专利名称：：一种高容量磷酸铁锂动力电池及其制作工艺的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种电池，尤其涉及一种高容量磷酸铁锂动力电池及其制作工艺。
背景技术：
：随着经济发展和人民生活水平提高，人们对高能密度的大容量电池的需求愈来愈强烈，在电动工具可选用的几种电池中锂离子电池性能最好。锂离子电池与一般的普通酸性电池不同，有高电压、高比能量、循环寿命长、自放电率低等特点。然而，对于已经应用于手机、笔记本电脑等领域的锂离子电池，如何把它做大一直是困扰动力电池发展的技术难题。LiCo02是商品化锂离子电池最早使用的正极材料，因其易于合成、电压平台高、比能量适中、循环性能好等优点，已在小型电池中得到广泛应用，但除了钴资源的制约因素外，其过充不安全性也决定了它不可能在大容量电池中得到广泛应用。由于LiCo02离子电池能量密度髙，在过充电状态下，电池温度上升、能量过剩，电池内压急剧上升而有发生自燃或爆炸的危险。人们期望尖晶石LiMn204能凭其价廉以及相对LiCo02安全的优势在大容量电池中发挥作用，但针对它的容量低及高温循环性能差的缺点一直未找到好的解决办法，仍未能在实际电池中广泛推广。LiFeP04正极材料，不仅兼顾比容量高，特别是其热稳定好、安全性能优越、循环性能好突出优点，因此被认为是成为锂离子电池的理想正极材料。下表是各种类型电池为动力驱动电源的性能比较<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>虽然磷酸铁锂动力电池具有其他材料无可比拟的一系列优点，但是它也存在一些不足之处，主要表现在1、纯的LiFeP04的电导性和锂离子扩散性能差，从而导致电池大电流放电性能差；2、LiFeP04的松装密度和振实密度比较低，不易加工，导致生产过程中正极浆料的涂附比较困难，并且电池容量偏低。
发明内容本发明的目的是提供一种电导性和离子扩散性能好、电池大电流放电性能好、电池容量大、正极浆料的涂覆容易完成、生产工艺简化的高容量磷酸铁锂动力电池及其制作工艺。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种高容量磷酸铁锂动力电池，包括塑料外壳、极柱、上盖板、正极片、负极片、电解液、隔膜，其中正极片和负极片分别由正、负极集流体和涂覆于正、负极集流体上的活性物质组成。电池正极片包括具有橄榄石结构的磷酸铁锂，导电剂和正极金属集流体。正极集流体采用铝箔，铝箔厚度为15nm20liin。导电剂选用超导碳黑、导电石墨中的一种或几种混合物，或者不使用导电剂。正极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯。正极材料、粘结剂与导电剂混合成浆料后，在金属集流体上采用背涂工艺，涂布温度为100150'C，涂布速度1.84米/分钟，干燥后，经辊压后形成厚度为100iim165um的极片，其压实密度为1.8-2.5g/cm3,上述正极片与电池的正极柱接触。正极浆料的重量百分比配比范围正极材料86%~93.1%超导碳黑0%~4%导电石墨0%~4%聚偏二氟乙烯4%~10%电池负极片包括石墨，导电剂和负极金属集流体。负极材料选用天然石墨或人造石墨。负极集流体采用铜箔，铜箔厚度为10um15um。。导电剂选用超导碳黑、导电石墨中的一种或混合物。负极材料粘结剂选用羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)粘结剂中的一种或混合物。负极材料、粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)与导电剂混合成浆料后，在金属集流体上涂布，在100'C13(TC下干燥后，经辊压后形成厚度为70um120um的极片，其压实密度1.3-1.8g/cm3,上述极片与电池负极柱接触。负极浆料的重量百分比配比范围负极材料93%~97%超导炭黑0%~3%导电石墨0%~3%羧甲基纤维素纳1%~3%丁苯橡胶乳液固含量2%4%一种高容量磷酸铁锂动力电池的制作工艺，包括以下步骤配料、涂布、烘烤、辊压、制片、烘烤、叠片、上盖装配、烘烤、注液、化成、分容。(1)配料以循序配制法配制以N-甲基-2-吡咯垸酮为介质的正极浆料，所需材料为聚偏二氟乙烯4%10%、磷酸铁锂86%~93.1%、导电剂超导炭黑0%~4%和导电石墨0%~4%中的一种或几种混合物；N-甲基-2-吡咯烷酮的用量受磷酸铁锂粒径大小、粒度分布的制约，固液比-l:1~1.5;导电剂和磷酸铁锂均需在100130'C烤箱内烘烤3~8小时；将聚偏二氟乙烯加入N-甲基-2-吡咯垸酮搅拌约34小时后，加入导电剂超导炭黑或导电石墨搅拌13小时，最后加入磷酸铁锂搅拌3~5小时成粘稠的浆状；配制以水为介质的负极浆料，所需材料为石墨93%~97%、超导炭黑0%~3%、导电石墨0%3%、羧甲基纤维素纳1%~3%、丁苯橡胶乳液固含量2%~4%，水为所有前述物质总量的100%~160%即固液比=1:1~1.6;将羧甲基纤维素纳加入水中搅拌4~5小时，加入导电剂超导炭黑或导电石墨搅拌1~2小时，加入石墨搅拌3~5小时，最后加入丁苯橡胶乳液搅拌1~1.5小时成浆状；(2)涂布将搅拌好的正极或负极浆料均匀的涂覆在金属箔集流体上，并留出空白区域，作为极耳区，极耳区长度不得超过涂层的1/2，然后进入涂布机烘箱烘烤，烘烤干后即成为半成品集流体；涂布中须注意不可有划痕，漏基体，纵横方向上的偏轻偏重现象；无论正极或是负极，配制好的桨料涂布于金属箔上后均须从预热区段进入涂布机的烘干巷道，绝对不可倒置；预热区段的温度为9(TC或以下，中温区段的温度在110'C130'C之间、高温区段的温度在120'C140'C之间；在前述温度条件下，涂布烘烤时，负极桨料的温度较正极浆料的温度稍高10'C15'C，以水为介质的浆料温度较N-甲基-2-吡咯烷酮为介质的浆料温度稍高l(TC15C;涂布的线速度在每分钟2m4m的范围内调整；(3)烘烤极片涂布完毕先进行烘烤，在真空烤箱中烘烤24小时，真空度不低于-0.08MPa,烘烤温度为100'C130'C，每隔35小时换氮气或氩气，并保持30分钟，然后再次抽真空，烘烤时间结束，温度降至50'C以下，将极片拿出烤箱，然后转到下一工序；(4)辊压辊压工艺中，正极在辊压前的厚度约为180ixm280um,辊压后的厚度为100um165um;负极在辊压前的厚度约为140um200Um,辊压后的厚度为70um120um;(5)电池极片制作，正极裁切为带有大叶单极耳的矩形片，极耳为没有涂层的铝箔；负极裁切为带有大叶单极耳的矩形片，极耳为没有涂层的铜箔;制作极耳的方法为裁切或剪切冲压方式直接加工出成型的极片；大叶极耳的最大宽度小于极片宽度的1/3,大叶极耳的高度小于极片高度的1/2;正负极极耳宽度相同，长度相同；正极片长度小于负极片长度16mm,正极片宽度小于负极片宽度16mm;隔膜采用具有微孔结构且电流切断温度低的20um60um厚度的聚乙烯材料或聚丙烯材料制成的长条状；隔膜对折后长度大于负极片长度310mm，隔膜宽度大于负极片宽度310mm;(6)烘烤在真空烤箱中烘烤24小时，真空度不低于-0.08MPa，烘烤温度为100'C130'C，每隔35小时换氮气或氩气，并保持30分钟，然后再次抽真空，烘烤时间结束，温度降至50'C以下，将极片拿出烤箱，然后转到下一工序；(7)电池正极、负极、隔膜依次放置叠片，先将负极片放入对折的隔膜中心，负极片底部与隔膜对折处对齐，然后放入使用PVC板材制作出的叠片模具中，作为第一层，叠片模具和隔膜的尺寸大小一致；将正极片放入对折的隔膜中心，正极片底部与隔膜对折处对齐，然后放入叠片模具中，作为第二层；直接将负极片放入叠片模具中心，作为第三层；放入包好隔膜的正极片作为第四层，以此类推，根据电池容量要求，叠相应数量的正极、负极；最上面一层为包好隔膜的负极片；叠片时要保证所有的正极极片极耳在一侧，负极极片极耳在另一侧；叠片完毕，将叠好的电芯使用黄色宽为610mm的高温胶带，包上电芯的底部和侧面，固定好极片，防止错位造成短路；最后使用隔膜小条，将电芯底部和侧面包住，使其不漏出极片边缘；叠片完毕将大叶极耳打孔，然后使用螺丝将电池极耳装配到电池正、负极柱上；(S)注液电池使用半自动真空注液机注液，注液的同时通入高纯氮气或氩气；锂离子动力电池的注液量需根据其容量计算，注液量过大不但容易漏液，且易引起鼓壳；注液量过小则易引起正、负极活性物质的恶化；锂离子动力电池的注液量在6.0g/Ah7.5g/Ah的范围内调整；所采用的多元电解液如下六氟磷酸锂/乙烯碳酸酯二甲基碳酸酯二乙基碳酸酯，溶剂比例为0.951.05:0.951.05:0.951.05;或六氟磷酸锂/乙烯碳酸酯乙基甲基碳酸酯二乙基碳酸酯，溶剂比例为0.951.05:0.951.05:0.951.05;或六氟磷酸锂/乙烯碳酸酯二甲基碳酸酯乙基甲基碳酸酯，溶剂比例为0.951.05:0.951.05:0.951.05;六氟磷酸锂/乙烯碳酸酯二甲基碳酸酯乙基甲基碳酸酯二乙基碳酸酯，溶剂比例为0.951.05:0.951.05:0.951.05:0.951.05;注液的环境控制非常重要，故须在手套箱或其他能够达到要求的环境中完成注液；注液通常从电池壳盖的注液孔上注入；锂离子动力电池在装入内本体及注液以后，仍应保持一定的空腔，不可以为了縮小体积或节约外壳材料，刻意以固体物质或电解液充满锂离子动力电池的内腔；视锂离子动力电池容量的大小不同，空腔约为内腔容积的3%10%,空腔可以保护气体填充；(9)化成化成工序必须一次性不间断地完成，中途不可随意中止或停止；化成曲线应光滑连结，电流应控制在0.05C/30分钟、0.1C/120分钟、0.2C/360分钟，恒流充满后转为恒压继续充，务求一次性充足；(10)分容将电性能各项指标均符合工艺要求的电池与各项电性能指标未达工艺要求的电池分别置放入库。以此方法制造的锂离子动力电池，不仅容量大，而且可以大倍率放电。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述一种高容量磷酸铁锂动力电池，包括塑料外壳、极柱、上盖板、正极片、负极片、电解液、隔膜，其中正极片和负极片分别由正、负极集流体和涂覆于正、负极集流体上的活性物质组成。电池正极包括具有橄榄石结构的磷酸铁锂，导电剂和正极金属集流体。正极集流体采用铝箔，铝箔厚度为15ixm20lim。导电剂选用超导碳黑、导电石墨中的一种或几种混合物，或者不使用导电剂。正极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯。正极材料、粘结剂与导电剂混合成浆料后，在金属集流体上采用背涂工艺，涂布温度为100150'C，涂布速度1.84米/分钟，干燥后，经辊压后形成厚度为lOOiim165ixm的极片，其压实密度为1.8-2，5g/cm3,上述正极片与电池的正极柱接触。正极浆料的重量百分比配比范围为正极材料86%~93.1%超导碳黑0%~4%导电石墨0%~4%聚偏二氟乙烯4%10%正极浆料的重量百分比最佳配比为正极材料88.5%超导碳黑3%导电石墨1.5%聚偏二氟乙烯7%电池负极片包括石墨，导电剂和负极金属集流体。负极材料选用天然石墨或人造石墨。负极集流体采用铜箔，铜箔厚度为10um15um。。导电剂选用超导碳黑、导电石墨中的一种或混合物。负极材料粘结剂选用羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)粘结剂中的一种或混合物。负极材料、粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)与导电剂混合成浆料后，在金属集流体上涂布，在100'C130'C下干燥后，经辊压后形成厚度为70um120um的极片，其压实密度1.3-1.8g/cm3，上述极片与电池负极柱接触。负极浆料的重量百分比配比范围为负极材料93%~97%超导炭黑0%~3%导电石墨0%3%羧甲基纤维素纳1%~3%丁苯橡胶乳液固含量2%~4%负极浆料的重量百分比最佳配比为负极材料94.4%超导炭黑1%羧甲基纤维素纳1.8%丁苯橡胶乳液固含量2.8%。一种高容量磷酸铁锂动力电池的制作工艺，包括以下步骤配料、涂布、烘烤、辊压、制片、烘烤、叠片、上盖装配、烘烤、注液、化成、分容。(1)配料以循序配制法配制以N-甲基-2-吡咯垸酮为介质的正极浆料，所需材料为聚偏二氟乙烯4%~10%、磷酸铁锂86%~93.1%、导电剂超导炭黑0%~4%和导电石墨0%~4%中的一种或几种混合物；N-甲基-2-吡咯烷酮的用量受磷酸铁锂粒径大小、粒度分布的制约，固液比=1:1~1.5;导电剂和磷酸铁锂均需在100130'C烤箱内烘烤3~8小时；将聚偏二氟乙烯加入N-甲基-2-吡咯烷酮搅拌约34小时后，加入导电剂超导炭黑或导电石墨搅拌13小时，最后加入磷酸铁锂搅拌35小时成粘稠的浆状；配制以水为介质的负极桨料，所需材料为石墨93%~97%、超导炭黑0%~3%、导电石墨0%3%、羧甲基纤维素纳1%~3%、丁苯橡胶乳液固含量2%~4%，水为所有前述物质总量的100%~160%即固液比=1:1~1.6;将羧甲基纤维素纳加入水中搅拌4~5小时，加入导电剂超导炭黑或导电石墨搅拌1~2小时，加入石墨搅拌3^5小时，最后加入丁苯橡胶乳液搅拌1-1.5小时成浆状；(2)涂布将搅拌好的正极或负极浆料均匀的涂覆在金属箔集流体上，并留出空白区域，作为极耳区，极耳区长度不得超过涂层的1/2，然后进入涂布机烘箱烘烤，烘烤干后即成为半成品集流体；涂布中须注意不可有划痕，漏基体，纵横方向上的偏轻偏重现象；无论正极或是负极，配制好的浆料涂布于金属箔上后均须从预热区段进入涂布机的烘干巷道，绝对不可倒置；预热区段的温度为90'C或以下，中温区段的温度在110'C130'C之间、高温区段的温度在120'C140'C之间；在前述温度条件下，涂布烘烤时，负极浆料的温度较正极浆料的温度稍高10'C15'C,以水为介质的浆料温度较N-甲基-2-吡咯烷酮为介质的浆料温度稍高10"€15'(:;涂布的线速度在每分钟21114m的范围内调整；(3)烘烤极片涂布完毕先进行烘烤，在真空烤箱中烘烤24小时，真空度不低于-0.08MPa,烘烤温度为100'C130'C，每隔35小时换氮气或氩气，并保持30分钟，然后再次抽真空，烘烤时间结束，温度降至5(TC以下，将极片拿出烤箱，然后转到下一工序；(4)辊压辊压工艺中，正极在辊压前的厚度约为180um280ixm,辊压后的厚度为100um165um;负极在辊压前的厚度约为140um200lim，辊压后的厚度为70um120lim;(5)电池极片制作，正极裁切为带有大叶单极耳的矩形片，极耳为没有涂层的铝箔；负极裁切为带有大叶单极耳的矩形片，极耳为没有涂层的铜箔；制作极耳的方法为裁切或剪切冲压方式直接加工出成型的极片；大叶极耳的最大宽度小于极片宽度的1/3，大叶极耳的高度小于极片高度的1/2;正负极极耳宽度相同，长度相同；正极片长度小于负极片长度16mm,正极片宽度小于负极片宽度l6mm;隔膜采用具有微孔结构且电流切断温度低的20Um60um厚度的聚乙烯材料或聚丙烯材料制成的长条状；隔膜对折后长度大于负极片长度310mm,隔膜宽度大于负极片宽度310mm;(6)烘烤在真空烤箱中烘烤24小时，真空度不低于-0.08MPa，烘烤温度为100'C130'C，每隔35小时换氮气或氩气，并保持30分钟，然后再次抽真空，烘烤时间结束，温度降至50'C以下，将极片拿出烤箱，然后转到下一工序；(7)电池正极、负极、隔膜依次放置叠片，先将负极片放入对折的隔膜中心，负极片底部与隔膜对折处对齐，然后放入使用PVC板材制作出的叠片模具中，作为第一层，叠片模具和隔膜的尺寸大小一致；将正极片放入对折的隔膜中心，正极片底部与隔膜对折处对齐，然后放入叠片模具中，作为第二层；直接将负极片放入叠片模具中心，作为第三层；放入包好隔膜的正极片作为第四层，以此类推，根据电池容量要求，叠相应数量的正极、负极；最上面一层为包好隔膜的负极片；叠片时要保证所有的正极极片极耳在一侧，负极极片极耳在另一侧；叠片完毕，将叠好的电芯使用黄色宽为610mm的高温胶带，包上电芯的底部和侧面，固定好极片，防止错位造成短路；最后使用隔膜小条，将电芯底部和侧面包住，使其不漏出极片边缘；叠片完毕将大叶极耳打孔，然后使用螺丝将电池极耳装配到电池正、负极柱上；(S)注液电池使用半自动真空注液机注液，注液的同时通入高纯氮气或氩气；锂离子动力电池的注液量需根据其容量计算，注液量过大不但容易漏液，且易引起鼓壳；注液量过小则易引起正、负极活性物质的恶化；锂离子动力电池的注液量在6.0g/Ah7.5g/Ah的范围内调整；所采用的多元电解液如下六氟磷酸锂/乙烯碳酸酯二甲基碳酸酯二乙基碳酸酯，溶剂比例为0.951.05:0.951.05:0.951.05;或六氟磷酸锂/乙烯碳酸酯乙基甲基碳酸酯二乙基碳酸酯，溶剂比例为0.951.05:0.951.05:0.951.05;或六氟磷酸锂/乙烯碳酸酯二甲基碳酸酯乙基甲基碳酸酯，溶剂比例为0.951.05:0.951.05:0.951.05;六氟磷酸锂/乙烯碳酸酯二甲基碳酸酯乙基甲基碳酸酯二乙基碳酸酯，溶剂比例为0.951.05:0.951.05:0.951.05:0.951.05;注液的环境控制非常重要，故须在手套箱或其他能够达到要求的环境中完成注液；注液通常从电池壳盖的注液孔上注入；锂离子动力电池在装入内本体及注液以后，仍应保持一定的空腔，不可以为了縮小体积或节约外壳材料，刻意以固体物质或电解液充满锂离子动力电池的内腔；视锂离子动力电池容量的大小不同，空腔约为内腔容积的3%10%，空腔可以保护气体填充；(9)化成化成工序必须一次性不间断地完成，中途不可随意中止或停止；化成曲线应光滑连结，电流应控制在0.05C/30分钟、0.1C/120分钟、0.2C/360分钟，恒流充满后转为恒压继续充，务求一次性充足；(10)分容将电性能各项指标均符合工艺要求的电池与各项电性能指标未达工艺要求的电池分别置放入库。上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。本发明为中小型电动工具、家用电子电器、电动自行车、电动摩托车以及电动汽车提供驱动能源的锂离子二次电池。权利要求1、一种高容量磷酸铁锂动力电池，包括塑料外壳、极柱、上盖板、正极片、负极片、电解液、隔膜，其中正极片和负极片分别由正、负极集流体和涂覆于正、负极集流体上的活性物质组成，其特征在于正极材料采用磷酸铁锂，正极集流体采用铝箔，导电剂选用超导炭黑、导电石墨，正极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯，负极材料采用天然石墨或人造石墨；负极集流体采用铜箔，导电剂选用超导炭黑、导电石墨，负极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯或羧甲基纤维素纳、丁苯橡胶，制作成叠片式结构。全文摘要一种高容量磷酸铁锂动力电池，正极材料采用磷酸铁锂，正极集流体采用铝箔，导电剂选用超导炭黑、导电石墨，正极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯，负极材料采用天然或人造石墨；负极集流体采用铜箔，导电剂选用超导炭黑、导电石墨，负极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯或羧甲基纤维素纳、丁苯橡胶。一种高容量磷酸铁锂动力电池的制作工艺，包括以下步骤配料、涂布、烘烤、辊压、制片、烘烤、叠片、上盖装配、烘烤、注液、化成、分容。本发明制作工艺采用叠片式，工艺过程简单，电池结构紧凑，性能稳定，从而电池容量可以大大提高。本发明为中小型电动工具、家用电子电器、电动自行车、电动摩托车以及电动汽车提供驱动能源的锂离子二次电池。文档编号H01M10/38GK101183729SQ20071011551公开日2008年5月21日申请日期2007年12月14日优先权日2007年12月14日发明者孙先富,张成伟,李兆龙,波王申请人:山东海霸通讯设备有限公司