一种磷酸铁锂电池及其正极浆料的制作方法

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种磷酸铁锂电池及其正极浆料。

背景技术：

目前，锂离子电池已广泛应用于数码、电动工具、通讯储能、太阳能储能以及电动汽车等众多新能源领域。动力型锂离子可以使用在便携式设备、卫星、储备电源、电动汽车等各种领域，具有替代二次能源的潜力，具有广阔的前景。

国内动力型锂离子电池广泛采用正极膜、负极膜、隔膜、电解液和外壳，通过卷绕或者叠片工艺进行制作。它具有循环寿命长、输出电压高、安全性能好、无记忆效应，以及自放电小等众多优点，基本上满足了现有市场的需要，也得到了快速的发展。但随着新能源产业的进一步发展，尤其是电动汽车行业的迅猛发展，对锂离子电池提出了更高的要求，如要求重量更轻、比能量更高、安全性更好、使用寿命更长、大倍率放电性能更好、散热性能更好以及组装方便等特性，特别是对大容量锂离子电池的能量密度和安全性能提出了更高的要求。

当前许多世界著名汽车厂商都致力于开发纯电动汽车及混合动力汽车，且大部分采用的都是锂离子动力电池。考虑到电动汽车的安全性和使用寿命等问题，目前动力电池主要以磷酸铁锂动力电池为主，尤其在商务型汽车及大巴车等多乘员电动车辆中。由于是作为汽车的动力来源，磷酸铁锂动力电池目前在使用是还是存在一定的问题，主要是能量密度不足导致续航里程短、低温性能差、储存型差等问题。

当前，国内外磷酸铁锂动力电池采用正极膜、负极膜、隔膜、电解液和外壳，通过卷绕或者叠片工艺进行制作。其中正极由磷酸铁锂、导电剂(super-p和ks-6)、粘合剂、集流体铝箔组成；负极由石墨、导电剂(super-p)、粘合剂(SBR)、增稠剂(cmc)、集流体铜箔组成；隔膜由聚丙烯或者聚乙烯材料制作；电解液由有机溶剂和锂盐组成；外壳采用金属外壳或者铝塑复合膜。

由于磷酸铁锂材料自身电导率偏低，导电性差，使用时要添加大量的导电剂(5％-6％)，这样导致了电池能量密度不高。同时，材料自身电导率偏低，也导致磷酸铁锂材料本身倍率性能差，作为动力电池使用时发热量比较高，长期使用存在安全隐患。

另一方面，磷酸铁锂材料低温放电性能差，-20℃放电只能放出常温容量的40-50％，在冬季气温较低环境使用时，容量大大降低，影响了汽车等续航里程。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的磷酸铁锂材料低温放电性能差，-20℃放电只能放出常温容量的40-50％，在冬季气温较低环境使用时，容量大大降低的问题，本发明提供了一种磷酸铁锂电池。

本发明采用的技术方案为：一种磷酸铁锂电池，包括磷酸铁锂电池本体，该磷酸铁锂电池本体上部设置有正极极片和负极极片，所述正极极片上安装有低接触电阻装置置，其创新点在于：所述低接触电阻装置包括金属固定板、银金属板、导电板和运动机构；所述金属固定板的两侧分别安装有银金属板，两个所述银金属板的另一侧均安装导电板，所述导电板上连接运动机构；所述运动机构控制导电板与正极极片的接触面积，实现电流大小的可调性。

在一些实施方式中，所述运动机构包括运动轨道、运动控制板和光电开关，所述运动轨道固定在银金属板上，该运动轨道的长度h小于银金属板的长度H，大于电极片的长度s；所述运动控制板与运动轨道垂直，且运动控制板滑动固定在运动轨道上方，运动控制板一侧固定连接导电板；所述光电开关安装在运动轨道的末端，实现运动控制板的正常运动。

在一些实施方式中，所述运动轨道垂直固定在银金属板上。

在一些实施方式中，所述运动控制板通过滑动装置滑动固定在运动轨道上方；所述滑动装置包括滑环和滑动启停装置；所述滑动启停装置安装在滑环下方，与滑环活动连接；所述滑环为一带有圆孔的突起，所述突起设置在运动控制板的任意一侧两端与运动轨道接触滑动的区域；所述突起与运动控制板一体成型。

在一些实施方式中，所述滑动启停装置包括活动座、卡旋臂和旋转轴；所述活动座正中心位置安装有一旋转用的旋转轴，旋转轴上方安装有带动旋转轴旋转的卡旋臂，卡旋臂由驱动机构控制其旋转或停止。

在一些实施方式中，所述正极极片上包括集流体铝箔、正极极耳和绝缘层，所述集流体铝箔一端固定设置正极极耳，所述绝缘层覆盖在极耳靠近极片边缘的部位；所述绝缘层为横向放置的Ω的结构，所述横向放置的Ω的结构的中间凹槽内包覆极耳，且横向放置的Ω的结构两侧靠近极片边缘。

本发明的另一个目的是提供一种磷酸铁锂电池中使用的正极浆料，其创新点在于：包括磷酸铁锂、碳纳米管粉末或者碳纳米管浆料、粘合剂和N-甲基吡咯烷酮溶剂；所述碳纳米管的管径在16-30nm之间，管长为5-9或16-20μm；所述碳纳米管浆料固含量在5-10％之间。

在一些实施方式中，所述碳纳米管的添加量在0.5-1.5％；所述粘合剂的添加量为2.5-3.5％。

在一些实施方式中，所述粘合剂包括65-68wt％的聚合物共混物和32-35wt％的增粘剂；所述聚合物共混物包括(甲基)丙烯酸酯共聚物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物和共轭二烯化合物的聚合物；所述乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的密度范围为0.350～0.691g/cm3。

在一些实施方式中，所述聚合物共混物中(甲基)丙烯酸酯共聚物加入量为26～32wt％，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物加入量为50～61wt％，共轭二烯化合物的聚合物的加入量为13～18wt％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的磷酸铁锂电池明提高了生产效率，提升了配料搅拌设备的产能，同时节约成本，减少了环境污染。正极采用碳纳米管作为导电剂节约了配料时间，同时固含量的提升(提升10-15％)既节约有机溶剂的成本，又减少了NMP排放的污染。

(2)本发明减少了导电剂的添加量(添加量为0.5-1.5％)，也减少了粘合剂的加入量(添加量为3％左右)，这样就大大提高了正极活性物质磷酸铁锂的比例(活性物质比例相比传统导电剂由90％左右提升到96％左右)，从而提升了铁锂动力电池的能量密度(提升5％左右)，碳纳米管电池能量密度在155-160wh/kg，传统磷酸铁锂电池在110-120wh/kg。

(3)本发明电池改善了磷酸铁锂电池的倍率性能(2C放电99％以上)和低温放电性能(-20℃放电70％以上)，同时也降低了电池内阻(50Ah电池内阻由0.8-0.9mΩ降低为0.5-0.6mΩ)，倍率性能的改善减少了电池放电的发热量，也提高了电池的安全性能(附图1、2)。该电池也提高了正极磷酸铁锂材料克容量的发挥(克容量由140mAh/g提升到143mAh/g),进一步提升了电池的能量密度。

(4)本发明改善了电池自放电性能，提高了磷酸铁锂动力电池的常温及低温放电性能。常温28天荷电储存：28天容量保持率为98.6％，自放电率为1.4％，容量恢复率为99.0％，衰减率为1％；高温60℃7天荷电储存：容量保持率为97.9％，自放电率为2.1％，容量恢复率为98.5％，衰减率为1.5％。

(5)本发明采用特定管径和管长的碳纳米管作为导电剂，大大提升了磷酸铁锂动力电池的循环寿命，常温循环寿命2000周86％以上，预计在3000周左右，高温60℃循环寿命在1300周以上特别适用于制作磷酸铁锂动力型电池，已经广泛应用于纯电动汽车、混合动力汽车等众多新能源领域。

附图说明

图1是本发明磷酸铁锂电池整体结构示意图；

图2是图1磷酸铁锂电池整体结构侧视图；

图3本发明低接触电阻装置结构示意图；

图4是滑环安装在低接触电阻装置位置示意图；

图5是滑环结构示意图；

图6是本发明一种实施方式中的滑动启停装置结构示意图；

图7是图6的B处放大图；

图8是本发明另一种实施方式中的滑动启停装置结构示意图；

图9是图8的C处放大图；

图10是本发明正极极片结构示意图；

图11是图10的A处结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明披露了一种磷酸铁锂电池，该电池，改进了现有磷酸铁锂动力电池倍率性差、低温性能差、能量密度低的弊端，同时也大大提高了锂离子电池的安全性能、生产效率、循环寿命等性能。如图1所示：包括磷酸铁锂电池本体，该磷酸铁锂电池本体上部设置有正极极片2-1和负极极片2-2，所述正极极片2-1上安装有低接触电阻装置，如图1所示：低接触电阻装置包括金属固定板1、银金属板10、导电板11和运动机构；所述金属固定板1的两侧分别安装有银金属板10，两个所述银金属板10的另一侧均安装导电板11，所述导电板11上连接运动机构；所述运动机构控制导电板11与正极极片2-1的接触面积，实现电流大小的可调性。本发明的运动机构带动导电板11在z轴方向上进行往复运动(如图2所示)，调节导电板11与正极极片2-1的接触面积，可以有效降低接触电阻，避免了电极通过大电流时产生高温而损坏的同时，还能提高了正极极片克容量的发挥，改善减少了电池放电的发热量，也提高了电池的安全性能。

作为进一步优选的，在本发明的此实施方式中，如图3所示：运动机构包括运动轨道30、运动控制板31和光电开关32，所述运动轨道30固定在银金属板10上，该运动轨道30的长度h小于银金属板10的长度H，大于电极片的长度s(如图2侧视图所示)；所述运动控制板31与运动轨道30垂直，且运动控制板31滑动固定在运动轨道30上方，运动控制板31一侧固定连接导电板11；所述光电开关32安装在运动轨道30的末端，如图3所示，光电开关32安装在远离导电板11的末端端头，当到达末端时，光电开关32关闭，运动控制板31停止运动，避免运动控制板31掉落等运行事故，实现运动控制板31的正常运动。当然，运动控制板31另一端连接导电板11,具体的，是运动控制板31远离光电开关32的一侧边连接导电板11，运动控制板31的往复运动带动导电板11在轨道也进行往复运动，构造简单，实施方便，最重要的是，能够扩大调节范围；运动轨道30平行固定在银金属板10上，即运动轨道30平行于银金属板10、运动控制板31垂直于运动轨道30，导电板11垂直于运动控制板31，三者在三维空间范畴内两两垂直。作为进一步优选的，所述运动控制板31通过滑动装置滑动固定在运动轨道30上方。作为进一步优选的，运动轨道30为圆柱体，且表面光滑，便于运动控制板31的运动。

如图3所示，所述滑动装置包括滑动环40，所述滑动环40为一半圆环形状，且固定在运动控制板31底部，所述半圆环穿过运动轨道30，保证运动控制板31顺利的在运动轨道30上做往复运动。

在本发明的另一实施方式中，所述滑动装置包括滑环50和滑动启停装置；所述滑动启停装置安装在滑环50下方，与滑环活动连接；如图4所示：所述滑环50为一带有圆孔54的突起，所述突起设置在运动控制板31的任意一侧两端与运动轨道30接触滑动的区域；所述突起与运动控制板31一体成型。如图5所示：本发明的突起包括突起座51、连接轴52和中间设置有圆孔54的突起块53；所述圆孔54的大小正好能满足运动轨道30的宽度；所述突起座51固定于运动轨道30上，突起座51通过连接轴52与突起块53连接。所述连接轴52可以优选为呈锐角的L型状。连接轴52的设置，能有效缓冲运动控制板31在圆孔54内运动带来的冲击力，延缓突起座51的损坏速率。呈锐角的L型状，还可以通过改变具体角度的大小，调节突起座51和突起块53的距离，满足不同大小的运动控制板31的运动。作为进一步优选的，作为配合滑环50的调节，所述运动控制板表面还设置一薄型内衬板54，所述内衬板54与运动控制板31紧密连接，所述内衬板54表面设置有若干固定条56，所述滑环50固定在内衬板54的固定条中，一方面可以更好的将滑环50进行固定，另一方面可以调节两个滑环50之间的距离，从而调节运动控制板31的有效滑动区域，满足不同电极极片的大小需求。

进一步优选的，为了更好的控制运动控制板31的启停，实现自动化控制启动和停止，在本发明的此实施方式中，滑动启停装置通过连接一个控制器，实现自动启动和停止。如图6、7所示：所述滑动启停装置包括启停座60和启停头61，所述启停座60的运动通过控制器控制；所述启停头61与启停座60连接，且一体成型。所述启停座60安装活动安装在突起座51上，该滑动启停装置整体呈倒钩型结构。优选的，启停座60与突起座51两者通过转接头相连，本发明这样的设计，可以通过控制器控制启停座60运动，调节其与运动轨道30的距离，来实现运动控制板31的启停。如图7所示：所述启停头61表面呈一字型结构，一字型结构为不对称分布，启停座60安装在一字型1/3的位置，另外2/3的部分朝向运动轨道30处，用于启停运动控制板31。不对称设置，能够有效扩大启停控制面积，增加启停控制力度，保证装置的顺利运行。

由于上述的滑动启停装置的结构控制运动控制板的启停距离较短，作为进一步优选的，如图8、9所示：在本发明的此实施方式中，对滑动启停装置进一步进行了优选，所示滑动启停装置通过前后左右旋转转动进行控制。所述滑动启停装置可以安装在运动控制板31与运动轨道30接触的两端面的一侧或两侧同时安装，启停效果更佳。如图8所示：滑动启停装置安装在运动控制板31与运动轨道30接触的两端面中，一端面安装在一侧，另一端面两侧同时安装。如图9所示：具体的，滑动启停装置包括活动座71、卡旋臂73和旋转轴72；所述活动座71正中心位置安装有一旋转用的旋转轴72，旋转轴72上方安装有带动旋转轴72旋转的卡旋臂73，卡旋臂73由驱动机构(图中未示出)控制其旋转或停止。例如，在本实施方式中，滑动启停装置安装在运动控制板31与运动轨道30接触的两端面中，一端面安装在左侧，另一端面左右两侧同时安装。当需要启动时，两端面的滑动启停装置通过驱动机构驱动，卡旋臂73旋转远离运动轨道30，直至不影响运动控制板31运动，当需要停止时，两端面的滑动启停装置通过驱动机构驱动，卡旋臂73旋转至与运动轨道30相接触进行卡旋阻停。当然，左右两侧同时安装滑动启停装置的时候，阻停效果更佳。

作为本发明的另一个发明点，如图10所示：在本发明的此实施方式中，所述正极极片上包括集流体铝箔81、正极极耳82和绝缘层83，所述集流体铝箔81一端固定设置正极极耳82，所述绝缘层83覆盖在极耳靠近极片边缘的部位；如图11所示：所述绝缘层83为横向放置的Ω的结构，所述横向放置的Ω的结构的中间凹槽831内包覆极耳，且横向放置的Ω的结构两侧靠近极片边缘。将本发明的绝缘层83设置在极耳与极片的交界处，绝缘层83绝缘表面积大，能有效的提高绝缘程度。

本发明的另一个创新点是提供一种磷酸铁锂电池中使用的正极浆料，具体的，包括磷酸铁锂、碳纳米管粉末或者碳纳米管浆料、粘合剂和N-甲基吡咯烷酮溶剂；所述碳纳米管的管径在16-30nm之间，管长为5-9或16-20μm；所述碳纳米管浆料固含量在5-10％之间。碳纳米管的添加量在0.5-1.5％；所述粘合剂的添加量为2.5-3.5％。该磷酸铁锂动力型电池采用管径在16-30nm之间，管长为5-9或16-20μm的碳纳米管作为导电剂，节约了配料时导电剂分散的时间，提高了生产效率。其中碳纳米管的添加量在0.5-1.5％，远低于传统导电剂的添加量(5-6％)。其他类型的管径或管长均不能达到此效果。

作为进一步优选的，所述粘合剂包括65-68wt％的聚合物共混物和32-35wt％的增粘剂；所述聚合物共混物包括(甲基)丙烯酸酯共聚物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物和共轭二烯化合物的聚合物；所述乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的密度范围为0.350～0.691g/cm³。更进一步的，聚合物共混物中(甲基)丙烯酸酯共聚物加入量为26～32wt％，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物加入量为50～61wt％，共轭二烯化合物的聚合物的加入量为13～18wt％。在本发明中，碳纳米管电池配料时，可以大大节约有机溶剂(NMP)，浆料固含量可以提升到65％左右，比传统导电剂浆料，提升了10-15％；同时采用本发明的粘合剂化合物，可以大大降低粘合剂的添加量(由5％左右降低到3％左右)。此外，浆料固含量的提升一方面可以节约有机溶剂，减少污染，另一方面可以提高配料搅拌设备的加料量，提高了设备产能；粘合剂添加量的降低，既节约了成本，又可以改善极片内阻，提高了电池倍率性能。

本发明上述正极极片浆料的配制过程中，减少了导电剂的添加量(添加量为0.5-1.5％)，也减少了粘合剂的加入量(添加量为3％左右)，这样就大大提高了正极活性物质磷酸铁锂的比例(活性物质比例相比传统导电剂由90％左右提升到96％左右)，从而提升了铁锂动力电池的能量密度(提升5％左右)，碳纳米管电池能量密度在155-160wh/kg，传统磷酸铁锂电池在110-120wh/kg。

由上述正极极片制成的电池，改善了磷酸铁锂电池的倍率性能(2C放电99％以上)和低温放电性能(-20℃放电70％以上)，同时也降低了电池内阻(50Ah电池内阻由0.8-0.9mΩ降低为0.5-0.6mΩ)，倍率性能的改善减少了电池放电的发热量，也提高了电池的安全性能。该电池也提高了正极磷酸铁锂材料克容量的发挥(克容量由140mAh/g提升到143mAh/g),进一步提升了电池的能量密度。

50Ah碳纳米管电池倍率放电数据如下表：

该电池改善了电池自放电性能，提高了磷酸铁锂动力电池的常温及低温放电性能。常温28天荷电储存：28天容量保持率为98.6％，自放电率为1.4％，容量恢复率为99.0％，衰减率为1％；高温60℃7天荷电储存：容量保持率为97.9％，自放电率为2.1％，容量恢复率为98.5％，衰减率为1.5％。

碳纳米管电池同时也大大提升了磷酸铁锂动力电池的循环寿命，常温循环寿命2000周86％以上，预计在3000周左右，高温60℃循环寿命在1300周以上。因此特别适用于制作磷酸铁锂动力型电池，已经广泛应用于纯电动汽车、混合动力汽车等众多新能源领域。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。