基于高镍三元材料的高比能量高安全性锂离子动力电池的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于锂电池领域，涉及锂离子动力电池，尤其涉及一种基于高镍三元正极 材料的、高比能量高安全性锂离子动力电池。
【背景技术】
[0002] 作为破解能源、环境问题和实现新一轮经济增长的突破口，世界上的主要国家将 新能源汽车产业作为国家战略新兴产业。动力电池是新能源汽车的核心零部件，直接决定 整车的性能。锂离子动力电池具有能量密度高、循环寿命长等特点，已经在电动汽车中得到 规模应用。基于行业内对锂离子电池技术进步的预期，其应用规模将快速增长，在未来10~ 20年内将占据主导地位。
[0003] 目前车用锂离子动力电池产品的能量密度普遍分布在120~180Wh/kg范围内，为 进一步满足纯电动汽车长里程需求，如何提升电池能量密度成为政府和各大公司面临的难 题。根据我国《节能与新能源汽车产业发展规划2012~2020》中有关高比能锂离子电池产品 指标规划，至2015年，单体电池能量密度要求达到200Wh/kg，至2020年，单体电池能量密度 要求达到350Wh/kg。我国前期的车用锂离子动力电池主要采用磷酸铁锂电池，理论克容量 只有170mAh/g，工作电压为3.20V，而LiNi xCoyMn1-X-y〇2三元材料理论克容量可以达到 278mAh/g，工作电压为3.65V，磷酸铁锂电池的能量密度最高仅可以到130Wh/kg，但是三元 材料电池能够做到150Wh/kg以上。以LiNi xCoyMn1-X-y〇2三元材料为例，其实际克容量发挥主 要依赖与材料中Ni含量的多少，如LiNio.5Coo.2Mno.3O2三元材料实际克容量约170mAh/g，而 LiNio.8Coo.iMno.i02高镍三元材料实际克容量则可以达到200mAh/g。然而，随着 LiNixC〇yMm-x-y〇2中镍含量的增加，又会带来多种负效应，如Sun Yang-Kook等报道(Journal of Power Sources，2013,233,121-130)，高镍三元材料的热稳定变得更差，由此将带来电 池的安全性问题。这也限制了高镍三元正极材料在锂离子电池中的应用以及更高能量密度 锂呙子动力电池的开发。
[0004] 而对于汽车用动力源而言，动力电池的安全问题首当其冲。如果能针对高镍材料 在锂离子动力电池所带来的安全问题，找到一种合理的解决方案，这将对于基于高镍三元 材料的高比能量三元锂离子动力电池在电动汽车上的推广应用具有重要的意义。
[0005] 在公开号CN102544436A的中国专利申请中，王宗雄等人公开了正极材料结构及其 制备方法，正极材料结构包括正极活性材料主体以及包覆其上的含骨架含氮高分子聚合物 和纳米导电材料复合膜，通过将纳米导电材料和正极活性材料分别加入含骨架含氮高分子 聚合物单体的反应溶液中反应，得到改质型正极材料，其后通过本领域周知的方法组装制 备出锂离子电池，制备得到的电池具有很好的安全性能。在公开号CN103050706A的中国专 利申请中，朱政首先将氨基氰和三聚氰胺与马来酰亚胺在NMP中高温反应得到含氨基氰改 性的马来酰亚胺添加剂溶液，其后将常规正极浆料制备好后再加入到该溶液，组装制备出 锂离子电池，电池具有很好的安全性能。但以上专利电池制备过程复杂，大大增加了电池的 成本。
[0006] 因此，迫切需要寻找一种兼具高安全性和高比能量的锂离子动力电池。
【发明内容】
[0007] 本发明目的是一种高安全的基于高镍三元材料的高比能量锂离子动力电池，以解 决现有电动汽车对高安全的高比能量锂离子动力电池的需求。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] 一种锂离子动力电池，包括正极极片、负极极片和隔膜，正极极片由正极集流体和 涂覆在正极集流体上的正极材料构成，负极极片由负极集流体和涂覆在负极集流体上的负 极材料构成。正极极片上的正极材料由正极活性物质、导电剂、粘结剂和安全添加剂组成， 其中，所述正极活性物质为高镍三元材料LiNi xCoyMni-X-y〇2,其中0.8 < X < 0.9，y 2 0.05，x+y < 1;优选地，0.8<x<0.9,0.05<y <0.1，x+y < 1;更优选地，0.85<x<0.9,0.05<y< 0.1，x+y < 1;最优选地，0.85<x<0.9,0.05<y<0.1，x+y <0.95。
[0010] 有利地，高镍三元材料LiNixCoyMmtyO 2的D5q为8~15μπι，表面积为0.2~0.6m2/g， 振实密度为2 2.0g/cm3;
[0011] 根据前述的锂离子动力电池，其中，所述安全添加剂为双马来酰亚胺聚合物粉末， 由双马来酰亚胺和巴比妥酸或其衍生物聚合反应而成，数均分子量为100000-500000,优选 地，数均分子量为200000-500000，更优选地，数均分子量为300000-500000。
[0012] 所述双马来酰亚胺的实例包括，但不限于，N，N'_乙烯-双马来酰亚胺、N，N'_丁烯-双马来酰亚胺、N，N'_六亚甲基-双马来酰亚胺、N，N'_苯撑-双马来酰亚胺、N，N'-4,4'_二苯 基甲烷-双马来酰亚胺、N，N'-4,4'_二苯醚-双马来酰亚胺、N，N'-4,4'_二苯砜-双马来酰亚 胺、^-4,4'-二环己基甲烷-双马来酰亚胺、^-苯甲二基-双马来酰亚胺和叱1^-二苯 基环己烷-双马来酰亚胺。所述巴比妥酸或其衍生物如下式所示：
[0013]
[0014] 其中，RjPR2各自独立地为H、&-20烷基或C5-12芳基。当RjPR 2均为H时，即为巴比妥 酸。
[0015] 有利地，聚合物粉末在使用时需要将粉末溶于NMP中形成1-20 %的溶液，使用时， 先将正极活性材料在溶液中分散，其后再加入导电剂、粘结剂制备得到正极浆料。
[0016] 根据前述的锂离子动力电池，其中，所述正极材料的正极活性物质、导电剂、粘结 剂和安全添加剂的重量配比为(88~95):(1~4.5): (3~6) :(0.5~4.5)。优选地，所述正极 材料的正极活性物质、导电剂、粘结剂和安全添加剂的重量配比为(90~95): (1~4.5): (3 ~4):(3~4.5)〇
[0017] 根据前述的锂离子动力电池，其中，所述负极极片上的负极材料由负极活性物质、 导电剂、粘结剂组成。
[0018] 根据前述的锂离子动力电池，其中，所述负极材料的负极活性物质、导电剂、粘结 剂的重量配比为(90~96):(0.5~2):(3.5~8)。优选地，所述负极材料的负极活性物质、导 电剂、粘结剂的重量配比为(93~96) :(0.5~2) :(3.5~5)。
[0019]根据前述的锂离子动力电池，其中，所述负极活性物质为人造石墨。
[0020] 有利地，人造石墨为高容量人造石墨，D5q为15_25μπι，表面积为2~5m 2/g，振实密度 为0·8~1·2g/cm3〇
[0021] 根据前述的锂离子动力电池，其中，所述正极或负极材料的导电剂相同或不同，选 自导电炭黑、导电石墨、VGCF、CNT、石墨稀中的一种或几种的组合。
[0022] 根据前述的锂离子动力电池，其中，所述正极或负极材料的粘结剂为PVDF。
[0023] 根据前述的锂离子动力电池，其中，所述隔膜为耐高温陶瓷隔膜。
[0024]根据前述的锂离子动力电池，其中，所述耐高温陶瓷隔膜为10~25μπι PE或PP基膜 上涂覆一面或两面的2~5μηι氧化错涂层。
[0025] 与现有技术相比，本发明由于采用高镍三元材料LiNixCoyMni-X-y〇2(0.8 < X < 0.9，y 2 0.05，x+y < I)作为正极活性材料，所制备的锂离子动力电池的克容量达到200mAh/g，电 池能量密度大于200Wh/kg。同时通过安全添加剂的引入和使用耐高温的陶瓷隔膜，在制备 得到高能量密度的锂离子动力电池的同时保证了电池的安全性。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步的描述
[0027] 在本发明中，若非特指，所有百分比均为重量单位，所有设备和原料均可从市场购 得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
[0028] 实施例1
[0029] 双马来酰亚胺聚合物粉末的合成:将N，N'_六亚甲基-双马来酰亚胺与巴比妥酸按 照摩尔比1:1反应，经离心、洗涤、干燥工序后，得到上述双马来酰亚胺聚合物粉末。
[0030] 制作正、负极极片:将0.5%的数均分子量为100000的双马来酰亚胺聚合物安全添 加剂溶于NMP，形成含安全添加剂为1 % NMP溶液，再将8 8 %的高镍三元材料 1^附〇.8(：〇().道11().1〇2均匀分散于匪?溶液中，其后，加入4%的导电剂(2%导电炭黑+2%导电 石墨）、6%的PVDF粘结剂搅拌分散均匀制备得到正极浆料，将正极浆料涂覆于正极集流体 上后将经干燥、辊压、裁切得到正极极片；将90%的人造石墨、2%的导电剂（1 %导电炭黑+ 1%导电石墨）、8%的PVDF粘结剂均匀分散于匪P中得到负极浆料，将负极浆料涂覆于负极 集流体上后将经干燥、辊压、裁切得到负极极片；
[0031] 电芯组装：按负极极片、耐高温陶瓷隔膜、正极极片依次叠放制成电芯，电芯两侧 最外层为负极极片;其后，经焊接、热封得到单侧开口的包装电芯；
[0032] 注液与化成:将电解液从开口的一侧注入包装电芯中，再进行抽真空封口；将电池 进行搁置、预充、二封、化成、分容后，得到容量为22Ah的锂离子动力电池。
[0033] 实施例2
[0034]制作正、负极极片:将4.5 %的数均分子量为500000的双马来酰亚胺聚合物安全添 加剂溶于匪P，形成含安全添加剂为20 % NMP溶液，再将95