一种提高锂离子电池过充安全性的石墨烯正极材料的制作方法

本发明涉及一种锂离子电池保护，具体涉及过充情况下的散热及保护。属于锂离子电池制造的技术领域。

背景技术：

2004年英国曼彻斯特大学的andregeim和konstantinnovoselov从高定向热解石墨中剥离出仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。此后，制备石墨烯的方法又发展出了取向附生法、加热sic法、化学还原法和化学解离法等。

石墨烯除了具有超高的强度和柔韧性之外，其极高的导热，导电性尤其引人关注。普通碳纳米管的导热系数可达3000w/mk以上，而单层石墨烯的导热系数可达5300w/mk。美国加州大学一项研究显示，石墨烯的导热性能优于碳纳米管。中国科学院山西煤炭化学研究所高导热石墨烯/炭纤维柔性复合薄膜，室温面向热导率高达977w/m·k。另有研究表明，常温下石墨烯电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。

由于其导热，导电方面优良的表现，引起电子，电池界的关注，并有部分实际应用。例如，华为瓦特实验室实验表明：高温环境下的充放电测试表明，同等工作参数下，内部掺杂了石墨烯的锂离子电池的温升比普通锂离子电池降低5℃；60℃高温循环2000次，容量保持率仍超过70％；

基于石墨烯的电学，热学特点，以及目前锂离子电池在安全性上尚有欠缺的现实，本专利开发了石墨烯在锂离子电池过充保护中的应用。

所谓过充，指的是电池已经达到电池使用的上限电压，由于某些原因还在继续充电，模拟实际使用过程中保护板失效等意外情况。一切商业电池，只有过充测试通过国家标准(gb/t31485-2015)规定条件，才能取得电池销售许可。过充国家标准(gb/t31485-2015)具体内容为：电池以1c电流满充，之后用1c恒流持续充电，直到单体电池达到企业技术条件规定的充电终止电压1.5倍，或者充电时间1小时后达到200％soc，电池不爆炸，不起火。

根据调研，目前还没有石墨烯在锂离子电池过充保护中的应用先例。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种提高锂离子电池过充安全性的石墨烯正极材料，为了增强电池在过充情况下的散热，保持电池正极材料颗粒之间的导电性能，保护电池，防止爆炸。本发明改变了正极配方，加入石墨烯材料，石墨烯具有优异的传热性能，导电性能，非常适合作为导电添加剂，尤其是在锂离子电池里面的应用，使新型电池达到过充国家标准。

技术方案：本发明的一种提高锂离子电池过充安全性的石墨烯正极材料，掺入石墨烯，以增强电池过充保护性能，该正极材料由炭黑导电剂sp；镍钴锰ncm；聚偏氟乙烯pvdf；石墨烯；导电石墨ks6组成。

所述的石墨烯种类为单层石墨烯或多层石墨烯。

所使用的石墨烯的制备方法包括微机械分离法、取向附生法、加热sic法、化学还原法或化学解离法。

所述的正极材料中，石墨烯添加量为0.5wt％～1.5wt％。

所述的正极材料按质量的组分为：

有益效果：

1)用石墨烯代替以前电池正极配方中的sp，增加了电极导电性，增加了电子运动抗干扰性。

2)2)在正极材料中加入石墨烯，其优秀的导热性增加了电池的散热性能，特别强化了过充时的热传导，增加了电池过充时的安全性。

3)电池过充安全性的提高使电池易于达到过充国家标准，降低了行业门槛，具有明显的商业价值。

附图说明

图1为电池过充时温度及电压随电池荷电状态soc百分比变化曲线。

图2为电池过充时温度及电压随电池荷电状态soc百分比变化曲线。

图3为电池过充时温度及电压随电池荷电状态soc百分比变化曲线。

图4为电池过充时温度及电压随电池荷电状态soc百分比变化曲线。

具体实施方式

本发明的一种提高锂离子电池过充安全性的石墨烯正极材料，所述的正极材料按质量的组分为：

(1)以2ah容量软包电芯为研究对象，投料过程中，所有物料按照配方所示比例投料；

(2)依次经过浆料搅拌，涂布，冷压极片，烘烤，分条，电芯卷绕，x-ray检查，裸电芯整形，绝缘测试1，阴/正极极耳焊接，绝缘测试2，顶侧封，压角位，真空烘烤，灌注电解液，静置，真空封装，再次静置，烘烤，整形，化成，容量测试完成电芯制作；

(3)过充测试采用arbin充放电设备进行，各电池过充温升过程数据分别见图1、图2、图3、图4。

图1为电池过充时温度及电压随电池荷电状态soc百分比变化曲线。随过充程度增加，在电压持续升高的同时，温度急剧增加到140℃以上，引起电池热失控，最终着火爆炸。

图2为电池过充时温度及电压随电池荷电状态soc百分比变化曲线。随过充程度增加，由于散热较快，在过充过程中温升较小，电池没达到热失效的温度下，电压已经升高，达到过充国家标准(gb/t31485-2015)规定的充电终止电压的1.5倍要求。

图3为电池过充时温度及电压随电池荷电状态soc百分比变化曲线。随过充程度增加，由于散热较快，在过充过程中温升较小，电池没达到热失效的温度下，过充时间已经达到1小时，达到过充国家标准(gb/t31485-2015)规定的充电终止soc的要求。

图4为电池过充时温度及电压随电池荷电状态soc百分比变化曲线。随过充程度增加，由于散热较快，在过充过程中温升较小，电池没达到热失效的温度下，过充时间已经达到1小时，达到过充国家标准(gb/t31485-2015)规定的充电终止soc的要求。

为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。

实例1

实验组投料按质量的配方为：正极：sp＝2％，ncm＝95％，pvdf＝2％，石墨烯＝0.5％，ks6＝0.5％。负极：sp＝1.5％，石墨＝95.4％，sbr＝2.5％，cmc＝0.6％。

对比组投料配方为：正极：sp＝2.5％，ncm＝95％，pvdf＝2％，ks6＝0.5％。负极：sp＝1.5％，石墨＝95.4％，sbr＝2.5％，cmc＝0.6％。

以2ah容量软包电芯为研究对象，所有物料按照配方所示比例投料；依次经过浆料搅拌，涂布，冷压极片，烘烤，分条，电芯卷绕，x-ray检查，裸电芯整形，绝缘测试1，阴/正极极耳焊接，绝缘测试2，顶侧封，压角位，真空烘烤，灌注电解液，静置，真空封装，再次静置，烘烤，整形，化成，容量测试完成电芯制作；采用arbin充放电设备进行过充测试。

实验结果：添加了石墨烯的一组电池，由于散热较快，在过充过程中温升较小，电池没达到热失效的温度下，电压已经升高，达到1.5倍电压，通过测试。没有添加的电池，在电压持续升高的同时，温度急剧增加，到140℃以上，引起电池热失控，最终着火爆炸。(实验组温度及电压随soc百分比变化曲线见附图2中t2及v2；对比组温度及电压随soc百分比变化曲线见附图1中t1及v1)。实例2

实验组投料按质量的配方为：正极：sp＝1.5％，ncm＝95％，pvdf＝2％，石墨烯＝1％，ks6＝0.5％。负极：sp＝1.5％，石墨＝95.4％，sbr＝2.5％，cmc＝0.6％。

对比组投料配方为：正极：sp＝2.5％，ncm＝95％，pvdf＝2％，ks6＝0.5％。负极：sp＝1.5％，石墨＝95.4％，sbr＝2.5％，cmc＝0.6％。

以2ah容量软包电芯为研究对象，所有物料按照配方所示比例投料；依次经过浆料搅拌，涂布，冷压极片，烘烤，分条，电芯卷绕，x-ray检查，裸电芯整形，绝缘测试1，阴/正极极耳焊接，绝缘测试2，顶侧封，压角位，真空烘烤，灌注电解液，静置，真空封装，再次静置，烘烤，整形，化成，容量测试完成电芯制作；采用arbin充放电设备进行过充测试。

实验结果：添加了石墨烯的一组电池，由于散热较快，在过充过程中温升较小，电池没达到热失效的温度下，过充时间已经达到1小时，达到过充国家标准(gb/t31485-2015)规定的充电终止soc的要求。没有添加的电池，在电压持续升高的同时，温度急剧增加，到140℃以上，引起电池热失控，最终着火爆炸。(实验组温度及电压随soc百分比变化曲线见附图3中t3及v3；对比组温度及电压随soc百分比变化曲线见附图1中t1及v1)。

实例3

实验组投料按质量的配方为：正极：sp＝1％，ncm＝95％，pvdf＝2％，石墨烯＝1.5％，ks6＝0.5％。负极：sp＝1.5％，石墨＝95.4％，sbr＝2.5％，cmc＝0.6％。

对比组投料配方为：正极：sp＝2.5％，ncm＝95％，pvdf＝2％，ks6＝0.5％。负极：sp＝1.5％，石墨＝95.4％，sbr＝2.5％，cmc＝0.6％。

以2ah容量软包电芯为研究对象，所有物料按照配方所示比例投料；依次经过浆料搅拌，涂布，冷压极片，烘烤，分条，电芯卷绕，x-ray检查，裸电芯整形，绝缘测试1，阴/正极极耳焊接，绝缘测试2，顶侧封，压角位，真空烘烤，灌注电解液，静置，真空封装，再次静置，烘烤，整形，化成，容量测试完成电芯制作；采用arbin充放电设备进行过充测试。(实验组温度及电压随soc百分比变化曲线见附图4中t4及v4；对比组温度及电压随soc百分比变化曲线见附图1中t1及v1)。

实验结果：添加了石墨烯的一组电池，由于散热较快，在过充过程中温升较小，电池没达到热失效的温度下，过充时间已经达到1小时，达到过充国家标准(gb/t31485-2015)规定的充电终止soc的要求。没有添加的电池，在电压持续升高的同时，温度急剧增加，到140℃以上，引起电池热失控，最终着火爆炸。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。