一种高容量锂离子电池及其制造工艺的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种高容量锂离子电池及其制造工艺，涉及一种锂离子电池。该工艺包括：正极片、负极片、电解液的制备，及其化成方法，其中正极片和负极片分别由正、负极集流体和涂覆于正、负极集流体上的活性物质组成。正、负电池片均采用干法高速搅拌制备，化成方法采用阶梯电流进行化成。此工艺制造的锂离子电池具有高电压、高能量密度，且有优越的循环性能。
【专利说明】一种高容量锂离子电池及其制造工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及锂离子电池制造【技术领域】，具体来说是一种为智能手机、超级本、平板电脑等数码产品提供能源的高容量锂离子电池及其制造工艺。
【背景技术】
[0002]锂离子电池是自上世纪90年代以来的新一代二次电池，具有能量密度大、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、自放电小、工作温度范围宽等优点，在移动通讯、移动电脑、电动汽车、航空航天、生物医学工程等各个领域得到了广泛的应用，是高新技术的关键产品之一。近年来，各种电子产品逐渐向小型化、智能化和多功能化发展，如智能手机、超级本、平板电脑等，这就对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。
[0003]锂离子电池以钴酸锂(LiCo02)、三元材料(LiNixCoyMnz02)、锰酸锂(LiMn204)、磷酸铁锂(LiFePO4)为主要的正极材料；其中钴酸锂(LiCoO2)的能量密度最高，理论克比容量可达到270mAh/g，但目前钴酸锂克比容量只能做到140 mAh/g?150mAh/g之间，最高电压也只能充到4.2V，而且在制作电池时搅拌工艺繁锁复杂，先要进行打胶，然后再进行导电剂充分分散，最后再加入主材料高速搅拌十几小时后才能完成衆料的制作。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种高容量锂离子电池及其制造工艺，其主要目的在于克服现有锂电池克比容量只能做到140150mAh/g、充电电压不高、且制作工艺繁琐等缺陷。
[0005]本发明采用如下技术方案:
一种高容量锂离子电池，包括正极片、负极片和电解液，正极片包括正极浆料及正极金属集流体，正极浆料由以下物质按重量百分比制成:正极材料95?98%、导电剂I?5%、粘结剂I?4%，其中，正极材料采用表面经过Co (OH)2包覆过的LiCoO2,该正极材料的粒度分布为 DlO:3 ?7um, D50:9 ?18um, D90: 16 ?30um。
[0006]正极浆料的导电剂选自乙炔黑、VGCF, SP、磷片石墨中的至少两种混合，粘结剂选自分子量大于一百万以上的聚偏氟乙烯，金属集流体选自厚度为10?ISum的铝箔。
[0007]负极片包括:负极浆料及负极金属集流体，负极浆料由以下物质按重量百分比制成:负极材料90?97%、导电剂O?4%、粘结剂2?8%，其中，负极材料采用以硅粉颗粒为基体，表面包覆碳纳米管的硅碳合金复合材料。
[0008]负极浆料的导电剂选自乙炔黑、VGCF、SP、磷片石墨中的一种，粘结剂选用丁笨橡胶(SBR)和羧甲基纤维素钠(CMC)的混合物,金属集流体选自厚度为5?9um的铜箔。
[0009]上述电解液选用电解液含有I摩尔/升的六氟磷酸锂、质量比为碳酸乙烯酯(EC):碳酸二甲酯(DMC):碳酸甲乙酯(EMC)=I:1:1的三种混合液以及含量0.5?6%的环己基苯(CHB) ο
[0010]上述高容量锂离子电池的制造工艺，包括以下步骤:(1)采用干法高速搅拌制备正极片；(2)采用干法高速搅拌制备负极片；(3)按负极片、隔膜、正极片的方式进行卷绕，用铝塑复合膜封装得电芯；(4)将电芯真空烘烤后，注入电解液，封口 ；(5)采用阶梯电流化成方法对步骤(4)的电芯进行化成。
[0011]其中，上述正极片的制备包括如下步骤:
1)、将正极材料、导电剂和粘结剂加入到行星搅拌机中，高速搅拌60?120min，得正极粉体；
2)、按固液质量比正极粉:有机溶剂=3:1称取有机溶剂，有机溶剂总质量的40?60%加入正极粉体中，真空高速搅拌100?180min，搅拌温度控制在30?60°C，得正极膏体；
3)、将有机溶剂总质量的20?30%加入正极膏体中，搅拌温度控制在25?35°C，真空高速搅拌60?IOOmin ；
4)、将剩余的有机溶剂分次加入到正极膏体中调节粘度，过筛得到正极浆料；
5)、将过筛的正极浆料涂覆于正极金属集流体的正反两面，烘干、辊压，得高容量锂离子电池正极片。
[0012]上述正极片的压实密度为4.0?4.3g/cm3。
[0013]上述负极片的制备包括如下步骤:
1)、将负极材料、导电剂和CMC加入到行星搅拌机中，高速搅拌60?120min，得负极粉
体；
2)、按固液比负极粉体:去离子水=1:1?1.2称取去离子水，并将去离子水总质量的40?60%加入到步骤I)的负极粉体中，真空高速搅拌100?180min，搅拌温度控制30?50°C，得负极膏体；
3)、将去离子水总质量的20?30%加入到负极膏体中，搅拌温度控制在25?35°C，真空高速搅拌60?IOOmin ；
4)、将SBR加入到步骤3)中，搅拌温度控制在25?35°C，真空高速搅拌30?IOOmin；
5)、将剩余的去离子水分次加入到步骤4)中，调节粘度，过筛得到负极浆料；
6)、将过筛的负极浆料涂覆于负极金属集流体的正反两面，烘干、辊压，得高容量锂离子电池负极片。
[0014]上述负极片的压实密度为1.5?2.0g/cm3。
[0015]上述隔膜选用厚度为12?16um的PE微孔隔膜。
[0016]上述的阶梯电流化成方法包括如下步骤:
1)用0.2mA/cm2的电流充电至2.0V,或30?60min截止；
2)用0.5mA/cm2的电流充电至2.5V，或120?180min截止；
3)再用ImA/cm2的电流充电至3.1V,或120?180min截止；
4)最后用3mA/cm2的电流充电至4.4V,恒压充电截止电流为ImA/cm2或60min截止。
[0017]由上述对本发明的描述可知，本发明的优点在于:
1、本发明的锂离子电池，具有能量密度高、优越的加工性能及高电压循环性能。
[0018]2、本发明通过先用材料粒度分布宽，可以使材料粒子之间堆积紧密，使电池极片压实密度大。
[0019]3、本发明通过将粉体材料预先搅拌，再捏合，最后分散的方法，可以使不同密度材料组分混合更均匀，效率更高。
[0020]4、本发明阶梯电流化成方法使极片表面形成结构稳定、致密的SEI膜。[0021]5、本发明工艺简单、易控制和操作，稳定性好，容易实现工业化规模生产。
【专利附图】
【附图说明】
图1是本发明实施例1锂电池4.4?3.0V的充放电曲线图；
图2是本发明实施例1锂电池4.4V?3.0V的循环性能曲线图。
【具体实施方式】
[0022]实施例1
1、按以下步骤进行正极浆料制备
按质量分数比称取以下固体原料:94.5%钴酸锂、2%SP、1%VGCF、2.5%Solef5130,再称取质量分数为以上各固体原料质量总和的1/3的有机溶剂NMP ;并将各固体原料放入到120°C真空烘箱中干燥4小时，真空为-0.1 MPa ;再将钴酸锂、SP、VGCF和Solef5130加入到行星搅拌机搅拌罐中，高速搅拌60min ;接着加入60%的有机溶剂NMP，真空高速搅拌120min，搅拌温度为45度；再加入30%有机溶剂NMP，真空高速搅拌60min，搅拌温度为30度；最后将剩余10%有机溶剂NMP，进行浆料粘度调节，粘度范围为5000?8000厘帕。
[0023]2、按以下步骤进行负极浆料制备
按质量分数比称取以下固体原料:94.5%硅碳合金材料、1%SP、1.5%CMC、2.5%SBR，再按固液比为1: 1.05称取蒸馏水；将硅碳合金材料、SP、CMC、SBR加入星行搅拌机中，高速搅拌50min ;接着加入60%的去离子水，真空高速搅拌120min，搅拌温度为45°C;再加入30%去离子水，真空高速搅拌60min，搅拌温度为30°C，最后加入SBR，真空高速搅拌60min，搅拌温度为30°C，将剩余10%去离子水，进行浆料粘度调节，粘度范围为2000?5000厘帕。
[0024]3、制片包装
将制备好的正、负极浆料，采用转移式涂布机分别涂在铝箔和铜箔的正反两面上，经烘干后进行辊压，压实密度分别为:正极4.2 g/cm3，负极1.7 g/cm3。
[0025]将上述各例制造的极片，按厚度4.5mm、宽度34mm、长度50mm电池工艺要求裁切成所需的长度和宽度，然后按负极片、隔膜、正极片的方式进行卷绕，用铝塑复合膜封装，留一边开口，得电芯。
[0026]4、烘烤注液
将电芯经85度真空烘烤后，注入含有I摩尔/升的六氟磷酸锂、质量比为碳酸乙烯酯(EC):碳酸二甲酯(DMC):碳酸甲乙酯(EMC)=I:1:1的三种混合物和含量2%的环己基苯(CHB)电解液，封口。其中，六氟磷酸锂、三种混合液及环己基苯的比例为任意比。
[0027]5、按以下方式进行化成:
1)用0.2mA/cm2的电流充电至2.0V,或30?60min截止；
2)用0.5mA/cm2的电流充电至2.5V，或120?180min截止；
3)再用ImA/cm2的电流充电至3.1V,或120?180min截止；
4)最后用3mA/cm2的电流充电至4.4V,恒压充电截止电流为ImA/cm2或60min截止。
[0028]化成完后，电池进行真空抽气封口。
[0029]本发明实施例锂电池4.4?3.0V的充放电曲线，参照图1，在图1中,横坐标为克比容量(mAh/g)，纵坐标为电压(mV)，曲线a为放电曲线，b为充电曲线。[0030]本发明实施例锂电池4.4V~3.0V的循环性能曲线，参照图2，在图2中，横坐标为循环周数(周)，纵坐标为放电百分比(％)。
[0031]实施例2
本实施例制备组装电池的步骤和工序与实施例1相同，不同的是正极按质量比为:95%钴酸锂、2%SP、l%VGCF、2%Solef5130，负极按质量比为:95%硅碳合金材料、1%SP、1.3%CMC、
2.2%SBR,电解液添加剂环己基苯(CHB)加量为3%。
[0032]下表为实施例1与实施例2电池级片的压实密度。
【权利要求】
1.一种高容量锂离子电池，包括正极片、负极片和电解液，所述正极片包括正极浆料及正极金属集流体，负极片包括负极浆料及负极金属集流体，其特征在于:所述正极浆料由以下物质按重量百分比制成:正极材料95~98%、导电剂I~5%、粘结剂I~4%，其中，正极材料采用表面经过Co(OH)2包覆过的LiCoO2，该正极材料的粒度分布为DlO:3~7um，D50:9~18um, D90:16~30um ;所述负极衆料由以下物质按重量百分比制成:负极材料90~97%、导电剂O~4%、粘结剂2~8%，其中，负极材料采用以硅粉颗粒为基体，表面包覆碳纳米管的硅碳合金复合材料；所述电解液包括I摩尔/升的六氟磷酸锂、质量比为碳酸乙烯酯:碳酸二甲酯:碳酸甲乙酯=1:1:1的三种混合物以及含量0.5~6%的环己基苯。
2.如权利要求1所述的一种高容量锂离子电池，其特征在于:所述正极浆料的导电剂选自乙炔黑、VGCF, SP、磷片石墨中的至少两种混合，粘结剂选自分子量大于一百万以上的聚偏氟乙烯，金属集流体选自厚度为10~18um的招箔；所述负极衆料的导电剂选自乙炔黑、VGCF、SP、磷片石墨中的一种，粘结剂选用丁笨橡胶(SBR)和羧甲基纤维素钠(CMC)的混合物，金属集流体选自厚度为5~9um的铜箔。
3.如权利要求1或2所述的一种高容量锂离子电池的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤:(I)采用干法高速搅拌制备正极片；(2)采用干法高速搅拌制备负极片；(3)按负极片、隔膜、正极片的方式进行卷绕，用铝塑复合膜封装得电芯；(4)将电芯真空烘烤后，注入电解液，封口 ；(5)采用阶梯电流化成方法对步骤(4)的电芯进行化成。
4.如权利要求3所述的一种高容量锂离子电池的制造工艺，其特征在于:所述正极片的制备包括如下步骤: 1)、将正极材料 、导电剂和粘结剂加入到行星搅拌机中，高速搅拌60~120min，得正极粉体； 2)、按固液质量比正极粉:有机溶剂=3:1称取有机溶剂，有机溶剂总质量的40~60%加入正极粉体中，真空高速搅拌100~180min，搅拌温度控制在30~60°C，得正极膏体； 3)、将有机溶剂总质量的20~30%加入正极膏体中，搅拌温度控制在25~35°C，真空高速搅拌60~IOOmin ； 4)、将剩余的有机溶剂分次加入到正极膏体中调节粘度，过筛得到正极浆料； 5)、将过筛的正极浆料涂覆于正极金属集流体的正反两面，烘干、辊压，得高容量锂离子电池正极片。
5.如权利要求4所述的一种高容量锂离子电池的制造工艺，其特征在于:步骤5)中正极片辊压的压实密度为4.0~4.3g/cm3。
6.如权利要求3所述的一种高容量锂离子电池的制造工艺，其特征在于:所述负极片的制备包括如下步骤: 1)、将负极材料、导电剂和CMC加入到行星搅拌机中，高速搅拌60~120min，得负极粉体； 2)、按固液比负极粉体:去离子水=1:1~1.2称取去离子水，并将去离子水总质量的40~60%加入到步骤I)的负极粉体中，真空高速搅拌100~180min，搅拌温度控制30~50°C，得负极膏体； 3)、将去离子水总质量的20~30%加入到负极膏体中，搅拌温度控制在25~35°C，真空高速搅拌60~IOOmin ；4)、将SBR加入到步骤3)中，搅拌温度控制在25~35°C，真空高速搅拌30~IOOmin； 5)、将剩余的去离子水分次加入到步骤4)中，调节粘度，过筛得到负极浆料； 6)、将过筛的负极浆料涂覆于负极金属集流体的正反两面，烘干、辊压，得高容量锂离子电池负极片。
7.如权利要求6所述的一种高容量锂离子电池的制造工艺，其特征在于:步骤5)中负极片棍压的压实密度为1.5~2.0g/cm3。
8.如权利要求3所述的一种高容量锂离子电池的制造工艺，其特征在于:所述隔膜选用厚度为12~16um的PE微孔隔膜。
9.如权利要求3所述的一种高容量锂离子电池的制造工艺，其特征在于: 所述的阶梯电流化成方法包括如下步骤: 1)用0.2mA/cm2的电流充电至2.0V,或30~60min截止； 2)用0.5mA/cm2的电流充电至2.5V，或120~180min截止； 3)再用ImA/cm2的电流充电至3.1V,或120~180min截止；4)最后用3mA/cm2的电流充电至4.`4V,恒压充电截止电流为ImA/cm2或60min截止。
【文档编号】H01M4/1393GK103762379SQ201410040515
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】陈端典, 黄昌荣, 陈文明 申请人:泉州劲鑫电子有限公司