一种快速充电聚合物锂离子电池的制备方法及其电池与流程

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本发明属于锂离子电池制造技术领域,具体涉及到一种快速充电聚合物锂离子电池的制备方法及其电池。



背景技术:

近两年来,新一代的智能手机尺寸越来越大,屏幕的分辨率越来越高,移动应用处理器(AP)运算速度也要求越来越快,这些变化都需要更大容量的锂电池来支持。随着电池容量提升,大功率且高效的快速充电技术成为必需,而现有的传统5V USB 充电器使用统一使用充电接口Micro-USB,依照USB 协会发布的标准,Micro-USB 的最大允许的充电电流是1.8A,这意味着传统的5V USB 充电器将受限于9W以下,无法再提升更大输出功率。

为了突破这个技术瓶颈,全球最大的手机芯片厂联发科及高通,不约而同在新款手机芯片解决方案中,导入快速充电的功能。以过去充电器100%充电大概需要2~3个小时来看,高通、三星、联发科和OPPO的最新快速充电设计若搭配改款后的充电器,则50%充电仅需20 分钟,100%充电则有机会压低到90 分钟以内。

目前快速充电锂离子电池的研究主要集中在锂离子动力电池类,这类电池体积能量密度往往在400Wh/L以下。由于锂离子动力电池往往需要较高的倍率放电性能,因此电池常采用很低的正负极极片面密度、较厚的铜箔铝箔集流体和较厚的隔离膜及铝塑包装膜,而正极材料常采用磷酸铁锂、镍钴锰酸锂三元材料、镍钴铝酸锂三元材料、负极采用石墨或钛酸锂。

在便携式电子产品如智能手机、平板电脑、移动电源、无人机等用高能量密度锂离子电池(电池体积能量密度大于400Wh/L)上,快速充电相关的研究目前鲜见报道。随着快速充电高能量密度聚合物锂离子电池的发展和应用将越来越多,其相关的研究和发明越来越凸显重要,因此本发明为快速充电高能量密度聚合物锂离子电池,将具有十分重要的意义。



技术实现要素:

本发明的目的旨在提供一种快速充电聚合物锂离子电池的制备方法,制备出一种电池体积能量密度大于400Wh/L的快速充电高能量密度聚合物锂离子电池,该电池具备1.0C和2.0C倍率快速充电功能,体积能量密度大,具有高能量密度,循环性能优异,安全性好等优点,可以以满足日益发展的智能手机、平板电脑、移动电源、无人机等用高容量,能快速充电的需求。同时本发明提供的关键制备技术也可以用于快速充电聚合物锂离子动力电池的制备。

为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:

一种快速充电聚合物锂离子电池的制备方法,其制备方法包括如下的步骤:

一、正极导电浆料、正极浆料及正极片的制备

(1)正极导电浆料的制备

准备占整个正极浆料固体含量的2.0%-4.0%高粘度聚偏氟乙烯(PVDF)、0.3%-1.0%碳纳米管导电剂、0.5%-1.5%纳米导电炭黑、5%-10%正极材料镍钴锰酸锂Li(NixCoyMn1-x-y)O2物料;

② 在搅拌机中将全部的粘结剂PVDF加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中,以自转1000-1500转/min,公转20-35转/min的速度进行真空搅拌得到PVDF粘结剂浆料;在粘结剂浆料中加入全部的碳纳米管导电剂、纳米导电炭黑和正极材料镍钴锰酸锂Li(NixCoyMn1-x-y)O2,在搅拌机中以自转2000-3000转/min,公转35-45转/min的速度进行真空高速搅拌得到含有少量镍钴锰酸锂正极材料的正极导电剂浆料;

③ 将上述导电剂浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中进行研磨超细分散,转速1200-1500转/min,氧化锆研磨珠大小为0.8-1.0mm,研磨过程中开启冷却循环水降温,得到超细分散的导电剂浆料。

(2)正极浆料的制备

在上述超细分散的导电剂浆料分两次加入占整个正极浆料固体含量83.5%-92.2%的高压实钴酸锂,在搅拌机中以自转2500-3500转/min,公转45-55转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过100-150目筛网制得正极浆料。

(3)正极片的制备

将上述正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上,经110-130℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了正极材料的正极,正极上焊接极耳,制得正极片。

二、负极导电浆料、负极浆料及负极片的制备

(1)负极导电浆料的制备

准备占整个负极浆料固体含量的1.0%-2.0%羧甲基纤维素钠(CMC)、 1.5%-2.5%丁苯橡胶(SBR) 、0.3%-0.6%碳纳米管导电剂、0.5%-1.0%纳米导电炭黑;

② 在搅拌机中将粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)加入到溶剂水中,在搅拌机中以自转1000-1500转/min,公转30-45转/min的速度进行真空高温搅拌得到CMC粘结剂浆料;在粘结剂浆料中加入全部的碳纳米管导电剂、纳米导电炭黑,在搅拌机中以自转1500-2500转/min,公转30-40转/min的速度进行真空高速搅拌得到负极导电剂浆料。

③ 将上述导电剂浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中进行研磨超细分散,转速1200-1500转/min,氧化锆研磨珠大小为0.8-1.0mm,研磨过程中开启冷却循环水降温,得到超细分散的导电剂浆料。

(2)负极浆料的制备

在上述负极导电剂浆料分两次加入占整个负极浆料固体含量93.9%-96.7%的负极材料人造石墨,在搅拌机中以自转2000-3000转/min,公转45-55转/min的速度进行真空高速搅拌;搅拌结束前1小时加入全部的丁苯橡胶(SBR)粘结剂,以自转1000-2000转/min,公转30-40转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过150目筛网制得负极浆料。

(3)负极片的制备

将上述负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上,经75-85℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了负极材料的负极,负极上焊接有极耳,制得负极片。

三、隔离膜采用厚度为12-16微米的聚乙烯隔离膜,正极片/隔离膜/负极片间隔经自动卷绕成电芯;电芯经铝塑膜包装,在175-200℃下进行热封,再经真空烘烤、注液、热封封口、搁置、 预充、 真空封装、化成、分容等制得快速充电聚合物锂离子电池。

作为优选的,步骤一中粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)的分子量在95万以上。

作为优选的,步骤一(3)中正极片涂布的单面面密度在大于185g/m2之间。

作为优选的,步骤二(3)中负极片涂布的单面面密度在大于80g/m2之间。

一种快速充电聚合物锂离子电池,包含上述制备方法和上述3个优选的特征参数。

本发明的有益效果是:

(1) 经砂磨机砂磨超细分散的少量正极材料镍钴锰酸锂,其大小由原来微米尺寸的二次颗粒变成了纳米尺寸的一次颗粒,并和线状的碳纳米管导电剂和球状的纳米导电炭黑有效复合,一起在正极材料高压实钴酸锂颗粒表面包覆并构成蜂窝状网络导电结构,从而极大地改善正极材料的导电性能;经砂磨机砂磨超细分散的线状碳纳米管导电剂和球状纳米导电炭黑有效复合构成蜂窝状网络导电结构,从而极大地改善负极材料的导电性能,与正极一起综合作用提高了电池的快速充电、倍率性能,也改善电池的循环性能和安全性能。

(2)在较高的正负极片面密度下制备的快速充电聚合物锂离子电池,其体积能量密度在400Wh/L以上,1.0C倍率充电30分钟,可充满电池容量的45%以上,2.0C倍率充电30分钟,可充满电池容量的70%以上。

附图说明

图1是本发明实施例2制备的快速充电聚合物锂离子电池和比较例1制备的聚合物锂离子电池2C充电1C放电300次循环对比曲线。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明方案,下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1:

本实施例快速充电聚合物锂离子电池的制备具体来说包括以下步骤:

一、正极导电浆料、正极浆料及正极片的制备

(1)正极导电浆料的制备

准备占整个正极浆料固体含量的4.0%高粘度聚偏氟乙烯(PVDF)、1.0%碳纳米管导电剂、1.5%纳米导电炭黑、10%正极材料镍钴锰酸锂LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2物料;

② 在搅拌机中将全部的粘结剂PVDF加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中,以自转1500转/min,公转35转/min的速度进行真空搅拌得到PVDF粘结剂浆料;在粘结剂浆料中加入全部的碳纳米管导电剂、纳米导电炭黑和正极材料镍钴锰酸锂LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2,在搅拌机中以自转3000转/min,公转45转/min的速度进行真空高速搅拌得到含有少量镍钴锰酸锂正极材料的正极导电剂浆料;

③ 将上述导电剂浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中进行研磨超细分散,转速1500转/min,氧化锆研磨珠大小为0.8mm,研磨过程中开启冷却循环水降温,得到超细分散的导电剂浆料。

(2)正极浆料的制备

在上述超细分散的导电剂浆料分两次加入占整个正极浆料固体含量83.5%的高压实钴酸锂,在搅拌机中以自转3500转/min,公转55转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过100目筛网制得正极浆料。

(3)正极片的制备

将上述正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上,经110-130℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了正极材料的正极,正极上焊接极耳,制得正极片。

二、负极导电浆料、负极浆料及负极片的制备

(1)负极导电浆料的制备

准备占整个负极浆料固体含量的2.0%羧甲基纤维素钠(CMC)、 2.5%丁苯橡胶(SBR) 、0.6%碳纳米管导电剂、1.0%纳米导电炭黑;

② 在搅拌机中将粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)加入到溶剂水中,在搅拌机中以自转1500转/min,公转40转/min的速度进行真空高温搅拌得到CMC粘结剂浆料;在粘结剂浆料中加入全部的碳纳米管导电剂、纳米导电炭黑,在搅拌机中以自转2500转/min,公转40转/min的速度进行真空高速搅拌得到负极导电剂浆料。

③ 将上述导电剂浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中进行研磨超细分散,转速1200转/min,氧化锆研磨珠大小为1.0mm,研磨过程中开启冷却循环水降温,得到超细分散的导电剂浆料。

(2)负极浆料的制备

在上述负极导电剂浆料分两次加入占整个负极浆料固体含量93.9%的负极材料人造石墨,在搅拌机中以自转3000转/min,公转55转/min的速度进行真空高速搅拌;搅拌结束前1小时加入全部的丁苯橡胶(SBR)粘结剂,以自转2000转/min,公转40转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过150目筛网制得负极浆料。

(3)负极片的制备

将上述负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上,经75-85℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了负极材料的负极,负极上焊接有极耳,制得负极片。

三、隔离膜采用厚度为16微米的聚乙烯隔离膜,正极片/隔离膜/负极片间隔经自动卷绕成电芯;电芯经铝塑膜包装,在175-200℃下进行热封,再经真空烘烤、注液、热封封口、搁置、 预充、 真空封装、化成、分容等制得快速充电聚合物锂离子电池。

实施例2:

本实施例快速充电聚合物锂离子电池的制备具体来说包括以下步骤:

一、正极导电浆料、正极浆料及正极片的制备

(1)正极导电浆料的制备

准备占整个正极浆料固体含量的2.0%高粘度聚偏氟乙烯(PVDF)、0.3%碳纳米管导电剂、0.5%纳米导电炭黑、5%正极材料镍钴锰酸锂LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2物料;

② 在搅拌机中将全部的粘结剂PVDF加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中,以自转1000转/min,公转25转/min的速度进行真空搅拌得到PVDF粘结剂浆料;在粘结剂浆料中加入全部的碳纳米管导电剂、纳米导电炭黑和正极材料镍钴锰酸锂LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2,在搅拌机中以自转2000转/min,公转35转/min的速度进行真空高速搅拌得到含有少量镍钴锰酸锂正极材料的正极导电剂浆料;

③ 将上述导电剂浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中进行研磨超细分散,转速1300转/min,氧化锆研磨珠大小为0.9mm,研磨过程中开启冷却循环水降温,得到超细分散的导电剂浆料。

(2)正极浆料的制备

在上述超细分散的导电剂浆料分两次加入占整个正极浆料固体含量92.2%的高压实钴酸锂,在搅拌机中以自转2500转/min,公转45转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过150目筛网制得正极浆料。

(3)正极片的制备

将上述正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上,经110-130℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了正极材料的正极,正极上焊接极耳,制得正极片。

二、负极导电浆料、负极浆料及负极片的制备

(1)负极导电浆料的制备

准备占整个负极浆料固体含量的1.0%羧甲基纤维素钠(CMC)、 1.5%丁苯橡胶(SBR) 、0.3%碳纳米管导电剂、0.5%纳米导电炭黑;

② 在搅拌机中将粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)加入到溶剂水中,在搅拌机中以自转1000转/min,公转30转/min的速度进行真空高温搅拌得到CMC粘结剂浆料;在粘结剂浆料中加入全部的碳纳米管导电剂、纳米导电炭黑,在搅拌机中以自转1500转/min,公转30转/min的速度进行真空高速搅拌得到负极导电剂浆料。

③ 将上述导电剂浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中进行研磨超细分散,转速1300转/min,氧化锆研磨珠大小为0.9mm,研磨过程中开启冷却循环水降温,得到超细分散的导电剂浆料。

(2)负极浆料的制备

在上述负极导电剂浆料分两次加入占整个负极浆料固体含量96.7%的负极材料人造石墨,在搅拌机中以自转2000转/min,公转45转/min的速度进行真空高速搅拌;搅拌结束前1小时加入全部的丁苯橡胶(SBR)粘结剂,以自转1000转/min,公转30转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过150目筛网制得负极浆料。

(3)负极片的制备

将上述负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上,经75-85℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了负极材料的负极,负极上焊接有极耳,制得负极片。

三、隔离膜采用厚度为12微米的聚乙烯隔离膜,正极片/隔离膜/负极片间隔经自动卷绕成电芯;电芯经铝塑膜包装,在175-200℃下进行热封,再经真空烘烤、注液、热封封口、搁置、 预充、 真空封装、化成、分容等制得快速充电聚合物锂离子电池。

实施例3:

本实施例快速充电聚合物锂离子电池的制备具体来说包括以下步骤:

一、正极导电浆料、正极浆料及正极片的制备

(1)正极导电浆料的制备

准备占整个正极浆料固体含量的3.0%高粘度聚偏氟乙烯(PVDF)、0.7%碳纳米管导电剂、1.0%纳米导电炭黑、8%正极材料镍钴锰酸锂LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2物料;

② 在搅拌机中将全部的粘结剂PVDF加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中,以自转1200转/min,公转30转/min的速度进行真空搅拌得到PVDF粘结剂浆料;在粘结剂浆料中加入全部的碳纳米管导电剂、纳米导电炭黑和正极材料镍钴锰酸锂LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2,在搅拌机中以自转2500转/min,公转40转/min的速度进行真空高速搅拌得到含有少量镍钴锰酸锂正极材料的正极导电剂浆料;

③ 将上述导电剂浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中进行研磨超细分散,转速1200转/min,氧化锆研磨珠大小为1.0mm,研磨过程中开启冷却循环水降温,得到超细分散的导电剂浆料。

(2)正极浆料的制备

在上述超细分散的导电剂浆料分两次加入占整个正极浆料固体含量87.3%的高压实钴酸锂,在搅拌机中以自转3000转/min,公转50转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过100目筛网制得正极浆料。

(3)正极片的制备

将上述正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上,经110-130℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了正极材料的正极,正极上焊接极耳,制得正极片。

二、负极导电浆料、负极浆料及负极片的制备

(1)负极导电浆料的制备

准备占整个负极浆料固体含量的1.5%羧甲基纤维素钠(CMC)、 2.0%丁苯橡胶(SBR) 、0.5%碳纳米管导电剂、0.8%纳米导电炭黑;

② 在搅拌机中将粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)加入到溶剂水中,在搅拌机中以自转1200转/min,公转35转/min的速度进行真空高温搅拌得到CMC粘结剂浆料;在粘结剂浆料中加入全部的碳纳米管导电剂、纳米导电炭黑,在搅拌机中以自转2000转/min,公转35转/min的速度进行真空高速搅拌得到负极导电剂浆料。

③ 将上述导电剂浆料全部转入带有锆珠的砂磨机中进行研磨超细分散,转速1500转/min,氧化锆研磨珠大小为0.8mm,研磨过程中开启冷却循环水降温,得到超细分散的导电剂浆料。

(2)负极浆料的制备

在上述负极导电剂浆料分两次加入占整个负极浆料固体含量95.2%的负极材料人造石墨,在搅拌机中以自转2500转/min,公转50转/min的速度进行真空高速搅拌;搅拌结束前1小时加入全部的丁苯橡胶(SBR)粘结剂,以自转1500转/min,公转35转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过150目筛网制得负极浆料。

(3)负极片的制备

将上述负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上,经75-85℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了负极材料的负极,负极上焊接有极耳,制得负极片。

三、隔离膜采用厚度为12微米的聚乙烯隔离膜,正极片/隔离膜/负极片间隔经自动卷绕成电芯;电芯经铝塑膜包装,在175-200℃下进行热封,再经真空烘烤、注液、热封封口、搁置、 预充、 真空封装、化成、分容等制得快速充电聚合物锂离子电池。

比较例1:

本比较例聚合物锂离子电池的制备具体来说包括以下步骤:

一、正极导电浆料、正极浆料及正极片的制备

(1)正极导电浆料的制备

准备占整个正极浆料固体含量的4.0%高粘度聚偏氟乙烯(PVDF)、2.0%纳米导电炭黑物料;

② 在搅拌机中将全部的粘结剂PVDF加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中,以自转1500转/min,公转30转/min的速度进行真空搅拌得到PVDF粘结剂浆料;在粘结剂浆料中加入全部的纳米导电炭黑,在搅拌机中以自转2500转/min,公转35转/min的速度进行真空高速搅拌得到正极导电剂浆料;

(2)正极浆料的制备

在上述导电剂浆料分两次加入占整个正极浆料固体含量94.0%的高压实钴酸锂,在搅拌机中以自转3000转/min,公转50转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过100筛网制得正极浆料。

(3)正极片的制备

将上述正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上,经110-130℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了正极材料的正极,正极上焊接极耳,制得正极片。

二、负极导电浆料、负极浆料及负极片的制备

(1)负极导电浆料的制备

准备占整个负极浆料固体含量的1.7%羧甲基纤维素钠(CMC)、 2.3%丁苯橡胶(SBR) 、1.0%纳米导电炭黑;

② 在搅拌机中将粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)加入到溶剂水中,在搅拌机中以自转1500转/min,公转40转/min的速度进行真空高温搅拌得到CMC粘结剂浆料;在粘结剂浆料中加入全部的纳米导电炭黑,在搅拌机中以自转2000转/min,公转35转/min的速度进行真空高速搅拌得到负极导电剂浆料。

(2)负极浆料的制备

在上述负极导电剂浆料分两次加入占整个负极浆料固体含量95.0%的负极材料人造石墨,在搅拌机中以自转2500转/min,公转50转/min的速度进行真空高速搅拌;搅拌结束前1小时加入全部的丁苯橡胶(SBR)粘结剂,以自转1500转/min,公转35转/min的速度进行真空高速搅拌,再冷却至室温,过150目筛网制得负极浆料。

(3)负极片的制备

将上述负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上,经75-85℃干燥8-12小时后用辊压机辊压涂布了负极材料的负极,负极上焊接有极耳,制得负极片。

三、隔离膜采用厚度为16微米的聚乙烯隔离膜,正极片/隔离膜/负极片间隔经自动卷绕成电芯;电芯经铝塑膜包装,在175-200℃下进行热封,再经真空烘烤、注液、热封封口、搁置、 预充、 真空封装、化成、分容等制得快速充电聚合物锂离子电池。

表1是各实施例和比较例制备的聚合物锂离子电池的性能对比。

表1:各实施例和比较例制备的聚合物锂离子电池的性能

表1和图1表明,本发明在较高的正负极片面密度下制备的快速充电聚合物锂离子电池,其体积能量密度在400Wh/L以上,1.0C倍率充电30分钟,可充满电池容量的45%以上,2.0C倍率充电30分钟,可充满电池容量的70%以上,并且具有良好的循环性能。

本发明提供了一种快速充电聚合物锂离子电池的制备方法,通过砂磨机砂磨超细分散的少量正极材料镍钴锰酸锂,其大小由原来微米尺寸的二次颗粒变成了纳米尺寸的一次颗粒,并和线状的碳纳米管导电剂和球状的纳米导电炭黑有效复合,一起在正极材料高压实钴酸锂颗粒表面包覆并构成蜂窝状网络导电结构,从而极大地改善正极材料的导电性能;经砂磨机砂磨超细分散的线状碳纳米管导电剂和球状纳米导电炭黑有效复合构成蜂窝状网络导电结构,从而极大地改善负极材料的导电性能,与正极一起综合作用提高了电池的快速充电、倍率性能,也改善电池的循环性能和安全性能。应当理解的是,以上所述仅为本发明的优选实施例,并不足以限制本发明的技术方案,对本领域普通技术人员来说,在本发明的精神和原则之内,可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进,而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案,都应属于本发明技术特征的范围,都包括在本发明的保护范围之内。

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