CN113809387A - 一种磷酸铁锂锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磷酸铁锂锂电池,包括正极、负极和隔膜;所述正极包括正极活性物质和正极导电剂;所述正极活性物质由磷酸铁锂与三元材料复合而成;所述负极包括负极活性物质和负极导电剂;所述负极活性物质为经过液相硬碳包覆改性处理的石墨;所述正极导电剂和所述负极导电剂均为导电炭黑、碳纤维、碳纳米管中的至少一种;所述隔膜为聚乙烯膜。本发明通过改变正极、负极和隔膜的材料,提高锂电池在低温环境中的放电性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域,尤其是指一种磷酸铁锂锂电池。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、自放电小、输出功率大、循环性能优良,便于携带、安全环保等特性,被广泛应用于各类产品中。随着社会的发展,电子产品使用环境复杂性增加,这就要求作为能量源的锂电池具有良好的环境适用性。其中,锂电池的低温性能(低温一般指-10℃以下)作为考量电池环境适用性的一个重要指标,显得尤为重要。
磷酸铁锂因其具有循环寿命长、成本低、安全性高、高温高热环境下稳定性好的特点,成为目前最理想的锂电池正极材料,但其倍率性能特别是低温环境下的倍率性能差一直是其发展短板。磷酸铁锂锂电池在低温(-30℃及以下)环境下大电流放电时,存在电池极化大、放电平台电压降低迅速、电池放电容量过少或放不出电等问题,这直接影响磷酸铁锂锂离子电池的性能以及磷酸铁锂锂离子电池、锂离子电池产品的正常使用,阻碍了磷酸铁锂锂离子电池行业的快速发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种磷酸铁锂锂电池,克服现有的磷酸铁锂锂电池在低温环境下放电性能差的缺陷。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种磷酸铁锂锂电池,包括正极、负极和隔膜;
所述正极包括正极活性物质和正极导电剂;
所述正极活性物质由磷酸铁锂与三元材料复合而成;
所述负极包括负极活性物质和负极导电剂;
所述负极活性物质为经过液相硬碳包覆改性处理的石墨;
所述正极导电剂和所述负极导电剂均为导电炭黑、碳纤维、碳纳米管中的至少一种;
所述隔膜为聚乙烯膜。
本发明的有益效果在于:将磷酸铁锂与三元材料复合制成锂电池的正极,提高锂离子扩散系数,为离子和电子的传导提供有利条件,且减缓磷酸铁锂锂电池在低温环境中放电平台的电压下降速度,使锂电池低温下放电更充分。同时,采用经过液相硬碳包覆改性处理后的石墨作为负极材料,相比于传统的固相包覆处理而言,能够使负极的颗粒包裹更加均匀,以使电化学反应阻抗大幅度降低,并且所获得的石墨颗粒粒径小,比表面积大,有利于离子及电子的传导,提高负极的倍率性能。采用了聚乙烯膜作为隔膜,具有高保液量、高离子电导率等特征,利于电池的倍率、循环性能的提升,并且除去了陶瓷层,在保证产品良率基础上,节约制备成本。本发明对正极、负极以及隔膜所采用的材料进行改变,在正极、负极和隔膜的共同作用下,提高正极和负极的导电性能,减缓磷酸铁锂锂电池在低温环境中放电平台的电压下降速度,进而延缓电池达到放电电压的速度,使锂电池充分放电,提高磷酸铁锂锂电池在低温环境下的放电性能。
附图说明
图1为本发明中磷酸铁锂锂电池的制备流程图;
图2为本发明实施例一中的磷酸铁锂锂电池在-30℃下10C放电曲线图;
图3为本发明对比例中的磷酸铁锂锂电池在-30℃下10C放电曲线图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1-图2,一种磷酸铁锂锂电池,包括正极、负极和隔膜;
所述正极包括正极活性物质和正极导电剂;
所述正极活性物质由磷酸铁锂与三元材料复合而成;
所述负极包括负极活性物质和负极导电剂;
所述负极活性物质为经过液相硬碳包覆改性处理的石墨;
所述正极导电剂和所述负极导电剂均为导电炭黑、碳纤维、碳纳米管中的至少一种;
所述隔膜为聚乙烯膜。
本发明的工作原理在于:
通过提高正极锂离子扩散系数、降低负极的电化学反应阻抗以及隔膜的离子电导率,共同作用,达到提高离子和电子传导性能的目的,进而使锂电池在低温环境下充分放电。
从上述描述可知,本发明的有益效果在于:将磷酸铁锂与三元材料复合制成锂电池的正极,提高锂离子扩散系数,为离子和电子的传导提供有利条件,且减缓磷酸铁锂锂电池在低温环境中放电平台的电压下降速度,使锂电池低温下放电更充分。同时,采用经过液相硬碳包覆改性处理后的石墨作为负极材料,相比于传统的固相包覆处理而言,能够使负极的颗粒包裹更加均匀,以使电化学反应阻抗大幅度降低,并且所获得的石墨颗粒粒径小,比表面积大,有利于离子及电子的传导,提高负极的倍率性能。采用了聚乙烯膜作为隔膜,具有高保液量、高离子电导率等特征,利于电池的倍率、循环性能的提升,并且除去了陶瓷层,在保证产品良率基础上,节约制备成本。本发明对正极、负极以及隔膜所采用的材料进行改变,在正极、负极和隔膜的共同作用下,提高正极和负极的导电性能,减缓磷酸铁锂锂电池在低温环境中放电平台的电压下降速度,进而延缓电池达到放电电压的速度,使锂电池充分放电,提高磷酸铁锂锂电池在低温环境下的放电性能。
进一步地,所述磷酸铁锂经过纳米化处理后的一次颗粒的粒径为45nm-100nm,并团聚组成D50粒径为8μm-10μm的二次颗粒。
由上述描述可知,将磷酸铁锂进行纳米化处理,能够使其一次颗粒的粒径控制在45nm-100nm的范围内,增大锂离子的扩散系数,提高离子和电子的传导率。
进一步地,所述三元材料为622型,所述三元材料的颗粒的D50粒径为8.0μm-13.0μm,且颗粒由规则球形组成。
进一步地,所述正极活性物质中磷酸铁锂的占比为91%-97%,三元材料的占比为3%-9%。
由上述描述可知,在磷酸铁锂中加入D50粒径为8.0μm-13.0μm的三元材料颗粒,减缓磷酸铁锂锂电池在低温环境中放电平台的电压下降速度,提高锂电池充分放电。
进一步地,所述石墨的D50粒径为5.5μm-8.5μm。
由上述描述可知,采用液相硬碳包覆的方式进行改性处理得到的石墨,表面光滑且电化学活性位点减少,降低了副反应的发生,使负极的电化学反应阻抗大幅度降低,缩小石墨颗粒的粒径,提高石墨颗粒的比表面积,进而提高了石墨颗粒的包覆效果,改善离子和电子的传导效果。
进一步地,所述导电炭黑为超级导电炭黑,容积密度为210mL/100g-510mL/100g。
由上述描述可知,超级导电炭黑具有独特的支链状形态,使导电体的导电接触点增加,并使导电体与活性物质颗粒之间的接触更为充分,形成高效的导电网络,提高了电极导电性,降低电池界面阻抗,且在充放电过程中电阻不会因为体积的变化而增加;另外,因超级导电炭黑极高的导电率,可适当降低导电剂用量,增加活性物质含量,以此提高电池的电流密度及电池容量,降低电池内阻,提高电池的倍率、循环性能。
进一步地,所述聚乙烯膜的厚度为12μm-20μm,由湿法工艺制成,透气度为150S/100mL-250S/100mL,孔隙率为40%-50%。
由上述描述可知,该条件下的聚乙烯膜具有高保液量、高离子电导率等特征,将该聚乙烯膜作为薄膜,有利于电池的倍率、循环性能的提升,并且除去了陶瓷层,在保证产品良率基础上,节约制备成本。
进一步地,所述正极还包括正极粘结剂,且所述正极中各组分的占比为:正极活性物质93%-96%、正极粘结剂1.5%-4%和正极导电剂1.43%-3.7%。
进一步地,所述负极还包括负极粘结剂,且所述负极中各组分的占比为:负极活性物质95.5%-98%、负极粘结剂1.45%-3.6%、负极导电剂0.8%-2.5%和添加剂0.1%-0.4%。
实施例一
一种磷酸铁锂锂电池,包括正极、负极和隔膜、电解液;正极包括正极活性物质、正极导电剂、正极粘结剂;正极活性物质95%、正极粘结剂2.5%和正极导电剂2.5%,而正极活性物质中磷酸铁锂的占比为95%,三元材料的占比为5%。其中,电解液的作业系数为4.8-5.4g/20ml。
其中,正极活性物质由磷酸铁锂与三元材料复合而成。
优选的,磷酸铁锂经过纳米化处理后的一次颗粒的粒径为45nm-100nm,并团聚组成D50粒径为9μm的二次颗粒;三元材料为622型,三元材料的颗粒的D50粒径为10μm,且颗粒由规则球形组成;而正极粘结剂为PVDF,正极导电剂为超级导电炭黑与碳纳米管。
负极包括负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂和负极添加剂,且负极中各组分的占比为:负极活性物质96.4%、负极粘结剂1.7%、负极导电剂1.7%和负极添加剂0.2%;其中,负极活性物质为经过液相硬碳包覆改性处理的石墨,石墨的D50粒径为7μm;负极粘结剂为PVDF;负极添加剂为草酸,不仅可消除气泡,还可腐蚀铜箔表面,形成凹坑,增加浆料与铜箔表面的粘结力,进一步降低粘结剂用量,提高活性物质占比。
优选的,负极导电剂均为超级导电炭黑,容积密度为210mL/100g~510mL/100g。
优选的,隔膜为聚乙烯膜,聚乙烯膜的厚度为14μm,由湿法工艺制成,透气度为150S/100mL-250S/100mL,孔隙率为40%-50%。
具体的,磷酸铁锂锂电池的制作方法为:将上述材料依次经过上料搅拌、涂布、辊压、制片、叠片、封装、聚合、化成、除气、分容等工序制备出磷酸铁锂系低温高倍率锂离子电池。此外本领域的常规技术手段,此处不再赘述。
参照图2和图3,根据上述条件所制成的磷酸铁锂锂电池在低温环境下的放电性能得到了较大的提升。
实施例二
一种磷酸铁锂锂电池,包括正极、负极、隔膜和电解液;正极包括正极活性物质、正极导电剂、正极粘结剂;正极活性物质94%、正极粘结剂3%和正极导电剂3%,而正极活性物质中磷酸铁锂的占比为95.5%,三元材料的占比为4.5%。其中,电解液的作业系数为4.8-5.4g/20ml。
其中,正极活性物质由磷酸铁锂与三元材料复合而成。
优选的,磷酸铁锂经过纳米化处理后的一次颗粒的粒径为45-100nm,并团聚组成D50粒径为8μm的二次颗粒;三元材料为622型,三元材料的颗粒的D50粒径为9.8μm,且颗粒由规则球形组成;而正极粘结剂为PVDF,正极导电剂为超级导电炭黑,溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
负极包括负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂和负极添加剂,且负极中各组分的占比为:负极活性物质96%、负极粘结剂1.8%、负极导电剂2.05%和负极添加剂0.15%;其中,负极活性物质为经过液相硬碳包覆改性处理的石墨,石墨的D50粒径为8.5μm;负极粘结剂为PVDF;负极添加剂为草酸。
优选的,负极导电剂均为超级导电炭黑,容积密度为220mL/100g~450mL/100g;
优选的,隔膜为聚乙烯膜,聚乙烯膜的厚度为16μm,由湿法工艺制成,透气度为180S/100mL-220S/100mL,孔隙率为45%-47%。
实施例三
一种磷酸铁锂锂电池,包括正极、负极、隔膜和电解液;正极包括正极活性物质、正极导电剂、正极粘结剂;正极活性物质95.5%、正极粘结剂2.2%和正极导电剂2.3%,而正极活性物质中磷酸铁锂的占比为96.5%,三元材料的占比为3.5%。其中,电解液的作业系数为4.8-5.4g/20ml。
其中,正极活性物质由磷酸铁锂与三元材料复合而成。
优选的,磷酸铁锂经过纳米化处理后的一次颗粒的粒径为45-100nm,并团聚组成D50粒径为10μm的二次颗粒;三元材料为622型,三元材料的颗粒的D50粒径为11μm,且颗粒由规则球形组成;而正极粘结剂为PVDF,正极导电剂为超级导电炭黑与碳纳米管。
负极包括负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂和负极添加剂,且负极中各组分的占比为:负极活性物质97%、负极粘结剂1.5%、负极导电剂1.4%和负极添加剂0.1%;其中,负极活性物质为经过液相硬碳包覆改性处理的石墨,石墨的D50粒径为7.5μm;负极粘结剂为PVDF;负极添加剂为草酸。
优选的,负极导电剂均为超级导电炭黑,容积密度为250mL/100g-350mL/100g。
优选的,隔膜为聚乙烯膜,聚乙烯膜的厚度为16μm,由湿法工艺制成,透气度为170S/100mL-200S/100mL,孔隙率为45%-50%。
对比例
一种磷酸铁锂锂电池,包括正极、负极和隔膜、电解液;正极包括正极活性物质、正极导电剂、正极粘结剂;正极活性物质95%、正极粘结剂2.5%和正极导电剂2.5%。其中,电解液的作业系数为4.8-5.4g/20ml。
其中,正极活性物质为磷酸铁锂,磷酸铁锂经过纳米化处理后的一次颗粒的粒径为200nm-300nm,并团聚组成D50粒径为1.8μm的二次颗粒;正极粘结剂为PVDF,正极导电剂为导电炭黑与碳纳米管。
负极包括负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂,且负极中各组分的占比为:负极活性物质94.5%、负极粘结剂3.3%、负极导电剂2.2%;其中,负极活性物质为人造石墨,D50粒径为15μm;负极粘结剂为PVDF;负极导电剂为导电炭黑;负极溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
优选的,隔膜为聚乙烯膜,聚乙烯膜的厚度为14μm,由湿法工艺制成,透气度为150S/100mL~250S/100mL,孔隙率为40%-50%。
综上所述,本发明提供的一种磷酸铁锂锂电池,通过改进正极中活性物质和导电剂的材料,对正极活性物质中的磷酸铁锂添加少量的622型三元材料,提高锂离子的扩散系数,为离子和电子的传导提供有利条件,并改善了磷酸铁锂锂电池在低温环境中放电电压下降速度快,导致电池无法充分放电的缺陷,结合经过液相硬碳包覆处理后的石墨,进一步提高电池的倍率性能,以及采用超级导电炭黑提高正极和负极的导电性,降低电池界面阻抗,使正极和负极在充放电过程中电阻不会因为体积的变化而增大,配合高孔低透型的聚乙烯膜作为隔膜,进一步提高电池的倍率和循环性能,使所制成的锂电池在低温环境下的放电性能得到大大提升。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换,或直接或间接运用在相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种磷酸铁锂锂电池,其特征在于,包括正极、负极和隔膜;
所述正极包括正极活性物质和正极导电剂;
所述正极活性物质由磷酸铁锂与三元材料复合而成;
所述负极包括负极活性物质和负极导电剂;
所述负极活性物质为经过液相硬碳包覆改性处理的石墨;
所述正极导电剂和所述负极导电剂均为导电炭黑、碳纤维、碳纳米管中的至少一种;
所述隔膜为聚乙烯膜。
2.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂电池,其特征在于,所述磷酸铁锂经过纳米化处理后的一次颗粒的粒径为45nm-100nm,并团聚组成D50粒径为8μm-10μm的二次颗粒。
3.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂电池,其特征在于,所述三元材料为622型,所述三元材料的颗粒的D50粒径为8.0μm-13.0μm,且颗粒由规则球形组成。
4.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂电池,其特征在于,所述石墨的D50粒径为5.5μm-8.5μm。
5.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂电池,其特征在于,所述正极活性物质中磷酸铁锂的占比为91%-97%,三元材料的占比为3%-9%。
6.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂电池,其特征在于,所述导电炭黑为超级导电炭黑,容积密度为210mL/100g-510mL100g。
7.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂电池,其特征在于,所述聚乙烯膜的厚度为12μm-20μm,由湿法工艺制成,透气度为150S/100mL-250S/100mL,孔隙率为40%-50%。
8.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂电池,其特征在于,所述正极还包括正极粘结剂,且所述正极中各组分的占比为:正极活性物质93%-96%、正极粘结剂1.5%-4%和正极导电剂1.43%-3.7%。
9.根据权利要1所述的磷酸铁锂锂电池,其特征在于,所述负极还包括负极粘结剂和负极添加剂,且所述负极中各组分的占比为:负极活性物质95.5%-98%、负极粘结剂1.45%-3.6%、负极导电剂0.8%-2.5%和负极添加剂0.1%-0.4%。
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