一种锂离子电池及其制备方法与流程

文档序号:11103781

本发明涉及电池领域,具体涉及一种锂离子电池及其制备方法。



背景技术:

由于能源的日益枯竭,再加上城市污染的日益严重,人们对新型绿色高效能源的需求日益迫切。锂离子电池作为具有强大优势的新能源成为现今研究重点。锂离子电池是综合性能最好的电池,它有许多突出的优点:重量轻,储能大,功率大,无污染,也无二次污染,寿命长,自放电系数小,温度适应范围宽。

制约锂离子电池容量的决定性因素是正极材料。改善锂离子电池正极材料的电化学性能,提高正极材料的容量和电导率是解决问题的关键。锂离子电池自问世以来一直以钴酸锂、锰酸锂正极材料为主导,已经商品化的LiCoO2资源短缺、循环寿命短、价格昂贵并且有毒性,LiNiO2的制备困难,且存在安全性问题,而LiMn2O4的循环性能和高温性能仍需进一步的改进。磷酸铁锂(LiFePO4)结构稳定、资源丰富,安全性能好、无毒对环境友好,而且随着温度升高,材料比容量增大,适合于一些要求比较苛刻的条件下使用。研究表明LiFePO4已经成为最有前途的锂离子电池正极材料之一。

然而LiFePO44材料受限于低的电子导电率,造成电池的倍率性能较差,难以适应动力电池大功率输出的要求。因此,有必要提供一种新的锂离子电池。



技术实现要素:

为解决上述问题,本发明提供了一种锂离子电池,该锂离子电池具有高倍率充放电性能和循环稳定性能。本发明还提供了一种锂离子电池的制备方法。

本发明第一方面提供了一种锂离子电池,包括正极片、负极片、隔膜、非水电解液和壳体,所述正极片、所述负极片、所述隔膜和所述非水电解液容置在所述壳体形成的收容空间内;

所述正极片包括集流体和涂覆在所述集流体表面的锂离子电池正极材料,所述锂离子电池正极材料包括正极活性材料、粘结剂和有机溶剂,所述正极活性材料和所述粘结剂分散在所述有机溶剂中,所述正极活性材料的质量占所述正极活性材料和所述粘结剂总质量的50%-95%,所述正极活性材料包括磷酸铁锂和包覆在所述磷酸铁锂表面的石墨烯,所述磷酸铁锂与所述石墨烯的质量比为1-100:1;

所述负极片包括集流体和涂覆在所述集流体表面的锂离子电池负极材料,所述锂离子电池负极材料包括负极活性材料,所述负极活性材料包括天然石墨、人造石墨、软碳和硬碳中的至少一种。

优选地,所述磷酸铁锂与所述石墨烯的质量比为50-80:1。

优选地,所述包覆在所述磷酸铁锂颗粒表面的石墨烯的层数为5-10层。

优选地,所述锂离子电池正极材料还包括导电剂,所述正极活性材料、所述导电剂、所述粘结剂的质量分别占所述正极活性材料、所述导电剂和所述粘结剂总质量的70%-90%、5%-20%和5%-10%,所述有机溶剂的质量占所述锂离子电池正极材料总质量的30%-70%。

本发明第一方面提供的锂离子电池,该电池具有高倍率充放电性能和循环稳定性能。

本发明第二方面提供了一种锂离子电池的制备方法,包括:

将正极活性材料、粘结剂与有机溶剂混合,搅拌后制得锂离子电池正极材料;将锂离子电池正极材料涂覆在所述集流体的表面,得到正极片;

所述正极活性材料和所述粘结剂分散在所述有机溶剂中,所述正极活性材料的质量占所述正极活性材料和所述粘结剂总质量的50%-95%,所述正极活性材料包括磷酸铁锂和包覆在所述磷酸铁锂表面的石墨烯,所述磷酸铁锂与所述石墨烯的质量比为1-100:1;

将锂离子电池负极材料涂覆在所述集流体的表面,得到负极片,所述锂离子电池负极材料包括负极活性材料,所述负极活性材料包括天然石墨、人造石墨、软碳和硬碳中的至少一种;

将所述正极片、所述负极片和隔膜进行层叠和卷绕,得到电芯,所述隔膜设置在正极片和负极片之间,将所述电芯装入壳体的收容空间内,注入电解液,密封后制得锂离子电池。

优选地,所述正极活性材料、粘结剂与有机溶剂的混合方法为将所述粘结剂加入到有机溶剂中,在真空搅拌机中搅拌2-5小时,再加入所述正极活性材料,搅拌2-5小时,得到锂离子电池正极材料。

优选地,所述锂离子电池正极材料还包括导电剂,所述正极活性材料、导电剂、粘结剂的质量分别占所述正极活性材料、导电剂和粘结剂总质量的70%-90%、5%-20%和5%-10%,所述有机溶剂的质量占所述锂离子电池正极材料总质量的30%-70%。

优选地,,所述正极活性材料、导电剂、粘结剂与有机溶剂的混合方法为:将所述粘结剂加入到有机溶剂中,在真空搅拌机中搅拌2-5小时,再加入所述导电剂,继续搅拌2-5小时后,再加入所述正极活性材料,搅拌2-5小时,得到锂离子电池正极材料。

优选地,所述正极活性材料的制备方法,包括:

将磷酸铁锂前驱体和石墨烯原料加入到溶剂中,在超声条件下分散2-5h,干燥后,得到石墨烯磷酸铁锂前驱体,所述磷酸铁锂与所述石墨烯原料的质量比为1-100:1;

将所述石墨烯磷酸铁锂前驱体置于还原气氛中,在500℃-800℃下煅烧5-12h,得到所述正极活性材料。

优选地,以5-20℃/min的升温速度升至所述500℃-800℃。

本发明第二方面提供的锂离子电池的制备方法非常简单,制得的锂离子电池具有高倍率充放电性能和循环稳定性能。

综上,本发明有益效果包括以下几个方面:

1、本发明提供的锂离子电池,该电池具有高倍率充放电性能和循环稳定性能;

2、本发明提供的锂离子电池的制备方法,制备方法非常简单。

具体实施方式

以下所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

本发明第一方面提供了一种锂离子电池,包括正极片、负极片、隔膜、非水电解液和壳体,正极片、负极片、隔膜和非水电解液容置在壳体形成的收容空间内;

正极片包括集流体和涂覆在集流体表面的锂离子电池正极材料,锂离子电池正极材料包括正极活性材料、粘结剂和有机溶剂,正极活性材料和粘结剂分散在有机溶剂中,正极活性材料的质量占正极活性材料和粘结剂总质量的50%-95%,正极活性材料包括磷酸铁锂和包覆在磷酸铁锂表面的石墨烯,磷酸铁锂与石墨烯的质量比为1-100:1;

负极片包括集流体和涂覆在集流体表面的锂离子电池负极材料,锂离子电池负极材料包括负极活性材料,负极活性材料包括天然石墨、人造石墨、软碳和硬碳中的至少一种。

本发明中,磷酸铁锂为颗粒状,粒径为20nm-300nm。

本发明中,磷酸铁锂的粒径为20nm-100nm。

本发明中,包覆在磷酸铁锂颗粒表面的石墨烯的层数为5-10层。

本发明中,石墨烯的层数为5-6层。

本发明中,磷酸铁锂与石墨烯的质量比为50-80:1。

本发明中,磷酸铁锂与石墨烯的质量比为65-75:1。

本发明中,正极活性材料为粒径为50nm-350nm的颗粒结构。

本发明中,锂离子电池正极材料还包括导电剂,正极活性材料、导电剂、粘结剂的质量分别占正极活性材料、导电剂和粘结剂总质量的70%-90%、5%-20%和5%-10%,有机溶剂的质量占锂离子电池正极材料总质量的30%-70%。

本发明中,导电剂为石墨、炭黑或碳纤维。

本发明中,粘结剂为聚偏氟乙烯或环氧树脂。

本发明中,有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-2-甲基吡咯烷酮、丙酮、四氢呋喃和甲醇中的一种或几种。

本发明提供的锂离子电池正极材料,包括正极活性材料,正极活性材料中石墨烯的加入,大大提高了磷酸铁锂材料的导电性、高倍率充放电性能和循环稳定性能。同时,石墨烯之间不会团聚。

本发明中,锂离子电池负极材料还包括导电剂、粘结剂和有机溶剂,负极活性材料、导电剂和粘结剂分散在有机溶剂中,负极活性材料、导电剂和粘结剂占负极活性材料、导电剂和粘结剂总质量的90%-97%、0-3%和2%-8%,有机溶剂的质量占锂离子电池负极材料总质量的30%-70%。

本发明中,人造石墨包括中间相碳微球。

本发明中,隔膜为PE隔膜、PP隔膜或PE/PP复合隔膜。

本发明中,非水电解液为锂盐溶液,锂盐溶液浓度为1mol/L。

本发明中,锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6);溶液的溶剂为EC(碳酸乙烯酯)、EMC(碳酸甲乙酯)、DMC(碳酸二甲酯)、EA(乙酸乙酯)复合,其中EC和EMC溶解锂盐,DMC和EA降低电解液粘度、提高锂离子扩散系数。

本发明中,集流体为铝箔、镍网或铝塑复合膜。

本发明第一方面提供的锂离子电池,该电池具有高倍率充放电性能和循环稳定性能。

本发明第二方面提供了锂离子电池的制备方法,包括:

将正极活性材料、粘结剂与有机溶剂混合,搅拌后制得锂离子电池正极材料;将锂离子电池正极材料涂覆在集流体的表面,得到正极片;

正极活性材料和粘结剂分散在有机溶剂中,正极活性材料的质量占正极活性材料和粘结剂总质量的50%-95%,正极活性材料包括磷酸铁锂和包覆在磷酸铁锂表面的石墨烯,磷酸铁锂与石墨烯的质量比为1-100:1;

将锂离子电池负极材料涂覆在集流体的表面,得到负极片,锂离子电池负极材料包括负极活性材料,负极活性材料包括天然石墨、人造石墨、软碳和硬碳中的至少一种;

将正极片、负极片和隔膜进行层叠和卷绕,得到电芯,隔膜设置在正极片和负极片之间,将电芯装入壳体的收容空间内,注入电解液,密封后制得锂离子电池。

本发明中,正极活性材料的制备方法,包括:

将磷酸铁锂前驱体和石墨烯原料加入到溶剂中,在超声条件下分散2-5h,干燥后,得到石墨烯磷酸铁锂前驱体,磷酸铁锂与石墨烯原料的质量比为1-100:1;

将石墨烯磷酸铁锂前驱体置于还原气氛中,在500℃-800℃下煅烧5-12h,得到正极活性材料。

本发明中,石墨烯原料的制备方法为:提供氧化石墨烯,将氧化石墨烯还原制得石墨烯原料。

本发明中,氧化石墨烯可以购买得到或者通过改进的Hummers化学氧化法制得。

本发明中,采用硼氢化钠还原氧化石墨烯制得石墨烯原料。

本发明中,磷酸铁锂前驱体的制备方法为本领域常规技术,如采用高温固相法制备等,在此不做赘述。

本发明中,超声功率为250W-500W。

本发明中,溶剂为乙醇或水。

本发明中,干燥的温度为100℃-120℃。

本发明中,以5-20℃/min的升温速度升至500℃-800℃。

本发明中,以5-10℃/min的升温速度升至500℃-800℃。

本发明中,以5-10℃/min的升温速度升至650℃-700℃。

本发明中,还原气氛包括氢气气氛。

本发明中,正极活性材料、粘结剂与有机溶剂的混合方法为将粘结剂加入到有机溶剂中,在真空搅拌机中搅拌2-5小时,再加入正极活性材料,搅拌2-5小时,得到锂离子电池正极材料。

本发明中,锂离子电池正极材料还包括导电剂,正极活性材料、导电剂、粘结剂的质量分别占正极活性材料、导电剂和粘结剂总质量的70%-90%、5%-20%和5%-10%,有机溶剂的质量占锂离子电池正极材料总质量的30%-70%。

本发明中,正极活性材料、导电剂、粘结剂与有机溶剂的混合方法为:将粘结剂加入到有机溶剂中,在真空搅拌机中搅拌2-5小时,再加入导电剂,继续搅拌2-5小时后,再加入正极活性材料,搅拌2-5小时,得到锂离子电池正极材料。

本发明中,三次搅拌过程中的温度均为10℃-50℃,搅拌速度均为自转1500-2000rpm,公转20-30rpm。

本发明中,人造石墨包括中间相碳微球。

本发明中,锂离子电池负极材料还包括导电剂、粘结剂和有机溶剂,负极活性材料、导电剂和粘结剂分散在有机溶剂中,负极活性材料、导电剂和粘结剂占负极活性材料、导电剂和粘结剂总质量的90%-97%、0-3%和2%-8%,有机溶剂的质量占锂离子电池负极材料总质量的30%-70%。

本发明中,锂离子电池负极材料的制备方法为:将粘结剂加入到有机溶剂中,在真空搅拌机中搅拌2-5小时,再加入导电剂,继续搅拌2-5小时后,再加入负极活性材料,搅拌2-5小时,得到锂离子电池负极材料。

本发明中,三次搅拌过程中的温度均为10℃-50℃,搅拌速度均为自转1500-2000rpm,公转20-30rpm。

本发明第二方面提供的锂离子电池制备方法非常简单,制得的锂离子电池具有高倍率充放电性能和循环稳定性能。

实施例1:

一种锂离子电池的制备方法,包括:

(1)制备锂离子电池正极片

将磷酸铁锂前驱体与石墨烯原料按照质量比为100:1的比例加入到乙醇中,在功率为250W的超声条件下分散2h,在100℃干燥后,得到石墨烯磷酸铁锂前驱体;

将石墨烯磷酸铁锂前驱体置于氢气气氛中,以5℃/min的升温速度升至500℃,然后煅烧12h,得到正极活性材料。

在500g N-2-甲基吡咯烷酮(NMP)中加入25.0g聚偏氟乙烯(PVDF)、搅拌4小时后加入25.0g导电石墨,搅拌2小时后加入450g正极活性材料,搅拌4小时,得到锂离子电池正极材料。其中,三次搅拌过程中的温度均为30℃,搅拌速度均为自转2000rpm,公转30rpm;将锂离子电池正极材料涂覆在集流体的表面,得到正极片;

(2)制备锂离子电池负极片

在500g N-2-甲基吡咯烷酮(NMP)中加入40.0g聚偏氟乙烯(PVDF)、搅拌4小时后加入10.0g导电石墨,搅拌2小时后加入450g天然石墨,搅拌4小时,得到锂离子电池负极材料;将锂离子电池负极材料涂覆在集流体的表面,得到负极片;

将正极片、负极片和隔膜进行层叠和卷绕,得到电芯,隔膜设置在正极片和负极片之间,将电芯装入壳体的收容空间内,注入电解液,密封后制得锂离子电池。

通过扫描电镜观察,本实施例制得的正极活性材料的石墨烯的层数大概为5-6层。

实施例2:

一种锂离子电池的制备方法,包括:

(1)制备锂离子电池正极片

将磷酸铁锂前驱体与石墨烯原料按照质量比为50:1的比例加入到乙醇中,在功率为500W的超声条件下分散5h,在120℃干燥后,得到石墨烯磷酸铁锂前驱体;

将石墨烯磷酸铁锂前驱体置于氢气气氛中,以10℃/min的升温速度升至600℃,然后煅烧8h,得到正极活性材料。

在500g N-2-甲基吡咯烷酮(NMP)中加入21.4g聚偏氟乙烯(PVDF)、搅拌2小时后加入42.9g导电碳黑,搅拌2小时后加入171.5g正极活性材料,搅拌2小时后得到锂离子电池正极材料。三次搅拌过程中的温度均为30℃,搅拌速度均为自转1500rpm,公转20rpm;将锂离子电池正极材料涂覆在集流体的表面,得到正极片;

(2)制备锂离子电池负极片

在500g N-2-甲基吡咯烷酮(NMP)中加入21.4g聚偏氟乙烯(PVDF)、搅拌2小时后加入252.2g人造石墨,搅拌2小时后得到锂离子电池正极材料。三次搅拌过程中的温度均为30℃,搅拌速度均为自转1500rpm,公转20rpm。将锂离子电池负极材料涂覆在集流体的表面,得到负极片;

(3)制备锂离子电池

将正极片、负极片和隔膜进行层叠和卷绕,得到电芯,隔膜设置在正极片和负极片之间,将电芯装入壳体的收容空间内,注入电解液,密封后制得锂离子电池。

实施例3:

一种锂离子电池的制备方法,包括:

(1)制备锂离子电池正极片

将磷酸铁锂前驱体与石墨烯原料按照质量比为80:1的比例加入到乙醇中,在功率为300W的超声条件下分散4h,在100℃干燥后,得到石墨烯磷酸铁锂前驱体;

将石墨烯磷酸铁锂前驱体置于氢气气氛中,以20℃/min的升温速度升至800℃,然后煅烧5h,得到正极活性材料。

在500g N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中加入36.7g聚偏氟乙烯(PVDF)、搅拌2小时后加入61.1g导电剂碳纤维,搅拌3小时后加入513.3g正极活性材料,搅拌5小时后制得锂离子电池正极材料。三次搅拌过程中的温度均为30℃,搅拌速度均为自转2000rpm,公转25rpm。将锂离子电池正极材料涂覆在集流体的表面,得到正极片;

(2)制备锂离子电池负极片

在500g N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中加入36.7g聚偏氟乙烯(PVDF)、搅拌2小时后加入21.1g导电剂碳纤维,搅拌3小时后加入513.3g软碳,搅拌5小时后制得锂离子电池负极材料。三次搅拌过程中的温度均为30℃,搅拌速度均为自转2000rpm,公转25rpm。将锂离子电池负极材料涂覆在集流体的表面,得到负极片;

(3)制备锂离子电池

将正极片、负极片和隔膜进行层叠和卷绕,得到电芯,隔膜设置在正极片和负极片之间,将电芯装入壳体的收容空间内,注入电解液,密封后制得锂离子电池。

实施例4:

一种锂离子电池的制备方法,包括:

(1)制备锂离子电池正极片

将磷酸铁锂前驱体与石墨烯原料按照质量比为1:1的比例加入到乙醇中,在功率为300W的超声条件下分散4h,在100℃干燥后,得到石墨烯磷酸铁锂前驱体;

将石墨烯磷酸铁锂前驱体置于氢气气氛中,以20℃/min的升温速度升至800℃,然后煅烧5h,得到正极活性材料。

在500g N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中加入93.3g聚偏氟乙烯(PVDF)、搅拌5小时后加入140.0g导电剂碳纤维,搅拌2小时后加入933.4g正极活性材料,搅拌4小时后制得锂离子电池正极材料。三次搅拌过程中的温度均为30℃,搅拌速度均为自转1800rpm,公转20rpm。将锂离子电池正极材料涂覆在集流体的表面,得到正极片;

(2)制备锂离子电池负极片

在500g N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中加入63.3g聚偏氟乙烯(PVDF)、搅拌5小时后加入30.0g导电剂碳纤维,搅拌2小时后加入945.4g硬碳,搅拌4小时后制得锂离子电池正极材料。三次搅拌过程中的温度均为30℃,搅拌速度均为自转1800rpm,公转20rpm。将锂离子电池正极材料涂覆在集流体的表面,得到正极片;

(3)制备锂离子电池

将正极片、负极片和隔膜进行层叠和卷绕,得到电芯,隔膜设置在正极片和负极片之间,将电芯装入壳体的收容空间内,注入电解液,密封后制得锂离子电池。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

再多了解一些
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