CN102324551A - 一种钛酸锂与锰酸锂体系锂离子电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛酸锂与锰酸锂体系锂离子电池，其正极材料由锰酸锂85~95%、水性粘合剂1~10%、导电剂3~10%组成，其负极材料由钛酸锂85~95%、水性粘合剂1~10%、导电剂2~10%组成；其中，百分数均为质量百分数。本发明涉及的正负极浆料制作均使用纯水作溶剂，并在后续工艺过程中严格地祛除水分。本发明成本低廉，加工性能优良，操作方便，涉及的电池性能安全可靠，循环寿命长，较适合于混合电动汽车、快速充电增程式纯电动公交系统、大型储能系统、家庭储能电站、高性能要求的军品等领域。
Description
技术领域
本发明属于锂离子动力电池领域，涉及一种钛酸锂为主要负极原材料，锰酸锂为正极主要物质的大容量、高功率锂离子动力电池制造技术。
背景技术
传统的锂离子电池以石墨作为负极材料主要原材料，具有性能稳定、比能量较高的特点。然而石墨也有自身固有的缺陷：如电压过高容易“析锂”，造成安全性隐患。负极材料表面形成的保护膜，在循环使用过程中由于持续不断的化学反应及晶型变化，也在不断的影响电池的循环性及电性能。并最终造成性能下降及电池衰减。
钛酸锂是一种新型的离子二次电池负极材料，具有良好的循环性能和优良的充放电平台。由于充放电时本身形变小而被称为“零应变材料”，极大地提高了电池本身的循环性能和安全性能，是被业内称为“彻底”解决电池安全性能的一种材料。
但是钛酸锂本身电极电位较高，由它作为负极制作的电池电压较低，因此要选择高电位的正极材料匹配。锰酸锂材料电极电位较高，成本较低，是理想的钛酸锂电池正极材料。
在电极的浆料制作中，使用最多的是聚偏氟乙烯（PVDF）、聚（偏氟乙烯-六氟丙烯）的NMP（氮甲基吡咯烷酮）溶液。将原材料、导电剂等与上述粘合剂溶液按一定比例混合，经过高速搅拌制备成浆料后，在涂布工序被均匀地涂于铝箔上，然后经过烘干，碾压、分切成极片。NMP为有机溶剂，沸点203℃，闪点95℃，爆炸界限1.3%-9.5%。NMP散发于空气中有浓烈的气味，污染环境，必须予以回收，直接给电池制造增加了成本。而且NMP在涂布烘箱、风道中必须及时地散发出去，否则会发生爆炸、着火等安全事故。NMP为有机溶剂，具有一定的腐蚀性。而且NMP-PVDF溶液在制作过程中吸水会影响PVDF的粘合性，在电极制造中需要严格地控制水分，从而增加的制造难度和成本。
选择合适的水性粘合剂，使用纯水做正负极原材料的溶剂，制造成本低，对环境零污染，可以有效的解决NMP带来的种种问题。但由于水是锂离子电池最大的不良因素，因此在制作过程中要更加严格地控制水分，以降低由于水做溶剂配料而对锂离子电池的不良影响。
发明内容
本发明的目的是为了一种以钛酸锂为负极、锰酸锂为正极制作大容量高功率塑料壳锂离子动力电池的水性配方体系。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种钛酸锂与锰酸锂体系锂离子电池，其正极材料由锰酸锂85~95%、水性粘合剂1~10%、导电剂3~10%组成，其负极材料由钛酸锂85~95%、水性粘合剂1~10%、导电剂2~10%组成；其中，百分数均为质量百分数。
优选的，水性粘合剂为聚烯烃类化合物。
优选的，聚烯烃类化合物为W811、W812中的至少一种。
优选的，导电剂为SP、超导碳黑、导电石墨、碳纳米管中的至少一种。
上述的锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
1) 将上述的正、负极材料分别溶于纯水，分别经过高速搅拌后配制成正、负极浆料；
2) 将正、负浆料分别均匀地涂布于铝箔上，铝箔经过真空烘烤5～12 h，辊压，分切成正、负极片；
3) 极片经过真空烘烤12～30 h，进入叠片工序，正负极片被装配成电芯；
4) 电芯封装于塑料壳体，经真空烘烤48～96 h，注液、化成分容制作成锂离子电池。
优选的，真空的压力为－0.06～－0.1MPa。
优选的，烘烤温度为65～120℃。
本发明的有益效果是：本发明涉及的锂离子电池容量高，能量大，安全性能高，倍率性能好、循环寿命长。本发明提供了有效的水性钛酸锂配水性锰酸锂的锂离子动力电池制备工艺，该制造方法成本低、工艺简单易行、无环境污染。较适合于混合电动汽车、快速充电增程式纯电动公交系统、大型储能系统、家庭储能电站、高性能要求的军品等领域。
附图说明
图1是实施例1锂离子电池的充电曲线；
图2是实施例1锂离子电池的放电曲线。
具体实施方式
下述一种钛酸锂与磷酸亚铁锂体系锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳。
隔膜为：PP材质的单层PP隔膜；电解液为：1.2mol/L LiPF6溶液，溶剂成分为EC：DMC：EMC=1：1：1；外壳为白色PP材质的塑料壳体。
W811、W812均购自深圳威杰克科技有限公司；SP购自上海汇普工业化学品有限公司。
实施例1
正极材料包括：92%的锰酸锂、4%的W811、4%的SP；
负极材料包括：91%的钛酸锂、4%的W811、5%的SP；
锂离子电池制备步骤如下：
1) 将锰酸锂、W811、SP，溶于纯水，作为正极浆料；将钛酸锂、W811，SP，溶于纯水，作为负极浆料；
2) 正、负极浆料分别经过双行星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑后进入涂布工序；
3) 正、负极集流体均选择铝箔，浆料经过自动上料系统、涂布机将正负极浆料分别均匀地涂在集流体上，涂布结束极卷在真空压力－0.08MPa下110℃烘烤6h后，辊压、分切成极片；
4) 极片在真空压力－0.09MPa下80℃烘烤24 h后进入叠片工序，在装配车间将正极极片、隔膜、负极极片一起层叠成电芯，将电芯缓慢地放入塑料壳体中，得到半成品电池；
5) 半成品电池在－0.09 MPa、80℃环境下烘烤48 h后注液、化成分容成为130Ah锂离子电池。
锂离子电池的充电和放电曲线如图1，图2，由图可知，锂离子电池单只充电最高电压2.7V，放电最低电压为1.5V。
取锂离子电池进行以下实验：1I3电流充电至5V。电池在充电过程中不起火、不爆炸。拆电池发现负极极板无明显损坏。
实施例2
正极材料包括：95%的锰酸锂、2%的W812、1%的SP、2%的超导碳黑；
负极材料包括：85%的钛酸锂、10%的W812、1%的SP、4%的导电石墨；
锂离子电池制备步骤如下：
1) 将锰酸锂、W812、SP、超导碳黑，溶于纯水，作为正极浆料；将钛酸锂、W812、SP、导电石墨，溶于纯水，作为负极浆料；
2) 正、负极浆料分别经过双行星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑后进入涂布工序；
3) 正、负极集流体均选择铝箔，浆料经过自动上料系统、涂布机将正负极浆料分别均匀地涂在集流体上，涂布结束极卷在真空压力－0.08MPa下120℃烘烤5h后，辊压、分切成极片；
4) 极片在真空压力－0.08MPa下100℃烘烤16h后进入叠片工序，在装配车间将正极极片、隔膜、负极极片一起层叠成电芯，将电芯缓慢地放入塑料壳体中，得到半成品电池；
5) 半成品电池在－0.09 MPa、80℃环境下烘烤72h后注液、化成分容成为120Ah锂离子电池。
实施例3
正极材料包括：85%的锰酸锂、5%的W811、5%的W812、5%的导电石墨；
负极材料包括：95%的钛酸锂、3%的W812、1%的碳纳米管、1%的SP；
锂离子电池制备步骤如下：
1) 将锰酸锂、W811、W812、导电石墨，溶于纯水，作为正极浆料；将钛酸锂、W812、碳纳米管、SP，溶于纯水，作为负极浆料；
2) 正、负极浆料分别经过双行星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑后进入涂布工序；
3) 正、负极集流体均选择铝箔，浆料经过自动上料系统、涂布机将正负极浆料分别均匀地涂在集流体上，涂布结束极卷在真空压力－0.10MPa下80℃烘烤10h后，辊压、分切成极片；
4) 极片在真空压力－0.09MPa下110℃烘烤12h后进入叠片工序，在装配车间将正极极片、隔膜、负极极片一起层叠成电芯，将电芯缓慢地放入塑料壳体中，得到半成品电池；
5) 半成品电池在－0.06 MPa、65℃环境下烘烤96h后注液、化成分容成为130Ah锂离子电池。
实施例4
正极材料包括：89%的锰酸锂、1%的W812、10%的超导碳黑；
负极材料包括：89%的钛酸锂、1%的W812、10%的碳纳米管；
锂离子电池制备步骤如下：
1) 将锰酸锂、W812、超导碳黑，溶于纯水，作为正极浆料；将钛酸锂、W812、碳纳米管，溶于纯水，作为负极浆料；
2) 正、负极浆料分别经过双行星动力混合机高速搅拌均匀，消除气泡、铁屑后进入涂布工序；
3) 正、负极集流体均选择铝箔，浆料经过自动上料系统、涂布机将正负极浆料分别均匀地涂在集流体上，涂布结束极卷在真空压力－0.09MPa下90℃烘烤12h后，辊压、分切成极片；
4) 极片在真空压力－0.08MPa下80℃烘烤30h后进入叠片工序，在装配车间将正极极片、隔膜、负极极片一起层叠成电芯，将电芯缓慢地放入塑料壳体中，得到半成品电池；
5) 半成品电池在－0.08 MPa、100℃环境下烘烤60h后注液、化成分容成为130Ah锂离子电池。
Claims (7)
1.一种钛酸锂与锰酸锂体系锂离子电池，其正极材料由锰酸锂85~95%、水性粘合剂1~10%、导电剂3~10%组成，其负极材料由钛酸锂85~95%、水性粘合剂1~10%、导电剂2~10%组成；其中，百分数均为质量百分数。
2. 根据权利要求1所述的钛酸锂与锰酸锂体系锂离子电池，其特征在于：所述水性粘合剂为聚烯烃类化合物。
3.根据权利要求2所述的钛酸锂与锰酸锂体系锂离子电池，其特征在于：所述聚烯烃类化合物为W811、W812中的至少一种。
4. 根据权利要求1所述的钛酸锂与锰酸锂体系锂离子电池，其特征在于：所述导电剂为SP、超导碳黑、导电石墨、碳纳米管中的至少一种。
5.权利要求1所述的锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：
1) 将权利要求1所述的正、负极材料分别溶于纯水，分别经过高速搅拌后配制成正、负极浆料；
2) 将正、负浆料分别均匀地涂布于铝箔上，铝箔经过真空烘烤5～12 h，辊压，分切成正、负极片；
3) 极片经过真空烘烤12～30 h，进入叠片工序，正负极片被装配成电芯；
4) 电芯封装于塑料壳体，经真空烘烤48～96 h，注液、化成分容制作成锂离子电池。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池的制备工艺，其特征在于：所述真空的压力为－0.06～－0.1MPa。
7.根据权利要求5所述的锂离子电池的制备工艺，其特征在于：所述烘烤温度为65～120℃。
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