一种快充锂离子电池及其制备方法与流程

本发明涉及一种锂离子电池，特别涉及一种快充锂离子电池及其制备方法。
背景技术：
：锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。传统锂离子电池的优点是能量密度高，但是为了提高续航里程，用电器设计的电池容量比较高时就会面临充电时间长的问题。充电是电池重复使用的重要步骤，锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充阶段和恒压电流递减阶段。恒流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的标准电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减弱到设定的值，而最终完成充电。一般而言，目前高容量的锂离子电池充电时间达2～5小时，甚至更高，用户体验好感度下降。所以说，如何制备一种可以实现快充的锂离子电池成为了行内工作者关注的热点问题。技术实现要素：为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种快充锂离子电池及其制备方法。本发明所采取的技术方案是：一种快充锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：1)将正极活性物质和负极活性物质分别进行碳包覆处理，得到正极导电材料和负极导电材料；2)将石墨烯、超导电炭黑、碳纳米管、分散剂和溶剂混合，得到导电浆液；3)将导电浆液与正极导电材料混合，所得的正极涂料涂覆在正极基材上，得到正极片；将导电浆液与负极导电材料混合，所得的负极涂料涂覆在负极基材上，得到负极片；正极片和负极片的涂层边缘分别预留空白；4)分别切割正极片和负极片的预留空白，形成电极连接片；5)将切割后的正极片、负极片和隔膜卷成方形电芯，电极连接片分别在垂直于电极长度方向叠层式引出；6)分别将正电极和负电极引出的连接片与带密封胶的金属复合片焊接；7)裁切焊接后多余的连接片；8)将连接片以垂直于电芯横截面的方向弯折成型；9)对电芯外露的连接片贴胶保护，得到电芯半成品；10)将电芯半成品进行顶侧封边，并预留注液侧边；11)将封边后的电芯进行烘烤，然后注入电解液，分容，得到快充锂离子电池。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤1)中，碳包覆处理的方法具体是：将正极活性物质或者负极活性物质分别浸泡到碳材料的分散液中，通过混合浸渍包覆处理，获得表面包覆的正极或负极复合电极材料，再通过喷雾干燥造粒，得到正极或负极导电材料。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤1)中，活性物质(正极或负极)与碳包覆所用的碳材料质量比为1：(0.05～0.3)。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤1)中，正极活性物质为钴酸锂(lco)、锰酸锂(lmo)、磷酸铁锂(lfp)、镍钴锰酸锂(ncm)中的至少一种。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤1)中，负极活性物质为两亲性炭材料(acm)、中间相碳微球(mcmb)中的至少一种；进一步优选的，负极活性物质为中间相碳微球。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤1)中，碳材料在分散液中的质量浓度为1％～10％。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤1)中，碳材料为碳纳米管、碳纤维、碳球、软碳中的至少一种。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤1)中，碳材料的分散液可为碳材料的醇溶液、酮溶液或酰胺溶液。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤2)中，石墨烯、超导电炭黑、碳纳米管、分散剂和溶剂的质量比为(0.5～1)：(0.5～2)：(0.5～1)：(0.5～1)：100。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤2)中，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯中的至少一种。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤2)中，溶剂为n-甲基吡咯烷酮(nmp)、碳酸丙烯酯(pc)、碳酸乙烯酯(ec)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸甲乙酯(emc)中的至少一种。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤3)中，导电浆液的用量分别占正极导电材料或负极导电材料的总质量3％～20％。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤3)中，在正极基材或负极基材上预涂覆导电层后，再涂覆正极涂料或负极涂料；导电层的厚度为0.5μm～3μm，导电层为石墨烯、超导电炭黑、碳纳米管、科琴黑、碳纤维、碳微球中的至少两种组成的复合物。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤3)中，正极基材厚度为10μm～30μm，正极基材的材质优选为铝。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤3)中，负极基材厚度为5μm～20μm，负极基材的材质优选为铜。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤3)中，正极片或负极片的涂层厚度分别为70μm～150μm，涂层边缘预留长度为10mm～30mm空白。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤4)中，电极连接片的长度为10mm～15mm。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤5)中，隔膜为孔隙率是45％～65％，透气率≤200s的聚乙烯隔膜。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤6)中，带密封胶的金属复合片为带聚丙烯酸酯密封胶的铜铝复合片。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤11)中，烘烤的温度为70℃～100℃。优选的，这种快充锂离子电池的制备方法步骤11)中，电解液的注入量为4g/ah～6g/ah；电解液为常规的电解液，如六氟磷酸锂电解液。一种快充锂离子电池，是由上述的制备方法制得。本发明的有益效果是：本发明公开了一种可超快充电的锂离子电池，能够将充电时间缩短在15分钟以内，6分钟即可充电达电池总电量的90％以上。与现有技术相比，本发明具有以下的优点：1、所用正极材料预先经过碳纳米包覆掺杂在其颗粒表面形成优良导电层；2、所用负极材料预先经过软碳包覆技术在其颗粒表面形成优良导电层；3、所用导电剂为石墨烯、超导电炭黑与cnt等按照一定比例组合后添加到电极片中，使用前需与特定的分散剂与溶剂混合分散；4、所用隔膜在特制隔离膜，其孔隙率为45％～65％，透气率≤200s；5、电芯结构：极耳为全极耳结构，由电极片留白边组成；6、本发明可快充软包锂离子电池在10c充电时间6min，达到恒流比≥90％的总充电容量。附图说明图1是成型电芯的示意图；图2是连接片与铜铝复合片焊接的制备步骤示意图；图3是连接片裁切的制备步骤示意图；图4是连接片弯折成型的制备步骤示意图；图5是外露金属片贴保护的制备步骤示意图；图6是实施例1的电池在50a/9c充电电压-时间-温度曲线图；图7是实施例1的电池在50a/9c充电容量-电压曲线图。具体实施方式附图1是本发明快充锂离子电池的成型电芯示意图。本发明的电芯其极耳为全极耳结构，连接片是有双头极耳引出。附图2～5是制备本发明快充锂离子电池某步骤的示意图，其中图2对应上述制备方法的步骤6)，图3对应上述制备方法的步骤7)，图4对应上述制备方法的步骤8)，图5对应上述制备方法的步骤9)。以下结合附图1～5，通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的原料/装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到。实施例1一种快充锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：1)将ncm523正极材料与含有5wt％碳纳米管的dmf分散液混合均匀，ncm523正极材料与碳纳米管的质量比为1:0.1，将所得混合物进行喷雾干燥造粒，分级，得到正极导电材料；将中间相碳微球与含有2wt％软碳的乙醇分散液混合均匀，中间相碳微球与软碳的质量比为1:0.05，将所得混合物进行喷雾干燥造粒，分级，得到负极导电材料。2)将石墨烯、超导电炭黑、碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮和n-甲基吡咯烷酮溶剂按质量比0.8:2:1:0.8:100混合，得到导电浆液。3)将导电浆液与正极导电材料按质量比15:100混合，经高速分散混合均匀，所得的正极涂料涂覆在12～20μm基材上，经过干燥得到正极片，正极涂层的厚度为100μm；其中所用基材主体材质为铝箔并预先在其表面涂覆1～2μm厚度的导电层，导电层为石墨烯与碳纳米管复合物，其质量比为1:3；将导电浆液与负极导电材料按质量比6:100混合，经高速分散混合均匀，所得的负极涂料涂覆在6～10μm基材上，得到负极片，负极涂层的厚度为85μm；其中所用基材主体材质为铜箔并预先在其表面涂覆1～2μm厚度的导电层，导电层为超导电炭黑与碳纳米管复合物，其质量比为1:0.5；正极片和负极片的涂层边缘分别预留25mm长度的空白。4)分别用激光切割正极片和负极片的预留空白，形成长度15mm的电极连接片。5)将切割后的正极片、负极片和隔膜卷成方形电芯，电极连接片分别在垂直于电极长度方向叠层式引出；所用的隔膜为孔隙率是53％，透气率为150s的高透气性聚乙烯隔膜。6)分别将正电极和负电极引出的连接片与带聚丙烯酸酯密封胶的铜铝复合片超声焊接到一起，此制备步骤可参见图2。7)裁切焊接后多余的连接片，此制备步骤可参见图3。8)将连接片以垂直于电芯横截面的方向弯折成型，此制备步骤可参见图4。9)对电芯外露的连接片贴胶保护，得到电芯半成品，此制备步骤可参见图5；贴胶所用的为耐腐性的聚丙烯酸酯胶。10)将电芯半成品装入铝塑膜盒子进行顶侧封边，并预留一个侧边作为注液用。11)将封边后的电芯进行烘烤，烘烤的温度为80℃，然后注入5ah/g电解液，分容，得到快充锂离子电池。实施例2一种快充锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：1)将磷酸铁锂正极材料与含有5wt％碳纳米管的乙醇分散液混合均匀，磷酸铁锂正极材料与碳纳米管的质量比为1:0.12，将所得混合物进行喷雾干燥造粒，分级，得到正极导电材料；将中间相碳微球与含有3wt％软碳的乙醇分散液混合均匀，中间相碳微球与软碳的质量比为1:0.15，将所得混合物进行喷雾干燥造粒，分级，得到负极导电材料。2)将石墨烯、超导电炭黑、碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮和n-甲基吡咯烷酮溶剂按质量比0.8:2:0.8:0.5:100混合，得到导电浆液。3)将导电浆液与正极导电材料按质量比20:100混合，经高速分散混合均匀，所得的正极涂料涂覆在12～20μm基材上，经过干燥得到正极片，正极涂层的厚度为100μm；其中所用基材主体材质为铝箔并预先在其表面涂覆1～2μm厚度的导电层，导电层为石墨烯与碳纳米管复合物，其质量比为1:3；将导电浆液与负极导电材料按质量比7:100混合，经高速分散混合均匀，所得的负极涂料涂覆在6～10μm基材上，得到负极片，负极涂层的厚度为85μm；其中所用基材主体材质为铜箔并预先在其表面涂覆1～2μm厚度的导电层，导电层为超导电炭黑与碳纳米管复合物，其质量比为1:0.5；正极片和负极片的涂层边缘分别预留20mm长度的空白。4)分别用激光切割正极片和负极片的预留空白，形成长度10mm的电极连接片。5)将切割后的正极片、负极片和隔膜卷成方形电芯，电极连接片分别在垂直于电极长度方向叠层式引出；所用的隔膜为孔隙率是55％，透气率为180s的高透气性聚乙烯隔膜。6)分别将正电极和负电极引出的连接片与带聚丙烯酸酯密封胶的铜铝复合片超声焊接到一起，此制备步骤可参见图2。7)裁切焊接后多余的连接片，此制备步骤可参见图3。8)将连接片以垂直于电芯横截面的方向弯折成型，此制备步骤可参见图4。9)对电芯外露的连接片贴胶保护，得到电芯半成品，此制备步骤可参见图5；贴胶所用的为耐腐性的聚丙烯酸酯胶。10)将电芯半成品装入铝塑膜盒子进行顶侧封边，并预留一个侧边作为注液用。11)将封边后的电芯进行烘烤，烘烤的温度为90℃，然后注入5ah/g电解液，分容，得到快充锂离子电池。实施例3一种快充锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：1)将锰酸锂与钴酸锂正极材料与含有5wt％碳纳米管的dmf分散液混合均匀，锰酸锂正极材料与碳纳米管的质量比为1:0.12，钴酸锂正极材料与碳纳米管的质量比为1:0.12，将所得混合物进行喷雾干燥造粒，分级，得到正极导电材料；将中间相碳微球与含有4.5wt％软碳的乙醇分散液混合均匀，中间相碳微球与软碳的质量比为1:0.1，将所得混合物进行喷雾干燥造粒，分级，得到负极导电材料。2)将石墨烯、超导电炭黑、碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮和n-甲基吡咯烷酮溶剂按质量比0.5:1:1:0.5:100混合，得到导电浆液。3)将导电浆液与正极导电材料按质量比20:100混合，经高速分散混合均匀，所得的正极涂料涂覆在12～20μm基材上，经过干燥得到正极片，正极涂层的厚度为110μm；其中所用基材主体材质为铝箔并预先在其表面涂覆1～2μm厚度的导电层，导电层为石墨烯与碳纳米管复合物，其质量比为1:3；将导电浆液与负极导电材料按质量比7:100混合，经高速分散混合均匀，所得的负极涂料涂覆在6～10μm基材上，得到负极片，负极涂层的厚度为80μm；其中所用基材主体材质为铜箔并预先在其表面涂覆1～2μm厚度的导电层，导电层为超导电炭黑与碳纳米管复合物，其质量比为1:0.5；正极片和负极片的涂层边缘分别预留20mm长度的空白。4)分别用激光切割正极片和负极片的预留空白，形成长度10mm的电极连接片。5)将切割后的正极片、负极片和隔膜卷成方形电芯，电极连接片分别在垂直于电极长度方向叠层式引出；所用的隔膜为孔隙率是55％，透气率为180s的高透气性聚乙烯隔膜。6)分别将正电极和负电极引出的连接片与带聚丙烯酸酯密封胶的铜铝复合片超声焊接到一起，此制备步骤可参见图2。7)裁切焊接后多余的连接片，此制备步骤可参见图3。8)将连接片以垂直于电芯横截面的方向弯折成型，此制备步骤可参见图4。9)对电芯外露的连接片贴胶保护，得到电芯半成品，此制备步骤可参见图5；贴胶所用的为耐腐性的聚丙烯酸酯胶。10)将电芯半成品装入铝塑膜盒子进行顶侧封边，并预留一个侧边作为注液用。11)将封边后的电芯进行烘烤，烘烤的温度为90℃，然后注入5ah/g电解液，分容，得到快充锂离子电池。通过实施例制备得到的快充锂离子电池成品电芯可见附图1。性能测试电池容量和内阻：实施例1～3所制得的电池在常温下的容量和内阻测试结果见表1。表1实施例1-3的电池容量和内阻样品编号实施例1实施例2实施例3容量(ah)5.5435.5425.530内阻(mω)0.820.820.77高低温倍率放电测试：将实施例1的电池进行高低温倍率放电测试，以1c电流恒流恒压充满电，然后在不同的温度下用不同倍率电流去放电，放电容量及保持率情况见表2。表2实施例1电池高低温倍率放电测试结果室温充电性能：附图6是实施例1的电池在50a/9c充电电压-时间-温度曲线图。从图6可以看出，在50a恒流充电条件下仅用5分45秒就可以把电池的电压升到4.20v，且整个充电过程电池表面温度低于45℃。附图7是实施例1的电池在50a/9c充电容量-电压曲线图。结合图7在4.20v的充电容量比率可知，当充电电压达到4.20v时，电池的充电比率＞90％。不同温度下的充电倍率：先将实施例1的电池以1c电流放空电，分别在不同温度下搁置12h后以不同倍率进行恒流充电，测试其充电性能。结果如表3所示。表3实施例1电池不同温度下的充电性能循环性能：将实施例1、2和3的电池在1c下进行循环充放电测试，在循环测试300次后，实施例1、2和3的电池循环保持率分别为93.6％、92.7％和93.1％，循环性能良好。当前第1页12