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CN106785064A - 一种锂离子电池的制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：1)将正极活性物质、导电剂、粘结剂及含氟表面活性剂按照(80％‑97％)：(1％‑10％)：(1‑10％)：(0.5％‑10％)的质量比与溶剂混合，配置成正极浆料；将所述正极浆料涂覆在正极集流体上，进行烘干、辊压、分切得到正极极片；2)将负极活性物质、导电剂、粘结剂及含氟表面活性剂按照(80％‑97％)：(1％‑10％)：(1‑10％)：(0.5％‑10％)的质量比与溶剂混合，配置成负极浆料；将所述负极浆料涂覆在负极集流体上，进行烘干、辊压、分切得到负极极片；3)利用所述正极极片、所述负极极片、隔膜及电解液组装锂离子电池。

Description

一种锂离子电池的制备方法
【技术领域】
本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池的制备方法。
【背景技术】
在体积相同的条件下，极片压实密度越高，锂离子电池容量越高，能量密度越大。但是，高压实密度会直接影响电池极片的电解液可湿润性，导致吸液、保液性能不佳，进而影响电解液离子在极片中的迁移速率，不但限制了活性材料克容量发挥，还会给电池的效率、内阻以及循环性能带来负面影响。此外，压实密度高也会导致电池注液效果差，二次注液次数增加，电池成本上升。
现有的锂离子电池体系，极片压实密度均较高，一般通过优化电解液配方，如调节配比改进电解液粘度，或添加可溶性表面活性剂提升电解液浸润能力，从而保障电池性能发挥。但是，材料不同的电池体系(例如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸铁锂、三元材料、钛酸锂等)以及适用条件不同的电池体系(例如高能量，高倍率，耐低温、高温等)的要求各有差异。此外，添加表面活性剂，在一定程度上也会提升电解液的粘度，可能带来负面影响。
【发明内容】
本发明提出一种通过提升极片本身的电解液可润湿性，增强吸液保液性能，进而优化电池性能的锂离子电池的制备方法。
本发明提供的一种锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将正极活性物质、导电剂、粘结剂及含氟表面活性剂按照(80％-97％)：(1％-10％)：(1-10％)：(0.5％-10％)的质量比与溶剂混合，配置成正极浆料；将所述正极浆料涂覆在正极集流体上，进行烘干、辊压、分切得到正极极片；
2)将负极活性物质、导电剂、粘结剂及含氟表面活性剂按照(80％-97％)：(1％-10％)：(1-10％)：(0.5％-10％)的质量比与溶剂混合，配置成负极浆料；将所述负极浆料涂覆在负极集流体上，进行烘干、辊压、分切得到负极极片；
3)利用所述正极极片、所述负极极片、隔膜及电解液组装锂离子电池。
在一个优选实施方式中，所述含氟表面活性剂为全氟烷基磺酸盐、全氟烷氧基苯磺酸盐、全氟烷基羟酸盐中至少一种。
在一个优选实施方式中，所述正极浆料的配置方法如下：
将所述粘结剂加入所述溶剂中，搅拌至均匀；然后加入导电剂及含氟表面活性剂，搅拌至均匀；最后加入正极活性物质，进行打浆。
在一个优选实施方式中，所述负极浆料的配置方法如下：
将所述粘结剂加入所述溶剂中，搅拌至均匀；然后加入导电剂及含氟表面活性剂，搅拌至均匀；最后加入负极活性物质，进行打浆。
在一个优选实施方式中，所述正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、硝酸锰锂、硅酸铁锂、三元材料、锂硫材料的其中一种。
在一个优选实施方式中，所述负极活性物质为钛酸锂、石墨、软碳、硬碳、中间相碳材料、硅碳材料的其中一种。
在一个优选实施方式中，所述导电剂为导电碳材料。
在一个优选实施方式中，所述溶剂为水，所述粘结剂为CMC与SBR；或所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮，所述粘结剂为PVDF。
在一个优选实施方式中，所述正极集流体为铝箔，所述负极集流体为铜箔。
本发明提供的锂离子电池的制备方法，从改进极片自主吸液性能入手，添加含氟表面活性剂到极片中，提升了极片本身的电解液可润湿性，增强了吸液保液性能，缩短了电池的注液时效，几乎不需要二次补液，从而降低了成本。此外，该方法普遍适用于各种电池材料体系，也很好地解决了锂离子电池极片辊压后带来的负面影响，且制作简单，易于实现大规模工业化生产。
【附图说明】
图1为本发明提供的锂离子电池的制备方法的流程示意图。
【具体实施方式】
请参考图1，本发明提供一种锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将正极活性物质、导电剂、粘结剂及含氟表面活性剂按照(80％-97％)：(1％-10％)：(1-10％)：(0.5％-10％)的质量比与溶剂混合，配置成正极浆料；将所述正极浆料涂覆在正极集流体上，进行烘干、辊压、分切得到正极极片；
2)将负极活性物质、导电剂、粘结剂及含氟表面活性剂按照(80％-97％)：(1％-10％)：(1-10％)：(0.5％-10％)的质量比与溶剂混合，配置成负极浆料；将所述负极浆料涂覆在负极集流体上，进行烘干、辊压、分切得到负极极片；
3)利用所述正极极片、所述负极极片、隔膜及电解液组装锂离子电池。
具体地，所述正极浆料的配置方法如下：将所述粘结剂加入所述溶剂中，搅拌至均匀；然后加入导电剂及含氟表面活性剂，搅拌至均匀；最后加入正极活性物质，进行打浆。所述负极浆料的配置方法如下：将所述粘结剂加入所述溶剂中，搅拌至均匀；然后加入导电剂及含氟表面活性剂，搅拌至均匀；最后加入负极活性物质，进行打浆。
进一步地，所述正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、硝酸锰锂、硅酸铁锂、三元材料、锂硫材料的其中一种。所述负极活性物质为钛酸锂、石墨、软碳、硬碳、中间相碳材料、硅碳材料的其中一种。所述含氟表面活性剂为全氟烷基磺酸盐、全氟烷氧基苯磺酸盐、全氟烷基羟酸盐中至少一种。所述导电剂为导电碳材料。所述溶剂为水，所述粘结剂为CMC(羧甲基纤维素)与SBR(丁苯橡胶)；或所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮，所述粘结剂为PVDF(聚偏氟氯乙烯)。所述正极集流体为铝箔，所述负极集流体为铜箔。
所述含氟表面活性剂增强电池极片(包括正极极片与负极极片)的电解液可润湿性原理如下：含氟表面活性剂是以氟碳链为非极性基团的表面活性剂，即以氟原子部分或全部取代碳氢链上的氢原子。氟碳表面活性剂具有高表面活性，高热力学和化学稳定性，这是因为碳-氟键键能高，很难被破坏。含氟表面活性剂与普通表面活性剂类似，都是由亲水基团和亲油基团组成，根据亲水基团不同，可分为苯磺酸盐类(CF2)n-C6H4-SO3M、羧酸盐类(CF2)n-COOM、磺酸盐类(CF2)n-SO3M、磷酸盐类(CF2)n-OPO3M和硫酸盐类(CF2)n-OSO3M等种类，其中，n为正整数；M代表铵根、钠、钾等金属元素或离子。以全氟辛烷苯磺酸钠为例，全氟辛烷基团是强亲油基团，苯磺酸钠基团是亲水基团。通常，锂电池中的电解液溶剂是由烷基碳酸酯类或烷基羧酸酯类等油性有机溶剂复配而来，将其添加到电池极片中，由于其分子中具有强亲油基团，根据极性相近相亲原理，这就是含氟表面活性剂能提升电池极片对电解液的可湿润性的根本原因，但亲水基团又使其稳定存在于电池极片中，不会在充放电的过程中脱落、溶解于电解液中。
在一个具体实施方式中，将LiFePO4正极材料、导电炭黑、PVDF、全氟壬基磺酸钠按照94.5：2：2.5：1的质量比与N-甲基吡咯烷酮混合，配置成正极浆料。具体地，首先将PVDF完全溶解于N-甲基吡咯烷酮中，然后加入导电炭黑及全氟壬基磺酸钠并搅拌至均匀，最后加入LiFePO4正极材料并搅拌均匀。打浆完成后，将正极浆料均匀涂覆在铝箔上，然后高温烘干、辊压、分切制得正极极片。
将石墨、导电炭黑、CMC、SBR、全氟壬基磺酸钠按照94.7：1.5：1.3：1.5：1的质量比与蒸馏水混合，配置成负极浆料。具体地，首先将CMC完全溶解于蒸馏水中，然后再加入导电炭黑及全氟壬基磺酸钠并搅拌至均匀，最后加入石墨并搅拌至均匀，再加入SBR缓慢搅拌至均匀。打浆完成后，将负极浆料均匀涂覆在铜箔上，然后高温烘干、辊压、分切制得负极极片。
鉴于本实施方式中，含氟表面活性剂(全氟壬基磺酸钠)的质量百分比为1％，将得到的正极极片、负极极片分别标记为正1与负1。
在其它实施方式中，改变全氟壬基磺酸钠的含量，当全氟壬基磺酸钠的质量百分比为2％时，按照上述实施例中的操作步骤，制得的正极极片、负极极片分别标记为正2与负2；当全氟壬基磺酸钠的质量百分比为3％时，按照上述实施例中的操作步骤，制得的正极极片、负极极片分别标记为正3与负3。
作为参照对象，当全氟壬基磺酸钠的质量百分比为0％时，按照上述实施例中的操作步骤，制得的正极极片、负极极片分别标记为正0与负0。
将制备好的正极极片(正0、正1、正2、正3)与负极极片(负0、负1、负2、负3)，分别取样进行吸液测试。测试方法如下：将制备好的正极极片与负极极片裁成小片并称重记录，平铺放置，用移液器取10μL电解液(ρ＝1.23g/cm3)滴在极片上，秒表开始计时，直至电解液刚好完全被极片吸收，停表记录耗时，并称重记录吸液重量，平行测试三次求取平均值。此测试目的在于验证添加含氟表面活性剂后的电池极片自主吸收电解液的能力，并验证含氟表面活性剂的剂量大小与吸液速率的关系。结果如表1所示，表明添加含氟表面活性剂后，电池正极极片与负极极片自主吸液性能明显提升，且随着添加量的增加，吸液速率明显提升。
表1 添加不同含量的含氟表面活性剂对电池电极吸收电解液效果的影响
进一步地，采用表1中含氟表面活性剂剂量相同的正极极片与负极极片进行组装，装配成32650型圆柱电池进行注液，验证加入含氟表面活性剂后的注液效果，并观测添加量大小对注液时效的影响。具体地，经过制片、卷绕、装配、冲槽、点底、高温烘烤等步骤后，进行电池注液、并记录效果(时效、良品率等)。其中，采用全氟壬基磺酸钠质量比相同的正、负极片组装电池，分别标记为正0-负0、正1-负1、正2-负2、正3-负3。结果如表2所示，表明添加含氟表面活性剂后，电池的注液时效大大提升，而且注液合格率也明显提升；并且随着添加量的逐步上升，注液时效大大缩短，注液合格率稳步提升，几乎一次完成注液，不需要再次补液。
表2 添加不同含量的含氟表面活性剂对电池注液效果的影响
电池编号 待注液电池数(pcs) 注液完成时间(min) 首次注液后不合格数(pcs) 良品率(％)
正0-负0 1000 58 47 95.3
正1-负1 1000 45 4 99.4
正2-负2 1000 36 1 99.9
正3-负3 1000 28 0 100
进一步地，将表2中注液完成后的电池，进行封口静置后，再进行各项电性能测试。结果如表3所示，表明添加含氟表面活性剂后，电池的各项电性能大大提升，且随着添加量的增加，各项电性能也稳步提升。
表3 添加不同含量的表面活性剂对电池电性能的影响
电池编号 首次效率(％) 内阻(Ω) 3C充电恒流比(％) 循环性能
正0-负0 84.25 8.7 79.54 200周/81.75％
正1-负1 92.38 7.5 90.12 200周/92.58％
正2-负2 94.36 6.6 92.33 200周/96.34％
正3-负3 95.47 5.8 94.12 200周/98.22％
本发明提供的锂离子电池的制备方法，从改进电池极片自主吸液性能入手，添加含氟表面活性剂到极片中，提升了电池极片本身的电解液可润湿性，增强了吸液保液性能，缩短了电池的注液时效，几乎不需要二次补液，从而降低了成本。此外，该方法普遍适用于各种电池材料体系，很好地解决了锂离子电池极片辊压后带来的负面影响，而且制作简单，易于实现大规模工业化生产。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施局限于这些说明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种锂离子电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将正极活性物质、导电剂、粘结剂及含氟表面活性剂按照(80％-97％)：(1％-10％)：(1-10％)：(0.5％-10％)的质量比与溶剂混合，配置成正极浆料；将所述正极浆料涂覆在正极集流体上，进行烘干、辊压、分切得到正极极片；
2)将负极活性物质、导电剂、粘结剂及含氟表面活性剂按照(80％-97％)：(1％-10％)：(1-10％)：(0.5％-10％)的质量比与溶剂混合，配置成负极浆料；将所述负极浆料涂覆在负极集流体上，进行烘干、辊压、分切得到负极极片；
3)利用所述正极极片、所述负极极片、隔膜及电解液组装锂离子电池。
2.如权利要求1所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述含氟表面活性剂为全氟烷基磺酸盐、全氟烷氧基苯磺酸盐、全氟烷基羟酸盐中至少一种。
3.如权利要求1所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极浆料的配置方法如下：
将所述粘结剂加入所述溶剂中，搅拌至均匀；然后加入导电剂及含氟表面活性剂，搅拌至均匀；最后加入正极活性物质，进行打浆。
4.如权利要求1所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述负极浆料的配置方法如下：
将所述粘结剂加入所述溶剂中，搅拌至均匀；然后加入导电剂及含氟表面活性剂，搅拌至均匀；最后加入负极活性物质，进行打浆。
5.如权利要求1所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、硝酸锰锂、硅酸铁锂、三元材料、锂硫材料的其中一种。
6.如权利要求1所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述负极活性物质为钛酸锂、石墨、软碳、硬碳、中间相碳材料、硅碳材料的其中一种。
7.如权利要求1所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述导电剂为导电碳材料。
8.如权利要求1所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述溶剂为水，所述粘结剂为CMC与SBR；或所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮，所述粘结剂为PVDF。
9.如权利要求1所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述正极集流体为铝箔，所述负极集流体为铜箔。
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