一种高安全性锂离子电池、正极浆料及制备方法与流程

专利检索2022-05-11  2


1.本发明涉及锂离子电池技术领域,具体地说是一种高安全性锂离子电池、正极浆料及制备方法。


背景技术:

2.锂离子电池,以其能量密度高、循环性能好、电池电压高、工作温度范围宽、储存寿命长、无记忆效应、自放电率小、可快速充放电、绿色环保等优点,广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机等电子产品中,还作为动力型电池逐渐在电动自行车、航模、电动汽车上得到广泛使用。
3.但是传统的锂离子电池在热失控问题上缺点突出,在过充,针刺,挤压,剪切等情况下,极易发生起火,爆炸等情况,严重影响人们的生命财产安全。
4.基于上述情况,亟需开发一种高安全性锂离子电池、正极浆料及制备方法。


技术实现要素:

5.针对上述存在的问题,本发明的目的在于提供一种高安全性锂离子电池、正极浆料及制备方法。本发明锂离子电池的正极浆料使用纳米氧化铝对钴酸锂、多元锂、磷酸铁锂等主活性物质进行包覆,可以提高热稳定性,舒缓氧的生成和电解质的分解,避免正极活性材料与电解液直接接触,从而提高电池的安全性。
6.本发明为实现上述目的,采取以下技术方案予以实现:
7.一种高安全性锂离子电池正极浆料,包括组分a和溶剂n-甲基吡络烷酮,其中,组分a包括质量百分比的以下成分:91~93%主活性物质、2~3%导电炭黑、0.5~1.5%纳米氧化铝、2.5~4.5%聚偏氟乙烯;所述导电炭黑溶解于溶剂中形成混合液,所述溶剂至少占混合液质量百分比的45~55%。
8.优选地,所述主活性物质为钴酸锂、多元锂、锰酸锂、磷酸铁锂中的一种或组合。
9.优选地,组分a包括质量百分比的以下成分:93%钴酸锂、2.5%导电炭黑、1%纳米氧化铝、3.5%聚偏氟乙烯;所述溶剂至少占混合液质量百分比的48%。
10.优选地,组分a包括质量百分比的以下成分:92.5%三元锂、2.5%导电炭黑、1.5%纳米氧化铝、3.5%聚偏氟乙烯;所述溶剂至少占混合液质量百分比的50%。
11.本发明的另一目的在于公开上述高安全性锂离子电池正极浆料的制备方法,包括以下步骤:
12.(1)将导电炭黑溶解于n-甲基吡络烷酮溶剂,搅拌30分钟,搅拌线速度5~8m/s,溶剂占混合液质量百分比的45~55%;
13.(2)加入聚偏氟乙烯,搅拌30分钟,搅拌线速度8~10m/s;
14.(3)加入主活性物质,均匀分3次加入,每次搅拌10分钟,搅拌线速度8~10m/s;
15.(4)加入纳米氧化铝,搅拌180分钟,搅拌线速度12~18m/s;
16.(5)调整浆料粘度为8000~12000cps,固含量为49~56%;
17.(6)真空静置60分钟,除气泡,得到正极浆料。
18.本发明的又一目的在于公开一种高安全性锂离子电池,包括正极片、负极片、隔膜和电解液,其中,正极片由上述方法制得的正极浆料均匀涂覆在铝箔上制成。
19.优选地,所述负极片是由负极浆料均匀涂覆在铜箔上制成;
20.所述负极浆料包括组分b和溶剂水,所述组分b包括质量百分比的以下成分:95%石墨、1%导电炭黑、3.5%水性粘结剂、0.5%羧甲基纤维素钠;所述导电炭黑溶解于溶剂中形成导电炭黑水溶液,所述溶剂水至少占导电炭黑水溶液质量百分比的45%。
21.所述负极浆料通过以下步骤制备而成:
22.(1)将导电炭黑溶解于水中,搅拌60分钟,搅拌线速度5~8m/s,溶剂水占导电炭黑水溶液质量百分比的45%;
23.(2)加入羧甲基纤维素钠,搅拌30分钟,搅拌线速度6~10m/s;
24.(3)加入石墨,均匀分3次加入,每次搅拌30分钟,搅拌线速度8~10m/s;
25.(4)加入水性粘结剂,搅拌30分钟,搅拌线速度10~15m/s;
26.(5)调整浆料粘度为4000cps,固含量为50%;
27.(6)真空静置30分钟,除气泡,得到负极浆料。
28.优选地,所述隔膜以聚乙烯或者聚丙烯为基材,双面涂覆陶瓷涂层。
29.优选地,所述电解液包括溶剂、电解质和添加剂,所述溶剂包括质量比为1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯;所述电解质为六氟磷酸锂,所述电解质的摩尔浓度为1mol/l;所述添加剂为磷酸三甲酯,所述添加剂的质量浓度为0.1%。
30.优选地,所述电解液通过以下方法制备而成:将溶剂、电解质和添加剂依次加入到反应釜中,搅拌,混合均匀后制得电解液。这里溶剂的水分及纯度要符合电解质的使用标准,否则应当预先进行提纯处理,溶剂的水分含量最好小于120ppm。
31.与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
32.本发明锂离子电池的正极浆料使用纳米氧化铝对钴酸锂、多元锂、磷酸铁锂等主活性物质进行包覆,可以提高热稳定性,舒缓氧的生成和电解质的分解,避免正极活性材料与电解液直接接触,从而提高电池的安全性。
33.本发明针对传统锂离子电池安全性能差的缺点,对电池的正极浆料、隔膜和电解液进行改进,提升电池的安全性。隔膜采用双面陶瓷隔膜,可以避免电池内部因短路造成温度过高引起隔膜融化后,电极之间直接短路,提高锂电池的使用安全性。电解液中使用阻燃添加剂(如磷酸三甲酯),具有高阻燃、电化学稳定等特性。
具体实施方式
34.以下结合具体实施例来对本发明作进一步的说明。
35.实施例1
36.一种高安全性锂离子电池正极浆料,包括组分a和溶剂n-甲基吡络烷酮。
37.组分a包括质量百分比的以下成分:91~93%主活性物质、2~3%导电炭黑、0.5~1.5%纳米氧化铝、2.5~4.5%聚偏氟乙烯。主活性物质为钴酸锂、多元锂、锰酸锂、磷酸铁锂中的一种或组合。
38.导电炭黑溶解于溶剂中形成混合液,溶剂至少占混合液质量百分比的45~55%
(正极浆料制备过程中存在用溶剂调整粘度的可能,因此溶剂的实际用量可能包括用于溶解导电炭黑的部分和用于调整粘度的部分,根据实际情况调整用量)。
39.上述高安全性锂离子电池正极浆料的制备方法,包括以下步骤:
40.(1)将导电炭黑溶解于n-甲基吡络烷酮溶剂,搅拌30分钟,搅拌线速度5~8m/s,溶剂占混合液质量百分比的45~55%;
41.(2)加入聚偏氟乙烯,搅拌30分钟,搅拌线速度8~10m/s;
42.(3)加入主活性物质,均匀分3次加入,每次搅拌10分钟,搅拌线速度8~10m/s;
43.(4)加入纳米氧化铝,搅拌180分钟,搅拌线速度12~18m/s;
44.(5)调整浆料粘度为8000~12000cps,固含量为49~56%;
45.(6)真空静置60分钟,除气泡,得到正极浆料。
46.将制得的正极浆料均匀涂覆在铝箔上,则制成正极片。
47.实施例2
48.一种高安全性锂离子电池,包括正极片、负极片、隔膜和电解液。选用安全性较差的钴酸锂材料作为主活性物质,制作5安时电芯,用于安全性能测试。具体如下:
49.正极片制作:
50.正极浆料,包括组分a和溶剂n-甲基吡络烷酮。组分a包括质量百分比的以下成分:93%钴酸锂、2.5%导电炭黑、1%纳米氧化铝、3.5%聚偏氟乙烯。
51.正极浆料通过以下步骤制备而成:
52.(1)将导电炭黑溶解于n-甲基吡络烷酮溶剂,搅拌30分钟,搅拌线速度5~8m/s,溶剂占混合液质量百分比的48%;
53.(2)加入聚偏氟乙烯,搅拌30分钟,搅拌线速度8~10m/s;
54.(3)加入钴酸锂,均匀分3次加入,每次搅拌10分钟,搅拌线速度8~10m/s;
55.(4)加入纳米氧化铝,搅拌180分钟,搅拌线速度12~18m/s;
56.(5)根据实际情况用溶剂调整浆料粘度为8900cps,固含量为51%;
57.(6)真空静置60分钟,除气泡,得到正极浆料。
58.将制得的正极浆料均匀涂覆在铝箔上,则制成正极片。
59.负极片制作:
60.负极浆料,包括组分b和溶剂水。组分b包括质量百分比的以下成分:95%石墨、1%导电炭黑、3.5%水性粘结剂、0.5%羧甲基纤维素钠。
61.负极浆料通过以下步骤制备而成:
62.(1)将导电炭黑溶解于水中,搅拌60分钟,搅拌线速度5~8m/s,溶剂水占导电炭黑水溶液质量百分比的45%;
63.(2)加入羧甲基纤维素钠,搅拌30分钟,搅拌线速度6~10m/s;
64.(3)加入石墨,均匀分3次加入,每次搅拌30分钟,搅拌线速度8~10m/s;
65.(4)加入水性粘结剂,搅拌30分钟,搅拌线速度10~15m/s;
66.(5)通过补充溶剂调整浆料粘度为4000cps,固含量为50%;
67.(6)真空静置30分钟,除气泡,得到负极浆料。
68.将制得的负极浆料均匀涂覆在铜箔上,则制成负极片。
69.隔膜:
70.隔膜材料选择聚丙烯材料,使用双面陶瓷隔膜。
71.电解液制作:
72.电解液包括溶剂、电解质和添加剂。溶剂包括质量比为1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯。电解质为六氟磷酸锂,电解质的摩尔浓度为1mol/l。添加剂为磷酸三甲酯,添加剂的质量浓度为0.1%。
73.电解液通过以下方法制备而成:将溶剂、电解质和添加剂依次加入到反应釜中,搅拌,混合均匀后制得电解液。这里溶剂的水分及纯度要符合电解质的使用标准,否则应当预先进行提纯处理,溶剂的水分含量最好小于120ppm。
74.使用上述方法制作成5安时钴酸锂电池。进行过充、针刺、挤压、剪切等安全试验,每种试验3只电芯。实验结果均为不起火不爆炸。
75.实施例3
76.一种高安全性锂离子电池,包括正极片、负极片、隔膜和电解液。选用安全性一般的三元锂作为主活性物质,制作10安时电芯。用于安全性能测试。具体如下:
77.正极片制作:
78.正极浆料,包括组分a和溶剂n-甲基吡络烷酮。组分a包括质量百分比的以下成分:92.5%三元锂、2.5%导电炭黑、1.5%纳米氧化铝、3.5%聚偏氟乙烯。
79.正极浆料通过以下步骤制备而成:
80.(1)将导电炭黑溶解于n-甲基吡络烷酮溶剂,搅拌30分钟,搅拌线速度5~8m/s,溶剂占混合液质量百分比的50%;
81.(2)加入聚偏氟乙烯,搅拌30分钟,搅拌线速度8~10m/s;
82.(3)加入三元锂,均匀分3次加入,每次搅拌10分钟,搅拌线速度8~10m/s;
83.(4)加入纳米氧化铝,搅拌180分钟,搅拌线速度12~18m/s;
84.(5)根据实际情况用溶剂调整浆料粘度为8500cps,固含量为50%;
85.(6)真空静置60分钟,除气泡,得到正极浆料。
86.将制得的正极浆料均匀涂覆在铝箔上,则制成正极片。
87.负极片制作:
88.负极浆料,包括组分b和溶剂水。组分b包括质量百分比的以下成分:95%石墨、1%导电炭黑、3.5%水性粘结剂、0.5%羧甲基纤维素钠。
89.负极浆料通过以下步骤制备而成:
90.(1)将导电炭黑溶解于水中,搅拌60分钟,搅拌线速度5~8m/s,溶剂水占导电炭黑水溶液质量百分比的45%;
91.(2)加入羧甲基纤维素钠,搅拌30分钟,搅拌线速度6~10m/s;
92.(3)加入石墨,均匀分3次加入,每次搅拌30分钟,搅拌线速度8~10m/s;
93.(4)加入水性粘结剂,搅拌30分钟,搅拌线速度10~15m/s;
94.(5)通过补充溶剂调整浆料粘度为4000cps,固含量为50%;
95.(6)真空静置30分钟,除气泡,得到负极浆料。
96.将制得的负极浆料均匀涂覆在铜箔上,则制成负极片。
97.隔膜:
98.隔膜材料选择聚丙烯材料,使用双面陶瓷隔膜。
99.电解液制作:
100.电解液包括溶剂、电解质和添加剂。溶剂包括质量比为1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯。电解质为六氟磷酸锂,电解质的摩尔浓度为1mol/l。添加剂为磷酸三甲酯,添加剂的质量浓度为0.1%。
101.电解液通过以下方法制备而成:将溶剂、电解质和添加剂依次加入到反应釜中,搅拌,混合均匀后制得电解液。这里溶剂的水分及纯度要符合电解质的使用标准,否则应当预先进行提纯处理,溶剂的水分含量最好小于120ppm。
102.使用上述方法制作成10安时三元锂电池。进行过充、针刺、挤压、剪切等安全试验,每种试验3只电芯。实验结果均为不起火不爆炸。
103.本发明锂离子电池的正极浆料使用纳米氧化铝对钴酸锂、多元锂、磷酸铁锂等主活性物质进行包覆,可以提高热稳定性,舒缓氧的生成和电解质的分解,避免正极活性材料与电解液直接接触,从而提高电池的安全性。
104.本发明针对传统锂离子电池安全性能差的缺点,对电池的正极浆料、隔膜和电解液进行改进,提升电池的安全性。隔膜采用双面陶瓷隔膜,可以避免电池内部因短路造成温度过高引起隔膜融化后,电极之间直接短路,提高锂电池的使用安全性。电解液中使用阻燃添加剂(如磷酸三甲酯),具有高阻燃、电化学稳定等特性。
105.以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明实施例,在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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