需要注意的是，隔膜的陶瓷涂覆层与正极极片相对设置，再经卷绕后得到电池卷芯；
步骤4：将电池卷芯用铝塑膜封装，并进行烘烤，烘烤温度为85℃，烘烤时间24h，去除水分，得到电池半成品；
步骤5：向步骤4得到的电池半成品中注入电解液，并封口静置；
步骤6：进行充放电，并进行抽真空除去气体，获得所述锂离子电池。
实施例1
一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池，该锂离子电池包含：正极极片、负极极片、隔膜、电解液和外包装结构；
正极极片包含：正极集流体以及涂敷在正极集流体上的正极材料；正极集流体为铝箔，正极材料包括如下重量百分比的原料：钴酸锂96％、碳纳米管1.5％、导电碳黑0.5％、聚偏氟乙烯(PVDF)2％、N-甲基吡咯烷酮(NMP)40％；
负极极片包含：负极集流体以及涂敷在负极集流体上的负极材料，负极集流体为铜箔，负极材料包括如下重量百分比原料：人造石墨95％、碳黑(CB)1％、羧甲基纤维素钠(CMC)1.8％、丁苯橡胶(SBR)2.2％、去离子水40％，其中的人造石墨的克容量大于340mAh/g；
隔膜为以PE膜为基体，单面涂覆陶瓷涂层(Al2O3)的隔膜材料；其中的基体(PE膜)的厚度为9μm，陶瓷涂层厚度为2μm；
电解液为倍率型电解液，包括锂盐、有机溶剂和添加剂；锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)，其在电解液中的摩尔浓度为1.3mol/L；有机溶剂由碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸丙烯酯(PC)按照重量比为30:15:50:5混合得到的复配溶剂；添加剂由碳酸亚乙烯酯(VC)、1,4-丁烷磺酸内酯(1,4-BS)和硫酸亚乙酯(DTD)混合而成，依次占电解液总体重量的1.5％，1.5％，0.5％；
外包装结构为厚度为113um的铝塑膜。
实施例2
一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池，该锂离子电池包含：正极极片、负极极片、隔膜、电解液和外包装结构；
正极极片包含：正极集流体以及涂敷在正极集流体上的正极材料；正极集流体为铝箔，正极材料包括如下重量百分比的原料：钴酸锂94.5％、碳纳米管2％、导电碳黑1.0％、聚偏氟乙烯(PVDF)1.5％、N-甲基吡咯烷酮(NMP)45％；
负极极片包含：负极集流体以及涂敷在负极集流体上的负极材料，负极集流体为铜箔，负极材料包括如下重量百分比原料：人造石墨94.5％、碳黑(CB)1.5％、羧甲基纤维素钠(CMC)1.5％、丁苯橡胶(SBR)2.5％、去离子水水42％，其中的人造石墨的克容量大于340mAh/g；
隔膜为以PE膜为基体，单面涂覆陶瓷涂层(Al2O3)的隔膜材料；其中的基体(PE膜)的厚度为12μm，陶瓷涂层厚度为4μm；
电解液为倍率型电解液，包括锂盐、有机溶剂和添加剂；锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)，其在电解液中的摩尔浓度为1.3mol/L；有机溶剂由碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸丙烯酯(PC)按照重量比为30:15:50:5混合得到的复配溶剂；添加剂由碳酸亚乙烯酯(VC)、1,4-丁烷磺酸内酯(1,4-BS)和硫酸亚乙酯(DTD)混合而成，依次占电解液总体重量的1.5％，1.5％，0.5％；
外包装结构为厚度为113um的铝塑膜。
对实施例1-2做性能测试：
如图1所示，为本发明实施例1制备的锂离子电池的3C充放电电压-容量曲线图，恒流模式下随着充放电电流的增大，电池实际充放电容量均逐渐变小但变化幅度相对较小，说明在3C倍率下能实现持续放电；
如下表所示，为本发明实施例1-2于高温60℃、7天厚度变化参数和容量保持率变化参数：
实施例 厚度变化率 容量保持率
实施例1 0.35％ 99.5％
实施例2 0.33％ 99.8％
由上表可知，实施例1-2制得的锂离子电池于60℃存储7d后厚度的变化率为0.33％-0.35％，容量保持率在99.5％-99.8％，说明本发明制得的锂电池能够兼顾高温满电储存特性的改善。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所述本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包含：正极极片、负极极片、隔膜、电解液和外包装结构；
所述正极极片包括正极集流体以及涂敷在正极集流体上的正极材料；
所述负极极片包括负极集流体以及涂敷在负极集流体上的负极材料；
所述正极极片和负极极片上均设有极耳，极耳采用超声焊接方式固定于极片上；
所述电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂，锂盐为六氟磷酸锂，其在电解液中的摩尔浓度为1.3mol/L；有机溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯和碳酸丙烯酯按照重量比为30:15:50:5混合得到的复配溶剂；添加剂由碳酸亚乙烯酯、1,4-丁烷磺酸内酯和硫酸亚乙酯混合而成，依次占电解液总体重量的1.5％，1.5％，0.5％；
所述外包装结构为厚度113μm的铝塑膜。
2.根据权利要求1所述的一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池，其特征在于，所述正极集流体为铝箔，所述正极材料包括如下重量百分比的原料：钴酸锂94％-96％、碳纳米管0.5％-1.5％、导电碳黑0.5％-2％、聚偏氟乙烯1.5％-2.5％，溶剂为N-甲基吡咯烷酮，占正极材料质量的40％-45％。
3.根据权利要求2所述的一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池，其特征在于，所述钴酸锂的D10粒度2.9um，D50粒度4.8um，D90粒度9.8um，比表面积0.47m2/g，振实密度2.1g/cm3，克容量大于等于143mAh/g。
4.根据权利要求1所述的一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池，其特征在于，所述负极集流体为铜箔，所述负极材料包括如下重量百分比原料：人造石墨93％-95％、碳黑0.5％-1.0％、羧甲基纤维素钠1.5％-2％、丁苯橡胶2％-2.5％，溶剂为去离子水，占负极材料质量的40％-45％，人造石墨的克容量大于340mAh/g。
5.根据权利要求1所述的一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池，其特征在于，所述隔膜为以PE膜为基体，单面涂覆陶瓷涂层的隔膜材料，基体的厚度为9μm-12μm，陶瓷涂层厚度为2μm-4μm。
6.一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：制备正极极片和负极极片；
步骤2：通过超声波焊接机，分别将极耳焊接在正极极片和负极极片上；
步骤3：将正极极片、隔膜和负极极片按顺序叠片组装后，再经卷绕后得到电池卷芯；
步骤4：将电池卷芯用铝塑膜封装，并进行烘烤，烘烤温度为85℃，烘烤时间24h，得到电池半成品；
步骤5：向步骤4得到的电池半成品中注入电解液，并封口静置；
步骤6：进行充放电，并进行抽真空除去气体，得到所述锂离子电池。
7.根据权利要求6所述的一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤1的具体步骤如下：
将钴酸锂、碳纳米管、导电碳黑和聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，搅拌混合均匀，得到正极材料，将正极材料涂布于正极集流体的表面，压实密度为3.75-3.9mg/cm3，经烘干后，再进行辊压、分切，得到正极极片；
将人造石墨、碳黑、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶加入去离子水中，搅拌混合均匀，得负极材料，将负极材料涂布于负极集流体的表面，压实密度为1.45-1.55mg/cm3，经烘干后，再进行辊压、分切，得到负极极片。
8.根据权利要求6所述的一种兼顾高温与倍率性能软包装锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤3中隔膜的陶瓷涂层与正极极片相对设置。
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