本发明涉及一种高安全性聚合物锂离子电池正极浆料及其制备方法和锂离子电池,属于锂离子电池领域。
背景技术:
:
随着消费类电子产品的更新换代以及动力交通工具的快速发展,储能设备正在朝着更高能量密度、更长的使用寿命、更高的安全性方向发展。在所有二次电池中,锂离子电池具备比能量高、高比功率、长循环寿命和高温性能好等特点,已经在各种领域得到了广泛应用。
二次锂离子电池经过了近25年的发展,能量密度已经可以做到700wh/l甚至更高,但是受到材料本身性质以及工艺方法的限制。当锂离子电池能量密度提高后,它的倍率新能、循环寿命、高温性能以及安全性等性能受到了不同程度的抑制。就目前技术来说,钴酸锂是公认的能量密度最高的正极材料,电压可以做到4.45v。
但是伴随着锂电池能量密度的越来越高,它面临的安全问题也越来越严峻,已经严重限制了高能量密度锂离子电池的终端使用。如:2016年三星手机全球性爆炸事件,及iphone8plus系列手机的爆炸事件。这些经历都无不在告诫着我们,当我们在的追求快充、长续航的同时,我们也要重点关注产品的安全性能。
对于锂离子电池安全性能的改善已经有一些方法和措施的报道,如中国专利文献201611121833.9公开了一种锂离子电池用高安全负极浆料,通过调整负极浆料的粘接剂来改善负极浆料的安全性能,使的锂离子在高温下能够生动停止产热反应从而保证电池在使用中的安全性能,但是该方法主要是对负极进行改善,同时,该方法对于过充的防护起到效果应该并不明显。
中国专利文献201610586470.x公开了一种锂离子电池,在电池内芯和外壳之间设置绝缘层,可吸收和释放电解液,不断释放其吸收的电解液以补充给电池内部,作用于电池充放电循环中锂离子的嵌入迁出,解决锂离子电池因缺乏电解液而导致的循环和安全问题。但是该方案可能只适用铝壳或钢壳电池,同时,也不利于高能量密度电池制作。
中国专利文献201610294405.x公开一种高安全性锂离子电池,该发明主要是在组合电池的箱盖上设定一个或多个泄压阀,而电池泄压阀内部液态卤代烷灭火剂快速蒸发时,能够迅速降低电池组的温度,并在电池箱内外形成低温惰化空气隔离带或扑灭电池箱外部火源。该发明可能对于动力电池比较合适,不适用于3c数码的高能量密度电池。
中国专利文献201110260368.8公开了一种安全锂离子电池,主要是地电池活性物中增加一种导电剂,利用该特殊导电充在电池过热受热熔融,失去导电性导致活性物的阻抗增加,从而提高电池的安全性能。但该电池的高温性能会很差,通常锂电池的使用环境的温度可能会达到60度,甚至能够达到80度;因此,该电池存在很大的安全隐患。
技术实现要素:
:
针对现有技术的不足,本发明提供一种高安全性聚合物锂离子电池正极浆料及其制备方法和锂离子电池。
本发明从电池发生起火失效的根本出发,经过无数次研究,得到了本发明的高安全性聚合物锂离子电池正极浆料。
电池发生起火失效的表面原因,无非就是电池的pcm保护板开始工作之前,电池已经处于热失控状态。而pcm保护板平常的动作电压往往会比电池电压高0.1v左右。其中我们pcm板在动作前检测到电压会等于电池的静态电压加上充电时间的极化电压。即:
upcm板=u静态+u极化
另外,根据电池产热公式,即
q=u*u/r,
通过上述的分析,可通过提高电池失控前的电池极化和防止电池内部的短路两种手段来提高电池的安全性能。
本发明的电池正极浆料可以降低钴酸锂与电解液之间的有效接触面,从而使电池内阻急剧增加,进一步使电池内部的极化增加,电池就更容易达到保护电压,电池的抗过充性能提高,电池的安全性能提高。
本发明的技术方案如下:
一种高安全性聚合物锂离子电池正极浆料,该正极浆料原料包括正极活性物质、粘结剂、导电剂、溶剂和陶瓷添加剂,所述的陶瓷添加剂为三氧化二铝和/或二氧化钛,陶瓷添加剂的添加量≥1%。
根据本发明优选的,陶瓷添加剂内部的磁性物质含量小于等于50ppm,优选的,陶瓷添加剂内部的磁性物质含量小于等于30ppm。
根据本发明优选的,陶瓷添加剂的含水量小于等于200ppm,优选的,陶瓷添加剂的含水量为50-100ppm。
根据本发明优选的,陶瓷添加剂的粒径小于等于100nm,优选的,陶瓷添加剂的粒径为40-60nm。
本发明的陶瓷添加剂可以包敷正极活性物,阻碍正极活性物与电解液的直接接触,减少电池内部的负反应。
根据本发明优选的,陶瓷添加剂的添加量占正极浆料总重量的1-5%。
根据本发明优选的,所述的正极活性物质为钴酸锂,粘结剂为聚偏氟乙烯,导电剂为导电炭黑,溶剂为n-甲基吡咯烷酮。
一种高安全性聚合物锂离子电池正极浆料的制备方法,该方法在低湿环境下进行,包括步骤:
粘结剂、导电剂、陶瓷添加剂混合步骤;
加入溶剂搅拌混合步骤;
加入正极活性物质搅拌混合步骤;
测试浆料粘度、固含量、过筛步骤。
根据本发明优选的,所述的低湿环境的湿度小于20%。
根据本发明优选的,加入溶剂搅拌混合步骤中,搅拌转速为700-900hz,搅拌时间1-3h。
根据本发明优选的,加入正极活性物质搅拌混合步骤中,搅拌转速为1100-1400hz,搅拌时间1-3h。
根据本发明优选的,测试浆料粘度、固含量、过筛步骤中,粘度满足4000pa.s~13000pa.s;固含量为50%~80%。
一种高安全性聚合物锂离子电池,包括锂离子电芯和pcm保护板,锂离子电芯包括锂离子电池正极、锂离子电池负极、锂离子电池隔膜、锂离子电池电解液、锂离子电池极耳、和锂离子电池外壳,所述的锂离子电池正极为采用电池正极浆料均匀涂覆在铝箔上制得,涂覆量为16mg/cm2~25mg/cm2。
根据本发明优选的,负极活性物质容量大于正极活性物质容量。
根据本发明优选的,所述的锂离子电池负极,该负极包括活性物质、粘接性、导电剂、铜箔。
负极按本领域的常规进行。
本发明优选的,所述的锂离子电池隔膜包括基体和附着于所述基体的至少一侧表面的涂层,其中,所述涂层中含有陶瓷颗粒和粘结剂,涂层的厚度为1~10μm,基体材料为pe或pp,隔膜基材的孔隙率为35~60%,孔径为30-500nm。
本发明优选的,所述的锂离子电池电解液由溶剂、添加剂和锂盐组成;所述的溶剂为碳酸二甲酯dmc、碳酸二乙酯dec、碳酸甲基乙基酯emc、碳酸丙烯酯pc或碳酸乙烯酯ec中的一种或两种以上混合;所述的添加剂为碳酸亚乙烯酯vc、苯砜ps、碳酸乙烯亚乙酯vec或氟代碳酸乙烯酯fec中的一种或两种以上混合;所述的锂盐为lipf6、libf4或liclo4中的一种或两种以上混合。
本发明优选的,所述的锂离子电池极耳,其极耳包括正极铝极耳和负极镍极耳。
本发明优选的,所述的锂离子电池外壳的壳体由尼龙层、铝层和pp层聚合而成。
本发明的有益效果:
1、本发明的电池正极浆料可以降低钴酸锂与电解液之间的有效接触面,从而使电池内阻急剧增加,进一步使电池内部的极化增加,电池就更容易达到保护电压,电池的抗过充性能提高,电池的安全性能提高。
2、本发明的电池正极浆料在保证电池安全性能的情况下,同时具有高能量密度。
3、本发明的添加纳米级的陶瓷后,电池的保液量增加,极片浸润效果会更好;
4、钴酸锂对电解液的氧化降低,可以提高电正极材料的克容量;
5、本发明的会有效减少电解液在钴酸锂表面的损耗,可提高电池循环性能。
附图说明:
图1为正极浆料中陶瓷包覆钴酸锂后的结构模型图;
图2为在过充条件下,陶瓷包覆钴酸锂面积比例增加模型图;
具体实施方式:
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明,但不限于此。
实施例中使用的原料为常规市售产品。
实施例1:
一种高安全性聚合物锂离子电池正极浆料的制备方法,具体步骤如下:
1)在湿度小于20%的低湿度房内,取20g的pvdf粘接性、15g的导电炭黑及10g的陶瓷粉料放入搅拌罐内;
2)加入420gnmp溶剂使用800hz的转速进行搅拌2h;
3)再向搅拌罐内加入955g钴酸锂材料,使用1200hz的转速进行搅拌2h;
4)混合完成后,测试浆料的粘度和固含量;
5)使用200目的筛网对所制浆料进行过筛,去除大颗粒;
实施例2:
一种高安全性聚合物锂离子电池正极浆料的制备方法,具体步骤如下:
1)在湿度小于20%的低湿度房内,取20g的pvdf粘接性、15g的导电炭黑及20g的陶瓷粉料放入搅拌罐内;
2)加入420gnmp溶剂使用800hz的转速进行搅拌2h;
3)再向搅拌罐内加入945g钴酸锂材料,使用1200hz的转速进行搅拌2h;
4)混合完成后,测试浆料的粘度和固含量;
5)使用200目的筛网对所制浆料进行过筛,去除大颗粒;
实施例3:
一种高安全性聚合物锂离子电池正极浆料的制备方法,具体步骤如下:
1)在湿度小于20%的低湿度房内,取20g的pvdf粘接性、15g的导电炭黑及30g的陶瓷粉料放入搅拌罐内;
2)加入420gnmp溶剂使用800hz的转速进行搅拌2h;
3)再向搅拌罐内加入935g钴酸锂材料,使用1200hz的转速进行搅拌2h;
4)混合完成后,测试浆料的粘度和固含量;
5)使用200目的筛网对所制浆料进行过筛,去除大颗粒;
实施例4:
一种高安全性聚合物锂离子电池正极浆料的制备方法,具体步骤如下:
1)在湿度小于20%的低湿度房内,取20g的pvdf粘接性、15g的导电炭黑及50g的陶瓷粉料放入搅拌罐内;
2)加入420gnmp溶剂使用800hz的转速进行搅拌2h;
3)再向搅拌罐内加入915g钴酸锂材料,使用1200hz的转速进行搅拌2h;
4)混合完成后,测试浆料的粘度和固含量;
5)使用200目的筛网对所制浆料进行过筛,去除大颗粒;
对比例1
一种聚合物锂离子电池正极浆料的制备方法,同实施例1不同之处在于,该浆料中不含有陶瓷添加剂。
对比例2
一种聚合物锂离子电池正极浆料的制备方法,同实施例1不同之处在于,该浆料中陶瓷添加剂的添加量为5g。
实验例:
将实施例1-4及对比例2的正极浆料均匀的涂覆在铝箔表面上作成正极材料,然后与锂离子电池负极、锂离子电池隔膜、锂离子电池电解液、锂离子电池极耳、和锂离子电池外壳组装,按电池生产制作流程制成锂离子电池。
将上述制得的锂离子电池在3c/5v条件下进行过充测试,测试结果见下表1所示: