一种高容量高安全性动力电池及其制造方法与流程

本发明涉及锂离子电池，尤其涉及一种高容量高安全性动力电池及其制造方法。

背景技术：

1、锂离子电池诞生以来，由于其具有优异的电化学性能和高的体积比能量特性，受到人们的喜爱，其应用领域从数码市场、逐步过渡到动力领域、储能领域等。其应用市场在不断扩张，随着应用领域的不断扩大，各种各样新的应用需求提上日程。高容量、大倍率、长循环、低温性能、高温特性、高比能量等特性在不同的应用领域提上日程。这些新的要求需要不断开发电池新的性能。特别是在储能电池和动力电池应用领域，存在更大载电量的需求，因此动力电池对高容量特性的要求很高。三元材料具有高容量，其中三元811前驱体材料[ni8co1mn102](oh)2与碳酸锂合成ncm811三元材料容量高达196mah/g，是目前商业化锂电材料中容量最高的，但是其安全性低，这是由于三元材料晶胞中金属元素晶核不稳定，电池在充电状态下容易发生热失控，造成的局部过热，从而引起电池隔膜熔融短路，进而引发三元电池内部的一系列连锁热失控，引发火灾。因此，如何设计并制造具有高容量、高安全性的三元系列电池，成为目前亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高容量高安全性动力电池及其制造方法。

2、本发明提出的一种高容量高安全性动力电池，包括正极极片、负极极片、隔膜、电解液和壳体，所述正极极片包括正极集流体、涂覆在所述正极集流体上下表面的三元正极材料层和涂覆在所述三元正极材料层外表面的保护性正极材料层；所述三元正极材料层的组分包括三元正极活性物质、导电剂和粘结剂，所述三元正极活性物质为三元材料或者三元材料与锰酸锂材料的混合物；所述保护性正极材料层的组分包括保护性正极活性物质、导电剂和粘结剂，所述保护性正极活性物质为锰酸锂材料、磷酸铁锂材料或者锰酸锂材料与磷酸铁锂材料的混合物；所述正极集流体为铝网；

3、所述隔膜包括隔膜基材和涂覆在所述隔膜基材上下表面的陶瓷涂层，所述陶瓷涂层的组分包括al2o3、zro2、lialo2和粘结剂。

4、优选地，所述铝网的厚度为9μm，孔隙率为45％，孔径为2.5mm。其中，铝网的制备方法可以是由铝箔经过冲孔制得。

5、优选地，所述三元正极材料层的单面面密度为146～150g/m2，双面面密度为296～300g/m2；所述保护性正极材料层的单面面密度为310～316g/m2，双面面密度为326～330g/m2。

6、优选地，所述三元正极材料层的组分中，三元材料的质量百分比为80～96.5％。

7、优选地，所述三元正极材料层的组分中，三元正极活性物质、导电剂和粘结剂的质量比为(95～97)：(1～2)：(1.5～2.5)。

8、优选地，所述保护性正极材料层的组分中，保护性正极活性物质、导电剂和粘结剂的质量比为(96～98)：(0.5～1.5)：(1～3)。

9、优选地，所述三元材料为ncm811材料、ncm523材料、ncm333材料、ncm622材料、ncm442材料中的至少一种。

10、优选地，所述陶瓷涂层的组分中，al2o3、zro2、lialo2和粘结剂的质量比为(45～48)：(27～35):(12～33)：(4～6)。

11、优选地，所述陶瓷涂层的单面厚度为1～2μm，双面厚度为2～4μm。

12、优选地，所述负极极片包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上下表面的负极材料层；所述负极材料层的组分包括负极活性物质、导电剂和粘结剂，所述负极活性物质为石墨材料或者钛酸锂材料，所述负极集流体为铝网或者铜网。其中，负极活性物质为石墨材料时负极集流体为铜网，负极活性物质为钛酸锂材料时负极集流体为铝网；所述铝网的厚度为9um，孔隙率为25-45％，孔径为1-3mm；铜网的厚度为6um，孔隙率为25-45％，孔径为1-3mm。

13、其中，铝网的制备方法可以是由铝箔经过冲孔制得，铜网的制备方法可以是由铜箔经过冲孔制得。

14、优选地，所述负极材料层的组分中，负极活性物质、导电剂和粘结剂的质量比为(94～96)：(3～5)：(0.5～1.5)。

15、优选地，所述负极材料层的单面面密度为114～120g/m2,双面面密度为236～240g/m2。

16、优选地，所述粘结剂为pvdf或cmc和sbr。

17、优选地，所述导电剂为导电剂sp、石墨烯中的至少一种。

18、优选地，所述隔膜基材为pp或者pe材质。

19、一种所述的高容量高安全性动力电池的制造方法，包括下述步骤：

20、(1)制备正极极片：将三元正极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂混合制浆得到三元正极材料层浆料，将保护性正极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂混合制浆得到保护性正极材料层浆料；先将三元正极材料层浆料均匀涂覆在正极集流体的上下表面，烘干后形成三元正极材料层，再将保护性正极材料层浆料均匀涂覆在三元正极材料层的外表面，烘干后形成保护性正极材料层，得到正极极片；

21、制备负极极片：将负极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂混合制浆得到负极材料层浆料，然后将负极材料层浆料均匀涂覆在在负极集流体的上下表面，烘干后形成负极材料层，得到负极极片；

22、制备隔膜：将al2o3、zro2、lialo2、粘结剂和溶剂混合制浆得到陶瓷涂层浆料，然后将陶瓷涂层浆料均匀涂覆在隔膜基材的上下表面，烘干后形成陶瓷涂层，得到隔膜；

23、(2)将上述制得的正极极片和负极极片经过压片、分切后与隔膜装配成电芯，将电芯安装到壳体内部，经过烘烤后向壳体内部注入电解液，经过化成、陈化、分容，得到高容量高安全性动力电池。

24、本发明的有益效果如下：

25、(1)三元材料具有高容量，其容量可以高达196mah/g，但是不稳定，容易发生热失控；锰酸锂材料具有尖晶石结构，电化学性能稳定安全，但是材料容量低，动力型锰酸锂材料克容量最高115mah/g，容量性锰酸锂材料克容量123mah/g。本发明采用具有高容量、容易热失控的三元材料和高安全性、低容量的锰酸锂材料、磷酸铁锂材料进行双层涂布，其中三元材料为主要组分的三元正极材料层使电池具有高容量特性，再在三元正极材料层表面涂覆锰酸锂材料、磷酸铁锂材料为主要组分的保护性正极材料层，确保电池的安全性，避免热失控，从而初步保证电池的高容量和安全性；

26、(2)在本发明中，还使用了具有一定孔隙的铜网或铝网代替常规的铜箔或铝箔作为集流体，这是由于平面型的箔材在电池充放电和浸润过程中阻止了液态粒子的自由扩散，粒子不能快速自由扩散引起电池内部浓差极化，造成充放电倍率不足，以及电池界面上的黑斑和析锂的产生，一定程度上造成了电池容量损失，而本发明通过使用铝网、铜网，不仅增加了集流体的强度，还有效的降低了集流体的重量以及增加了正负极材料的敷料量，提高电池容量和比能量，同时有效的增加和扩大了电池内部粒子的扩散通道，在电场和浓度差的驱动下，粒子能够有效的实现快速自由扩散，有效实现电池的倍率性能，可实现电池的持续大倍率充放电，还可以消除电池介面上的析锂和黑斑现象，有效确保了电池容量的最大化发挥，从而进一步保证了电池的高容量；

27、(3)在本发明中，还在隔膜的陶瓷涂层中使用了偏铝酸锂(lialo2)，偏铝酸锂的使用，既能提高隔膜的高温结构稳定性，避免热失控，进一步保证了电池的安全性，同时有效提高锂离子电池的倍率性能。

28、综上，本发明的电池还具有高比能量230wh/kg、高安全性的优点，其比能量可以达到230wh/kg，综合性能优异，可以满足动力电池领域的性能要求。