低温型锂离子电池的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种低温型锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。本发明采用的技术方案是：低温锂离子电池，包括相互间隔卷绕或层叠的正极片、隔膜和负极片，正极片、隔膜和负极片的间隙间填充电解液，正极片为三层复合结构，结构为中间正极集流体，正极集流体的前后涂覆同样的正极材料，所述正极材料为磷酸铁锂材料、磷酸钒锂材料、磷酸铁锰锂材料、钴酸锂材料、镍钴锰酸锂材料、镍钴铝酸锂材料、锰酸锂材料、镍锰酸锂材料中的至少一种，所述正极集流体为铝箔；负极片为三层复合结构，包括钛酸锂材料层、石墨材料层和负极集流体，钛酸锂材料层和石墨材料层分别涂覆在负极集流体的两面，负极集流体为铜箔。
【专利说明】
低温型锂离子电池
技术领域
[0001]本发明涉及一种低温型锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。
【背景技术】
[0002]随着科技的快速发展和地球环境的不断恶化，人类对绿色能源产品的需求也越来越高。锂离子电池能量密度大，倍率性能和安全性能好，绿色环保，被广泛应用于电子和新能源汽车领域，但锂离子电池低温性能较差，尤其是锂离子电池低温充电性能较差。低温下，锂离子电池电解液电导率低，充电过程中欧姆极化、浓差极化和电化学极化加大，导致金属锂沉积，使得电解液分解，导致电极表面SEI膜增厚，电池充电容量和平台极低，电池在长期的低温环境下充电极大地影响了电池的电化学性能，缩短了电池的使用寿命，甚至严重时，沉积的金属锂刺穿隔膜产生安全隐患。锂离子电池超低温下无法充电，制约了其在特殊环境领域的应用，高能量密度锂离子电池低温充电成为人们急需解决的一个技术难题。
[0003]为了满足锂离子电池能够在低温环境下正常充电，近年来有些尝试使用钛酸锂做为锂离子电池负极材料制备锂离子电池，该类锂离子电池低温充电性能有所提高，但钛酸锂负极锂离子电池能量密度小，价格高，限制了该类电池的推广。若能够在高能量密度锂离子电池充电过程中自身就会产生部分热量，不影响其电化学性能的同时能够改善电池充电自身环境温度，就能够使得高能量密度锂离子电池在低温下得到充分的性能发挥。从而能够解决高能量密度锂离子电池低温环境下的充电难题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种低温型锂离子电池，要解决的技术问题是使得高能量密度锂离子电池能够在低温环境下正常充电。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
低温锂离子电池，包括相互间隔卷绕或层叠的正极片、隔膜和负极片，正极片、隔膜和负极片的间隙间填充电解液，正极片为三层复合结构，结构为中间正极集流体，正极集流体的前后涂覆同样的正极材料，所述正极材料为磷酸铁锂材料、磷酸钒锂材料、磷酸铁锰锂材料、钴酸锂材料、镍钴锰酸锂材料、镍钴铝酸锂材料、锰酸锂材料、镍锰酸锂材料中的至少一种，所述正极集流体为铝箔；
负极片为三层复合结构，包括钛酸锂材料层、石墨材料层和负极集流体，钛酸锂材料层和石墨材料层分别涂覆在负极集流体的两面，负极集流体为铜箔。
[0006]作为优选，电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)中的一种或几种，电解质盐为六氟磷酸锂(LiPF6),添加剂包括碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、碳酸亚乙酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、氟表面活性剂(FS3100)中的一种或几种。
[0007]作为优选，正极片的正极材料为磷酸铁锂(LiFePO4),磷酸铁锂正极材料均匀涂覆在正极集流体层的两面，隔膜为20μπι厚PP隔膜，电解液的溶剂为碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)按30:30:40质量比混合组成，电解质盐为六氟磷酸锂(LiPF6)，电解质盐在电解液中的浓度为12.0%，添加剂为碳酸亚乙酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)和氟表面活性剂(FS3100)，碳酸亚乙酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)和氟表面活性剂(FS3100)的添加比例分别为2%、2%和0.1%。
[0008]作为优选，正极片的正极材料为镍钴锰酸锂(LiN1.5Co0.2Mn0.3O2)，镍钴锰酸锂均匀涂覆在铝箔集流体层的两面，电解液中的溶剂为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)按45:30:25质量比混合组成，电解质盐为六氟磷酸锂(LiPF6)在电解液中的浓度为11.5%，添加剂为碳酸亚乙酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)和氟表面活性剂(FS3100)，碳酸亚乙酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)和氟表面活性剂(FS3100)在电解液中的添加量分别为 2%、2%和 0.1%。
[0009]本发明的优点与效果是:
1.本发明锂离子电池在单体电芯中把钛酸锂和石墨分别涂覆在负极集流体的两面，无需制备钛酸锂正极片和石墨正极片，简化了锂离子电池结构，直接可以采用现有设备进行制作，提高了设备适用性。
[0010]2.本发明锂离子电池用单体电芯中把钛酸锂和石墨分别涂覆在负极集流体的两面，锂离子电池在充电时，首先在低电压阶段，较低电压钛酸锂负极锂离子电池发挥作用，并在充电时产生一定的热量，使得电池内部温度升高，随着电池电压和内部温度的升高，较高电压石墨负极锂离子电池开始发挥作用。这样，既不会过多降低锂离子电池能量密度，又使得锂离子电池能够在低温下正常充电。
[0011]3.本发明锂离子电池用单体电芯中把钛酸锂和石墨分别涂覆在负极集流体的两面，两种负极材料电压互补，避免了锂离子电池使用时产生过放，提高了电池的安全性能和使用寿命。
[0012]4.本发明锂离子电池管理系统设计为在充电前首先进行单体电芯放电，电芯在放电过程中产生一定的热量，有助于锂离子电池内部温度的提升，提高了电池低温环境下的充电性能。
【附图说明】
[0013]图1为实施例1中的90140200-20Ah-3.2V软包锂离子电池结构示意图，
图2为实施例1中的90140200-20Ah-3.2V软包锂离子电池单体电芯剖面放大结构示意图；
图3为实施例1中90140200-20Ah-3.2V软包锂离子单体电池电芯在-20 °C环境下的充放电曲线图。
[0014]图4为实施例2中18650-2000mAh-3.6V圆柱锂离子电池示意图，
图5为实施例2中18650-2000mAh-3.6V圆柱锂离子电池单体电芯剖面结构放大示意图； 图6为实施例2中18650-2000mAh-3.6V圆柱锂离子电池单体电芯在-20 °C环境下的充放电曲线图。
[0015]附图标记:1-1、磷酸铁锂正极涂层；1-2、正极集流体；1-3、钛酸锂负极涂层；1-4、石墨负极涂层；1-5、负极集流体；1_6、PP隔膜；1-7、铝塑膜;3-1镍钴锰酸锂正极涂层;3-2、正极集流体;3-3、钛酸锂负极涂层;3-4、石墨负极涂层;3-5、负极集流体;3-6、PP隔膜;3-7、 钢壳。
【具体实施方式】
[0016]本发明采用以下技术方案:本发明锂离子电池单体电芯包括正极片、负极片、隔膜和电解液。所述正极片、负极片和隔膜相互间隔卷绕或层叠设计，所述隔膜设计在正极片和负极片之间。所述正极片为三层复合结构，正极片包括正极材料层和集流体层，正极材料层为磷酸铁锂材料、磷酸钒锂材料、磷酸铁锰锂材料、钴酸锂材料、镍钴锰酸锂材料、镍钴铝酸锂材料、锰酸锂材料、镍锰酸锂材料中的一种或几种，正极集流体层为铝箔，正极材料均匀涂覆在集流体层的两面与集流体形成三层符合结构。所述负极片为三层复合结构，负极片包括钛酸锂材料层、石墨材料层和负极集流体层，负极集流体为铜箔，钛酸锂材料层和石墨材料层分别涂覆在负极集流体的两面形成三层符合结构。隔膜为PP隔膜、PE隔膜、PP/PE复合隔膜，可以根据实际电池类型选择不同材质和厚度的隔膜。所述电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)等组分组成，电解质盐为六氟磷酸锂(LiPF6),添加剂由碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、碳酸亚乙酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、氟表面活性剂(FS3100)等组分组成。锂离子电池管理系统设计在充电前首对锂离子电池进行放电，到达放电终止电压后进行锂离子电池的充电。
[0017]实施例1
90140200-20Ah-3.2V软包锂离子电池单体电芯剖面图如图2所示，正极片为三层复合结构，包括磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料层和铝箔集流体层，磷酸铁锂正极材料均匀涂覆在铝箔集流体层的两面。90140200-20Ah-3.2V软包锂离子电池单体电芯负极片为三层复合结构，包括钛酸锂(Li2T13)材料层、石墨(C)材料层和负极铜箔集流体层，钛酸锂材料层和石墨材料层分别涂覆在负极铜箔集流体的两面。隔膜为20μπι厚PP隔膜，电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，溶剂为碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)按30:30:40质量比组成，电解质盐为六氟磷酸锂(LiPF6)，电解质盐浓度为12.0%，添加剂为碳酸亚乙酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)和氟表面活性剂(FS3100)，添加量分别为2%、2%和0.1%。
[0018]对该发明低温型90140200-20Ah-3.2V软包锂离子电池单体电芯进行测试，首先将90140200-20Ah-3.2V软包锂离子电池单体电芯放电到1.0￥后放置在-20°(:温度环境下静置12h，然后在-20°C温度环境下进行恒流恒压充电，充电电流为10A，截止电压为3.65V，截止电流为0.4A，最后在-20 °C环境下进行恒流放电，放电电流为1A，截止电压为1.0V。990140200-20Ah-3.2V软包锂离子电池单体电芯低温充放电曲线如图3所示。从90140200-20Ah-3.2V软包锂离子电池单体电芯低温充放电测试曲线可以看出电芯具有良好的低温充放电性能。
[0019]该锂离子单体电芯在充电时，锂离子电池管理系统首先对其进行放电，放电过程中电芯产生一定的热量，有助于锂离子电池低温环境下充电。
[0020]实施例2
18650-2000mAh-3.6V圆柱锂离子电池单体电芯剖面图如图5所示，正极片为三层复合结构，包括镍钴猛酸锂(LiNiQ.5CoQ.2Mn().302)正极材料层和招箔集流体层，镍钴猛酸锂三元正极材料均匀涂覆在铝箔集流体层的两面。18650-2000mAh-3.6V圆柱锂离子电池单体电芯负极片为三层复合结构，包括钛酸锂(Li2T13)材料层、石墨(C)材料层和负极铜箔集流体层，钛酸锂材料层和石墨材料层分别涂覆在负极铜箔集流体的两面。隔膜为20μπι厚PP隔膜，电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，溶剂为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)按45: 30: 25质量比组成，电解质盐为六氟磷酸锂(LiPF6)，电解质盐浓度为
11.5%，添加剂为碳酸亚乙酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)和氟表面活性剂(FS3100)，添加量分别为2%、2%和0.1%。
[0021]对该发明低温型18650-2000mAh-3.6V圆柱锂离子电池单体电芯进行测试，首先将18650-2000mAh-3.6V圆柱锂离子电池单体电芯放电到1.0￥后放置在-20°(:温度环境下静置12h，然后在-20°C温度环境下进行恒流恒压充电，充电电流为1000mA，截止电压为4.2V，截止电流为40mA，最后在-20°C环境下进行恒流放电，放电电流为1000mA，截止电压为1.5V。18650-2000mAh-3.6V圆柱锂离子电池单体电芯低温充放电曲线如图6所示。从电芯低温充放电测试曲线可以看出电芯具有良好的低温充放电性能。
[0022]该锂离子单体电芯在充电时，锂离子电池管理系统首先对其进行放电后充电，放电过程中电芯产生一定的热量，有助于锂离子电池低温环境下充电。
【主权项】
1.一种低温锂离子电池，包括相互间隔卷绕或层叠的正极片、隔膜和负极片，正极片、隔膜和负极片的间隙间填充电解液，其特征是， 正极片为三层复合结构，结构为中间正极集流体，正极集流体的前后涂覆同样的正极材料，所述正极材料为磷酸铁锂材料、磷酸钒锂材料、磷酸铁锰锂材料、钴酸锂材料、镍钴锰酸锂材料、镍钴铝酸锂材料、锰酸锂材料、镍锰酸锂材料中的至少一种，所述正极集流体为铝箔； 负极片为三层复合结构，包括钛酸锂材料层、石墨材料层和负极集流体，钛酸锂材料层和石墨材料层分别涂覆在负极集流体的两面，负极集流体为铜箔。2.根据权利要求1所述的低温锂离子电池，其特征是，电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯中的一种或几种，电解质盐为六氟磷酸锂，添加剂包括碳酸乙烯亚乙酯、碳酸亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、氟表面活性剂中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的低温锂离子电池，其特征是，正极片的正极材料为磷酸铁锂，磷酸铁锂正极材料均匀涂覆在正极集流体层的两面，隔膜为20μπι厚PP隔膜，电解液的溶剂为碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯按30:30:40质量比混合组成，电解质盐为六氟磷酸锂，电解质盐在电解液中的浓度为12.0%，添加剂为碳酸亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯和氟表面活性剂，碳酸亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯和氟表面活性剂的添加比例分别为2%、2%和0.1%。4.根据权利要求2所述的低温锂离子电池，其特征是，正极片的正极材料为镍钴锰酸锂，镍钴锰酸锂均匀涂覆在铝箔集流体层的两面，电解液中的溶剂为碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯按45:30:25质量比混合组成，电解质盐为六氟磷酸锂在电解液中的浓度为.11.5%，添加剂为碳酸亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯和氟表面活性剂，碳酸亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯和氟表面活性剂在电解液中的添加量分别为2%、2%和0.1%。
【文档编号】H01M10/0525GK106025361SQ201610364127
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】张敬捧, 王勇, 李涛, 关成善, 宗继月
【申请人】山东精工电子科技有限公司