锂电池及其负极片、CNT-Cu复合材料作为负极集流体的应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于锂离子电池领域，更具体地说，本发明涉及一种可快速充电的锂离子 电池及其负极片。
【背景技术】
[0002] 目前，锂离子电池已经广泛地应用于智能电子产品、移动电源、电动汽车和大型储 能等领域。但是，随着技术的不断进步，这些产品对锂离子电池的能量密度和快速充电等性 能指标的要求也越来越严格；其中，智能电子产品对电池充电速度的要求更是已成为小型 软包锂离子电池的一个严峻挑战。
[0003] 有鉴于此，确有必要提供一种可快速充电的锂离子电池及其负极片。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于：提供一种可快速充电的锂离子电池及其负极片，以满足智能 电子产品对电池充电速度的要求。
[0005] 为了实现上述发明目的，发明人经过潜心研究，发现锂离子电池不能快速充电的 原因主要在于其自身内阻太高而导致的极化过大，这使得电池电压会在充电瞬间迅速升高 并很快达到截至电压而使电池的充入电量变小。由于锂离子电池的内阻主要来自负极片、 正极片、隔膜和电解液中离子和电子的阻抗，因此可以通过提高电池主要材料的离子和电 子传导能力来提高电池的充电速度。
[0006] 根据以上理论，本发明提供了一种锂离子电池负极片，其包括负极集流体和涂覆 在负极集流体上的负极活性物质涂层；所述负极集流体为CNT-Cu复合材料，其中的碳纳米 管沿集流体平面方向排布而形成水平配向的构造体，铜覆盖在碳纳米管构造体表面而形成 岛状结构。
[0007] 由于上述CNT-Cu复合材料具有极高的载流量，因此其在大倍率充电时温升较小， 而且自身内阻几乎不随温度变化，所以这种集流体可以明显降低电池大倍率充电过程中的 极化，满足锂离子电池高倍率充放电能力；同时，上述CNT-Cu复合材料中的碳纳米管增加 了集流体与活性物质的接触，进而提高了集流体与活性物质的电子交换能力，因此能够有 效降低负极膜片的电阻，明显增加电池中的电子传导能力而极大降低电池的物理阻抗，这 有效地降低了电池充电时由于极化导致的电压急速增加，达到了提高电池充电窗口、改善 电池倍率性能的目的。
[0008] 作为本发明锂离子电池负极片的一种改进，所述CNT-Cu复合材料是在含有Cu 离子的水或有机溶剂中采用l_5mA/cm2的电流密度对CNT进行电镀处理而制成的。选择 l-5mA/cm2的电流密度是因为电流密度会影响Cu岛的尺寸及分布均匀性，进而影响电流在 集流体上的分布；电流密度越大，形成的Cu岛尺寸越大，因此电镀时需要选择合适大小的 电流密度。
[0009] 作为本发明锂离子电池负极片的一种改进，所述铜电镀在CNT构造体的表面和内 部，铜不仅分布在CNT构造体表面而形成岛状结构，还至少部分存在于碳纳米管之间形成 的孔隙中。其中，CNT在集流体中相当于电流的载体和通道，而Cu主要负责将载体上的电 子传递给表面的负极活性物质，因此主要是表面镀的铜对电子传导起作用，而且Cu的岛状 结构增加了其与活性物质的接触点，更加有利于电子的传导。
[0010] 作为本发明锂离子电池负极片的一种改进，所述负极活性物质涂层以颗粒粒径 D50为8-22 μ m的碳质材料作为负极活性物质。这是因为小颗粒材料可以增加活性材料的 比表面积，增加其与CNT-Cu复合材料所形成的岛状集流体的接触面积，进而有利于电子的 传导和离子的通过，达到降低充电极化和电压增长的目的。
[0011] 作为本发明锂离子电池负极片的一种改进，所述负极活性物质涂层中含有负极活 性物质、负极导电剂和负极粘结剂。
[0012] 作为本发明锂离子电池负极片的一种改进，所述负极活性物质的面密度为 5- 30mg/cm3。
[0013] 作为本发明锂离子电池负极片的一种改进，所述负极活性物质为人造石墨、天然 石墨、LT0、中间相碳微球中的一种或几种的混合物。
[0014] 作为本发明锂离子电池负极片的一种改进，所述负极导电剂为导电石墨、导电炭 黑、碳纤维、碳纳米管中的一种或两种的混合物。
[0015] 作为本发明锂离子电池负极片的一种改进，所述负极粘结剂为丁苯橡胶、聚偏二 氯乙烯、羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯中的一种或者两种的混合物。
[0016] 作为本发明锂离子电池负极片的一种改进，所述负极活性物质、负极导电剂和 负极粘结剂在负极活性物质涂层中所占的质量百分比分别为88% -98 %、1 % -8 %和 om
[0017] 作为本发明锂离子电池负极片的一种改进，所述负极导电剂和负极粘结剂的质量 比值为0.8-2. O。
[0018] 为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种锂离子电池，其包括正极片、负极 片、电解液以及间隔于相邻正极片和负极片之间的隔膜，所述负极片为上述任一段落所述 的锂离子电池负极片。
[0019] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极片包括正极集流体和涂覆在正极集 流体上的正极活性活性物质涂层。
[0020] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极活性物质涂层中含有正极活性物 质、正极导电剂和正极粘结剂。
[0021] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极活性物质为LCO、NCM或两者的混合 物。
[0022] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极活性物质物质的颗粒粒径D50为 6- 20 μ m〇
[0023] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极导电剂为导电石墨、导电炭黑、碳纤 维、碳纳米管中的一种或两种的混合物。
[0024] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极粘结剂为丁苯橡胶、聚偏二氯乙烯、 羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯中的一种或者两种的混合物。
[0025] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极活性物质、正极导电剂和正极粘结 剂在正极活性物质涂层中所占的质量百分比分别为88% -98%、1% -8%和0. 5% -8%。
[0026] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述正极导电剂和正极粘结剂的质量比值为 1. 0~2, 0〇
[0027] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述隔膜为聚乙烯单层高分子隔膜或者聚乙 烯（PE)与聚丙烯（PP)所组成的PP/PE/PP三层复合隔膜。
[0028] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述隔膜的孔隙率为25-50 %，厚度为 7-30 μ m〇
[0029] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述电解液的溶剂包括线性酯和环状酯。
[0030] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述线性酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳 酸甲乙酯中一种或多种。
[0031] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述环状酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯中的 一种或两种。
[0032] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述线性酯与环状脂的质量比例为0. 8-2. 0。
[0033] 作为本发明锂离子电池的一种改进，所述电解液的溶剂为LiPF6、LiAsF 6等。
[0034] 与现有技术相比，本发明锂离子电池至少具有以下的优点：
[0035] 1)具有优异的快充性能，可以在3min的时间内充入60%的电量；
[0036] 2)具有优异的充电能力，在25°C、10C条件下充电不析锂。
[0037] 因此，本发明有效地解决了目前小型锂离子电池高倍率充电慢的缺陷，能够充分 满足智能电子产品、移动电源等小型储能设备对电池充电速度的要求。
[0038] 为了实现上述发明目的，本发明还提供了 CNT-Cu复合材料作为锂离子电池负极 集流体的应用。
[0039] 作为本发明CNT-Cu复合材料作为锂离子电池负极集流体的应用的一种改进，所 述CNT-Cu复合材料中的碳纳米管纵向分布在一个水平面上而形成水平配向的CNT构造体； 铜则覆盖在碳纳米管构造体表面而形成岛状结构。
[0040] 作为本发明CNT-Cu复合材料作为锂离子电池负极集流体的应用的一种改进，所 述CNT-Cu复合材料中的Cu还至少部分存在于碳纳米管之间形成的孔隙中。
【附图说明】
[0041] 下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明锂离子电池、负极片及其有益效果进行 详细说明。
[0042] 图1为水平配向的CNT构造体。
[0043] 图2为实施例1制得的岛状结构的Cu-CNT复合集流体的微观结构图。
[0044] 图3为对比例1和实施例1所制得的锂离子电池的15C充电曲线对比图。
[0045] 图4为对比例1和实施例1所制得的锂离子电池在50°C、3C/1C充放电条件下的 循环寿命曲线图。
[0046] 图5为对比例1和实施例1所制得的锂离子电池的电导率-温度关系图。
【具体实施方式】
[0047] 为了使本发明的发明目的、技术方案和技术效果更加清晰，以下结合附图和实施 例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅是为了解释 本发明，并非为了限定本发明。
[0048] 对比例1
[0049] 负极片的制备：将天然石墨、导电炭黑、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠按质量比 90:5:4:1混合成浆料，通过挤压均匀涂覆在Cu集流体上，负极活性物质的面密度为IOmg/ cm3，经过干燥、冷压、分条、裁片等得到负极片。
[0050] 正极片的制备：将LC0、导电炭黑、聚偏二氯乙烯按质量比90:5:5混合成楽料，通 过转移或者挤压方式均匀涂覆在铝集流体上，正极活性材料的面密度为20mg/cm3,经过干 燥、冷压、分条、裁片等得到正极片。
[0051] 隔膜的制备：以孔隙率为40%、厚度为12μπι的PE