一种基于钛酸锂的锂离子电池负极材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锂电池，具体涉及一种基于钛酸锂的锂离子电池负极材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着经济社会的飞速发展和科技的不断进步，能源短缺以及生态环境恶化问题成为影响人类社会可持续发展的战略核心。这就促使人们寻找洁净的可再生新能源。锂离子电池作为当今社会便携式能源的“承载体”被广泛应用于储能、通信、及国防建设等领域，尤其是在新能源汽车中的推广，已上升到国家战略高度。目前，商品化锂离子电池的正极材料主要为LiCo02、LiFeP04、LiCoNiMn02、LiMn204，负极材料为石墨，其搭配组成的锂离子电池存在不可逆容量高、能量密度低、使用寿命短、快速充放电能力差、石墨结构稳定性差的问题。具有高电压、长寿命的尖晶石型镍锰酸锂(LiN1.5Mnl.504)被视为新一代锂离子电池正极材料的理想之选，而具有“零应变”特性的钛酸锂(Li4Ti5012)能够有效避免负极结构的破坏，锂离子电池在满足低成本、高安全、无污染及快速充放电的前提下，能量密度、循环性能也有较大提升，这将为锂离子电池在新能源领域中的广泛推广提供有利支撑。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是锂离子电池生产成本高，电池可逆比容量低、能量密度和快速充放电能力不够，循环性能和安全性能不足，目的在于提供一种基于钛酸锂的锂离子电池负极材料及其制备方法，解决在降低生产成本的同时，也达到了提高电池可逆比容量、能量密度和快速充放电能力，改善循环性能和安全性能的问题。
[0004]本发明通过下述技术方案实现:
一种基于钛酸锂的锂离子电池负极材料，所述负极材料的负极活性物质采用钛酸锂，利用钛酸锂制备水系或油系负极材料；
所述的水系负极配料为:负极片由负极活性物质、粘结剂、导电剂、增稠剂和溶剂构成的水系负极浆料涂层，以及负极集流体组成；
所述的负极活性物质采用钛酸锂；所述的粘接剂采用羧甲基纤维素钠；所述的导电剂采用导电碳黑、导电石墨、碳纳米管中的一种或多种；所述的增稠剂采用丁苯橡胶；所述的溶剂采用去离子水；所述的负极集流体采用铜箔；
所述的油系负极配料为:负极片由负极活性物质、粘接剂、导电剂、助剂和溶剂构成的油系负极浆料涂层，以及负极集流体组成；
所述的负极活性物质采用钛酸锂；粘接剂采用聚偏氟乙烯；导电剂采用导电石墨、导电碳黑中的一种或多种；助剂采用草酸；溶剂采用N-甲基吡咯烷酮；负极集流体采用铜箔。
[0005]进一步的，所述水系负极的负极片浆料涂层各组分的质量百分数为:
负极活性物质:钛酸锂的比例为90wt %~94wt % ；
粘结剂:羧甲基纤维素钠的比例为0wt%~4wt% ； 导电剂:导电炭黑的比例为0.5wt%~2.5wt %和/或导电石墨的比例为0.5wt%~2.5wt%和/或碳纳米管的比例为0%~2% ；
增稠剂:丁苯橡胶的比例为lwt%~2.5wt%。
[0006]进一步的，所述水系负极的负极片浆料涂层各组分的质量百分数:
负极活性物质:钛酸锂的比例为92wt %;
粘结剂:羧甲基纤维素钠的比例为2.5wt% ；
导电剂:导电炭黑的比例为2wt %和/导电石墨的比例为2wt % ；
增稠剂:丁苯橡胶的比例为1.5wt%。
[0007]进一步的，所述水系负极的负极片浆料涂层各组分的质量百分数:
负极活性物质:钛酸锂的比例为92.5wt % ;
粘结剂:羧甲基纤维素钠的比例为3wt% ；
导电剂:导电炭黑的比例为1.5wt %和/导电石墨的比例为1.5wt % ；
增稠剂:丁苯橡胶的比例为1.5wt%。
[0008]进一步的，所述油系负极的负极片浆料涂层各组分的质量百分数为:
负极活性物质:钛酸锂的比例为90wt %~94wt % ；
粘结剂:聚偏氟乙稀的比例为2wt%~5wt % ；
导电剂:导电炭黑的比例为0.5wt%~2.5wt %和/或导电石墨的比例为0.5wt%~2.5wt
% ；
助剂:草酸的质量为上述楽料总质量的1.5wt %~3wt %。
[0009]进一步的，所述油系负极的负极片浆料涂层各组分的质量百分数:
负极活性物质:钛酸锂的比例为92.5wt % ;
粘结剂:聚偏氟乙稀的比例为4.5wt % ；
导电剂:导电炭黑的比例为1.5wt %和导电石墨的比例为1.5wt % ；
助剂:草酸的质量为上述浆料总质量的2wt %。
[0010]进一步的，所述油系负极的负极片浆料涂层各组分的质量百分数:
负极活性物质:钛酸锂的比例为93wt %;
粘结剂:聚偏氟乙稀的比例为4wt % ；
导电剂:导电炭黑的比例为1.5wt %和导电石墨的比例为1.5wt % ；
助剂:草酸的质量为上述浆料总质量的2.5wt %。
[0011]本发明通过下述另一技术方案实现:
一种基于钛酸锂的锂离子电池负极制备方法，通过以下步骤实现:
步骤1)将0wt%~4wt%的羧甲基纤维素钠加入去离子水中，搅拌5~6h形成透明胶液，搁置12~20h后，加入导电剂搅拌2~3h，再加入90wt%~94wt%的钛酸锂搅拌6~7h，最后加入lwt%~2.5wt%的丁苯橡胶以15rpm的公转速度，1200 rpm的自转速度搅拌l~2h，并以5rpm的公转速度，150 rpm的自转速度搅拌2h，整个浆料搅拌过程均在温度20°C ~30°C、真空度^ -85KPa的条件下进行，得到的水系浆料过150目筛1~2次；
步骤2)负极浆料间隙涂布于12μπι厚的铜箔上，并于95~110°C温度下烘干制得负极带；
步骤3)负极带滚压、裁切后制成厚度与面积分别为0.292-0.298mm、125*77 mm 2的负极片；
步骤4)将负极片在95°C真空条件下烘烤8~10小时。
[0012]进一步的，所述的步骤3):
负极压实密度为1.4-1.8g/cm3，单面面密度为198~220g/m2。
[0013]进一步的，所示的步骤1)替换为:将2wt%~5wt%的聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，搅拌7~8h形成透明胶液，搁置10~16h后，加入导电剂搅拌2~4h，再加入90wt%~94wt%的钛酸锂搅拌9~10h，最后加入1.5wt %~3wt %的草酸，并以5rpm的公转速度，150 rpm的自转速度搅拌2h，整个浆料搅拌过程均在温度20°C -30°C、真空度< _85KPa的条件下进行，得到的油系浆料过150目筛2~3次。
[0014]本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果:
采用本发明设计的锂离子电池，在降低生产成本的前提下，既提高了可逆比容量、能量密度、快速充放电能力，又改善了循环性能，同时安全性能也有所提升。在3C/10V过充、90°C高温搁置、短路、针刺、挤压、跌落测试条件下，也不会起火、爆炸，尤其是倍率性能，常温10C放电容量保持在97%左右。将该电池应用于电动汽车上，电动汽车可用高倍率快速充电。
[0015]本发明设计的锂离子电池，在降低生产成本的同时，也达到了提高电池可逆比容量、能量密度和快速充放电能力，改善循环性能和安全性能的目的。
【附图说明】
[0016]此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为本发明锂离子电池结构示意图；
图2为本发明锂离子电池在不同倍率条件下的放电曲线图；
图3为本发明锂离子电池在1C倍率下的循环性能图；
附图中标记及相应的零部件名称:1-正极耳，2-负极耳，3-极耳胶，4-铝塑膜壳体，5-电芯。
【具体实施方式】
[0017]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0018]实施例1:采用基于钛酸锂的锂离子电池负极材料制备的电池，包括铝塑膜壳体、正极耳1、负极耳2及极耳胶3，铝塑膜壳体4内由电芯5及电解液构成，所述的电芯5包括正极片、隔膜和负极片；如图1所示；
正极包括集流体铝箔、铝箔表面均匀涂覆的活性物质、粘接剂以及导电剂；
负极包括集流体铜箔，铜箔表面均匀涂覆的活性物质，粘接剂以及导电剂；
正极浆料涂层由以下材料配比而成:镍锰酸锂的A1203包覆物:导电炭黑(SP):碳纳米管(CNT):粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF) =92wt%:2.5wt%:1.5wt%:4wt%，溶剂为N -甲基吡咯烷酮(NMP)，正极固含量50% ； 水系负极浆料涂层由以下材料配比而成:钛酸锂:导电碳黑(SP):导电石墨(KS-6):羧甲基纤维素钠(CMC):丁苯橡胶(SBR) =92wt%:2wt%:2wt%:2.5wt%:1.5wt%，溶剂为去离子水，负极固含量44%。
[0019]采用基于钛酸锂的锂离子电池负极制备方法，通过以下步骤:
步骤1)将聚偏氟乙烯4wt%加入N-甲基吡咯烷酮中，搅拌8h后形成透明胶液，然后加入导电炭黑(SP) 2.5wt%和碳纳米管(CNT) 1.5wt%后搅拌2h，最后加入92wt%的镍锰酸锂的A12