专利名称：一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及锂离子二次电池制造技术领域，具体涉及一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法。
背景技术：
磷酸铁锂动力电池是新一代锂离子二次电池，磷酸铁锂中的主要元素铁、磷在大自然中不但蕴藏量非常丰富，而且价格相对低廉，并且绿色环保、性能优越，对于纯电动汽车、混合动力汽车的大范围普及具有重大意义；磷酸铁锂动力电池具有稳定的橄榄石结构， 所以非常安全；通过对磷酸铁锂正极材料的纳米化与金属元素掺杂使磷酸铁锂动力电池具有非常好的高倍率性能；通过对磷酸铁锂正极材料的纯度提高和电池的制作工艺的改进， 使原本磷酸铁锂所具备的优秀的循环性能得到了更好的提高，同时大大降低了电池的自放 H1^ ο目前存在的问题正因为动力电池对倍率等性能的要求越来越高，致使生产电池所使用的正极材料原始粒径越来越小以至纳米化，而且纳米化的磷酸铁锂正极材料具有很强的吸水性，一旦吸水受水污染后，用传统的烘料温度及真空度无法将电池中正极材料的结晶水、结合水烘出来，同时因为正极粉料的纳米化使在制作电池正极片时与在电池以后的使用过程中，产生纳米化的粉料与普通的铝箔粘结牢度达不到工艺要求，而且使用传统混料方式和电池制作工艺很难将纳米化的磷酸铁锂粉料分散均勻，导致电池倍率性能、循环性能、低温性能、电芯一致性等都达不到电动汽车所需电池的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制作方法，是通过对生产磷酸铁锂正极粉料的环境湿度控制与电池制作环境湿度的控制，独特的砂磨分散工艺，在铝箔上预涂纳米碳粒，使正极材料与涂碳铝箔之间的粘结牢度得到极大的提高，制作出的电池具有超高倍率、超长循环、优秀的低温、自放电性能和优秀的一致性。本发明的技术方案是通过以下方式实现的一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制作方法，以重量百分比计，包括以下步骤1)控制环境湿度；2)配置 LFP预混液；3)砂磨；4)高磁过滤；5)过滤器过滤；6)配置胶液；7)制备浆料；8)涂碳铝箔与极片涂布；9)热辊极片；10)真空烘烤；11)检验，其特征在于
1)、控制环境湿度生产磷酸铁锂正极粉料的环境温度为M±5°C，环境湿度露点温度控制在_45°C以下，使磷酸铁锂正极粉料的水分在400°C的水分测试下不超过200ppm，保证电池极片不受二次水污染；
2)、配置LFP预混液设LFP预混液重量为100%，LFP预混液中磷酸铁锂固体粉末重量占40%-70%，NMP溶剂重量占60%-30% ；取NMP溶剂重量的70% 80%，加入到高速双轴搅拌机内，加入占LFP预混液重量40%_70%的磷酸铁锂固体粉末，在高速双轴搅拌机内低速、高速同时搅拌，搅拌时间30 90分钟，再次取NMP溶剂重量的20% 30%，加入到高速双轴搅拌机内，再低速、高速同时搅拌，搅拌时间20 60分钟，配置成磷酸铁锂固体粉与NMP溶剂相溶的LFP预混液；
所述的NMP溶剂是N-甲基吡咯烷酮溶剂。所述的LFP是磷酸铁锂粉料的简称。所述的高速双轴搅拌机的低速、高速分别为30 rpm/分和SOOrpm/分。3)、砂磨将LFP预混液通过砂磨机砂磨使得预混液混合均勻，砂磨后磷酸铁锂溶液粒径控制D10 > 0. 02um, D50:0. 5_2um，D90 < 6um ；
所述的砂磨机参数为砂磨速度500rpm 2000rpm，砂磨流量0. lkg/min ^ig/ min，砂磨机所用的氧化锆球粒径为0. 1 3mm。4)、高磁过滤将步骤幻的LFP预混液通过高磁过滤器过滤，高磁过滤器的磁场强度在1000高斯 20000高斯之间；
5)、过滤器过滤将步骤4)的LFP预混液通过120目 200目过滤器过滤，得到磷酸铁锂固含量为40%-70%的LFP预混液；
6)、配置PVDF胶液取1% 15%的PVDF粘结剂与99% 85%的NMP溶剂按正常工艺搅拌配置成PVDF胶液；
所述的PVDF为聚偏二氟乙烯粉末。7)、制备浆料称取步骤5)中的LFP预混液，加入量为浆料总重量的35% 45%， 放入双轴高速搅拌机内，加入VGCF导电剂粉末，加入量为浆料总重量的0. 5% 2%，低速、高速同时搅拌5-120分钟，加入导电剂Super-P粉末，加入量为浆料总重量的0. 5% 2%，低速、高速同时搅拌5-120分钟，加入PVDF胶液，加入量为浆料总重量的15% 25%，低速、高速同时搅拌5 -120分钟，加入剩余固含为40%-70%的LFP预混液，加入量为浆料总重量的 35% 40%，低速、高速同时搅拌10 -300分钟，抽真空低速搅拌一小时后，过120目筛网，配置成1000-20000cpS粘度的浆料；
所述的VGCF为气相碳纤维，俗称碳纳米管。所述的Super-P为人造导电碳。所述的双轴高速搅拌机的低速为20-30 rpm/分、高速为2000rpm/分，真空度为-0. 095Mpa。8)、涂碳铝箔与极片涂布取厚度为1 50um的预涂碳的铝箔，铝箔涂碳的单面厚度为0. 1 10um，将步骤7)得到的浆料均勻的涂在涂碳铝箔的表面，涂在涂碳铝箔表面的浆料极片单面面密度为10 600g/m2 ；
9)、热辊极片将浆料极片通过热辊压机加热辊压，得到平整而均勻的纳米磷酸铁锂正极极片；
所述的热辊压机的加热温度为50 200°C，极片厚度控制在143um 146um，压实密度在 1. O 3. Og/cm3。10)、真空烘烤将辊压好的极片分切成56mm宽的极片后，焊极耳、贴绝缘高温胶纸后，放入温度为120°C烘箱内抽真空烘烤12小时；烘烤好的正极片与烘烤好的负极片配隔膜纸手动卷绕成18650电齓入18650钢壳辉接，棍槽后放入温度为80°C烘箱内抽真空烘烤96小时。
11)、检验取电解液为 EC:DMC:EMC=1:1:1、LiPF6 浓度为 lmol/L，添力口 2%VC，电解液加入量为0. 6g，抽真空后封口，放置48小时化成后，检测容量、内阻。用本发明，加工制作的纳米磷酸铁锂电池的内阻、循环性能、高倍率放电、低温性能等都远优于普通工艺制造的电池，电池的自放电远低于普通工艺制造的电池。本发明通过独特的砂磨分散工艺，解决了磷酸铁锂粉料的分散混合均勻问题；通过对生产磷酸铁锂正极粉料的环境湿度控制与电池制作环境湿度的控制，解决了磷酸铁锂正极材料因纳米化而产生的吸水污染问题；通过在铝箔上预涂纳米碳粒，使正极材料与涂碳铝箔之间的粘结牢度得到非常大的提高，同时降低了电池的内阻，减少了电池的发热，大大提高了电池的循环寿命，使电池在高倍率下的循环寿命从2000次增加到了 8000次以上；其性能均完全满足电动汽车用电池、赛车用电池所需的要求。
图1 是经过特殊砂磨工艺的LFP材料的TEM电镜图(案例一) 图2 是经过特殊砂磨工艺的LFP材料的TEM电镜图(案例二)
图3 是经过特殊砂磨工艺的LFP材料的TEM电镜图(案例三) 图4 是未经特殊砂磨工艺的LFP材料的TEM电镜图(案例四) 图5 是四个实例中制作电芯内阻对比图。图6 是四个实例中制作电芯初次放电容量对比图。图7 是四个实例中制作电芯大电流IOC放电容量对比图。图8 是四个实例中制作电芯大电流30C放电容量对比图。图9 是四个实例中制作电芯自放电对比图。图10 是四个实例中制作电芯微短路对比图。图11 是四个实例中制作电芯长时间IC循环对比图。具体实施方法实施例一
一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制作方法，以重量百分比计， 包括以下工艺步骤
1、控制环境湿度首先确保在生产磷酸铁锂正极粉料时的环境湿度，环境湿度露点温度控制在_45°C以下，使磷酸铁锂正极粉料的水分在400°C的水分测试下不超200ppm，同时确保电池制作环境湿度，保证电池极片不受二次水污染。2、配置LFP预混液取N-甲基吡咯烷酮溶剂(以下简称NMP溶剂)2. Okg,加入到特制的双轴搅拌机内，加入磷酸铁锂3kg后搅拌，低速30rpm，高速800rpm，同时搅拌60min 后，加入NMPO. 66kg，低速30rpm，高速2000rpm，同时搅拌30min。配置成磷酸铁锂固体粉与 NMP溶剂相溶的LFP预混液，使得LFP预混液中磷酸铁锂固体粉末占LFP预混液的53%，NMP 溶剂占LFP预混液的47%。3、砂磨将步骤2得到的LFP预混液通过砂磨机砂磨，砂磨机速度为lOOOrpm，砂磨机使用氧化锆球为1mm，加入量为内腔容量的80%，流量为0. 3kg/min,出口温度控制在65 度以下，砂磨后检测预混液粒径D10:0. 095um，D50:l. 65um，D90: 4. 58um。粘度43cps。4、高磁过滤砂磨结束后，通过12000GS高磁过滤器、高磁过滤器的磁场强度在1000高斯 20000高斯之间。5、过滤器过滤将步骤4)的LFP预混液通过200目过滤器过滤。6、配置PVDF胶液取PVDF (聚偏二氟乙烯粉末)与NMP溶剂按正常工艺搅拌配置成8%胶液。7、制备浆料称取经砂磨后含磷酸铁锂53%的LFP预混液2. 9kg,放入特制双轴高速搅拌内，加入VGCF (碳纳米管)导电剂65g，低速30rpm，高速2000rpm，同时搅拌30min， 加入Super-P (人造导电碳)65g，低速30rpm，高速2000rpm，同时搅拌60min，加入8%胶液1. 63kg，低速30rpm，高速2000rpm，搅拌60rpm，加入固含为53%的磷酸铁锂预混液 2. 76kg，低速30rpm，高速2000rpm，真空度为-0. 095Mpa,同时搅拌90min，低速20rpm，真空度为-0. 095Mpa，搅拌60min后，过120目筛。配置总重量为7. 42kg的浆料。8、涂碳铝箔与极片涂布涂布环境条件湿度露点在_45°C以下，环境温度在 。取20um涂碳铝箔，涂碳单面面密度为0. 6g/m2，将配置好的浆料在涂布机上双面涂布。
涂布极片单面面密度为125g/m2，双面为250g/m2。9、热辊压片将涂布好的极片在辊压机上压片，热辊压环境条件湿度露点在-45°C以下，环境温度在M°C，辊压温度为120°C，极片厚度控制在143um 146um，压实密度在2. Og/cm3。10、真空烘烤将辊压好的极片分切成56mm宽的极片后，焊极耳、贴绝缘高温胶纸后，放入温度为120°C烘箱内抽真空烘烤12小时；烘烤好的正极片与烘烤好的负极片配日本宇布公司产20um的隔膜纸手动卷绕成18650电池，入18650钢壳焊接后，辊槽后放入温度为80°C烘箱内抽真空烘烤96小时。11、检验取电解液为EC:DMC:EMC=I: 1:1，LiPF6浓度为lmol/L，添加2%VC，电解液加入量为0. 6g。抽真空后封口，放置48小时后，化成后，检测容量、内阻。如图1所示，是本实施例的LFP材料的TEM电镜图。其内阻、电芯初次放电容量、 电芯大电流IOC放电容量、电芯大电流30C放电容量、电芯自放电、电芯微短路、电芯长时间 IC循环如图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11所示
内阻
权利要求
1. 一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制作方法，以重量百分比计，包括以下步骤1)控制环境湿度；2)配置LFP预混液；3)砂磨；4)高磁过滤；5)过滤器过滤；6)配置胶液；7)制备浆料；8)涂碳铝箔与极片涂布；9)热辊极片；10)真空烘烤；11) 检验，其特征在于1)、控制环境湿度生产磷酸铁锂正极粉料的环境温度为M±5°C，环境湿度露点温度控制在_45°C以下，使磷酸铁锂正极粉料的水分在400°C的水分测试下不超过200ppm，保证电池极片不受二次水污染；2)、配置LFP预混液设LFP预混液重量为100%，LFP预混液中磷酸铁锂固体粉末重量占40%-70%，NMP溶剂重量占60%-30% ；取NMP溶剂重量的70% 80%，加入到高速双轴搅拌机内，加入占LFP预混液重量40%-70%的磷酸铁锂固体粉末，在高速双轴搅拌机内低速、高速同时搅拌，搅拌时间30 90分钟，再次取NMP溶剂重量的20% 30%，加入到高速双轴搅拌机内，再低速、高速同时搅拌，搅拌时间20 60分钟，配置成磷酸铁锂固体粉与NMP溶剂相溶的LFP预混液；3)、砂磨将LFP预混液通过砂磨机砂磨使得混合均勻，砂磨后磷酸铁锂溶液粒径控制=DlO > 0. 02um, D50:0. 5_2um，D90 < 6um ；4)、高磁过滤将步骤；3)中的LFP预混液通过高磁过滤器过滤，高磁过滤器的磁场强度在1000高斯 20000高斯之间；5)、过滤器过滤将步骤4)的LFP预混液通过120目 200目过滤器过滤，得到磷酸铁锂固含量为40%-70%的LFP预混液；6)、配置胶液取1% 15%的PVDF粘结剂与99% 85%NMP溶剂按正常工艺搅拌配置成PVDF胶液；7)、制备浆料称取步骤5)中的LFP预混液，加入量为浆料总重量的35% 45%，放入双轴高速搅拌机内，加入VGCF导电剂粉末，加入量为浆料总重量的0. 5% 2%，低速、高速同时搅拌5-120分钟，加入导电剂Super-P粉末，加入量为浆料总重量的0. 5% 2%，低速、高速同时搅拌5-120分钟，加入PVDF胶液，加入量为浆料总重量的15% 25%，低速、高速同时搅拌5 -120分钟，再加入固含为40%-70%的LFP预混液，加入量为浆料总重量的35% 40%，低速、高速同时搅拌10 -300分钟，抽真空低速搅拌一小时后，过120目筛网，配置成 1000-20000cps粘度的浆料；8)、涂碳铝箔与极片涂布取厚度为1 50um的预涂碳的铝箔，铝箔涂碳的单面厚度为 0. 1 10um，将步骤7)得到的浆料均勻涂在涂碳铝箔的表面，涂在涂碳铝箔表面的浆料极片单面面密度为10 600g/m2 ；9)、热辊压片将浆料极片通过热辊压机热辊压，加热，得到辊压压实密度为1.0 3. Og/cm3、平整而均勻的纳米磷酸铁锂正极极片；10)、真空烘烤将辊压好的极片分切成56mm宽的极片后，焊极耳、贴绝缘高温胶纸后， 放入温度为120°C烘箱内抽真空烘烤12小时；烘烤好的正极片与烘烤好的负极片配隔膜纸手动卷绕成18650电池，入18650钢壳焊接，辊槽后放入温度为80°C烘箱内抽真空烘烤96 小时；11)、检验取电解液为EC:DMC:EMC=1:1:1、LiPF6浓度为lmol/L，添加2%VC，电解液加入量为0. 6g，抽真空后封口，放置48小时、化成后，检测容量、内阻。
2.根据权利要求1所述的一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法，其特征在于所述的步骤2)中的LFP是磷酸铁锂粉料。
3.根据权利要求1所述的一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法，其特征在于所述的步骤2)中的高速双轴搅拌机的低速、高速分别为30 rpm/分和 800rpm/ 分。
4.根据权利要求1所述的一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法，其特征在于所述的步骤2)中的NMP溶剂是N-甲基吡咯烷酮溶剂。
5.根据权利要求1所述的一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法，其特征在于所述的步骤3)中的砂磨机参数为砂磨速度500rpm 2000rpm，砂磨流量0. lkg/min ^g/min，砂磨机所用的氧化锆球粒径为0. 1 3mm。
6.根据权利要求1所述的一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法，其特征在于所述的步骤6)中的PVDF为聚偏二氟乙烯粉末。
7.根据权利要求1所述的一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法，其特征在于所述的步骤7)中双轴高速搅拌机的低速为20-30 rpm/分、高速为 2000rpm/ 分，真空度为-0. 095Mpa。
8.根据权利要求1所述的一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法，其特征在于所述的步骤7)中VGCF导电剂粉末为碳纳米管导电剂粉末。
9.根据权利要求1所述的一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法，其特征在于所述的步骤7)中Super-P为人造导电碳。
10.根据权利要求1所述的一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制造方法，其特征在于所述的步骤9)中的热辊压机的加热温度为50 200°C，极片厚度控制在143um 146um，压实密度在1. 0 3. Og/cm3。
全文摘要
一种超高倍率、超长循环寿命纳米磷酸铁锂动力电池及其制作方法，以重量百分比计，包括以下步骤1)控制环境湿度；2)配置LFP预混液；3)砂磨；4)高磁过滤；5)过滤器过滤；6)配置胶液；7)制备浆料；8)涂碳铝箔与极片涂布；9)热辊极片；10)真空烘烤；11)检验，本发明，加工制作的纳米磷酸铁锂电池的内阻、循环性能、高倍率放电、低温性能等都远优于普通工艺制造的电池，电池的自放电远低于普通工艺制造的电池。电池在高倍率下的循环寿命从2000次增加到了8000次以上；其性能均完全满足电动汽车用电池、赛车用电池所需的要求。
文档编号H01M10/0525GK102315486SQ20111027777
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者丁建民 申请人:江苏乐能电池股份有限公司