CN110233241A - 快充型锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快充型锂离子电池,对镍钴锰酸锂正极粒径优化筛选以获得2‑5微米粒径的正极颗粒，混入15‑20微米粒径的正极颗粒，并添加直径在10‑15纳米，10‑20微米长度的纳米碳材料，纳米碳材料在正极中形成良好的导电网络来提高电子迁移速度，提高正极的快速充电性能；对石墨负极颗粒优化筛选以获得粒径在10‑12微米的负极颗粒，并掺入粒径在3‑5微米的负极颗粒以提高负极的锂离子嵌入速率，同时掺入粒径在23‑28微米的负极颗粒，来保证负极材料的填充密度，本发明通过调整正负极材料的粒子比例以保证锂离子电池具快速充电和高能量密度特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种快充型锂离子电池。
背景技术
在所有能源形式中，电能是最容易使用、最清洁环保和效率最高的能源，电池是最好的储存电能的装置，在所有电池产品中，锂电池是目前世界上最年轻、最先进、技术含金量最高、能量密度最大的能源产品，锂电池具有工作稳定范围宽，放电电压平稳，自放电率低，使用寿命长等优点，已被广泛应用于各种领域，特别是航天航空、军事、长寿命仪器仪表、物流追踪、骑车汽车电子、移动数码产品等领域。
目前国内生产的高倍率型锂离子电池18650型可以持续20A电流放电的最高容量为2000mAh，充电倍率一般在1C，电池充满时间大约在70分钟以上。但随着无绳电动工具的专业化发展，电动工具的使用频率越来越高，双电池包交替使用的场景需求的越来越多，用户在使用电动工具的同时，另一个备用电池包同时在充电，便于电池包的交替使用，但是电池包的使用时间正常在30-40分钟之间，因此，专业化需求的电池包充电时间应控制在30分钟以内。
由于快速充电时，锂离子在电池正负极之间的移动速率加快，在锂离子从正极脱嵌时，需要快速的移动到负极并被负极材料接纳嵌入，从而保证正常的充电反应进行。在此反应过程中，如果负极材料的锂离子嵌入速率达不到电芯施加的充电电流电子迁移速率，便会造成锂金属在负极表面的析出，锂金属的析出为不可逆反应，析出的锂金属无法在放电反应时迁移回正极，从而造成电芯的可逆容量降低。较低的电芯活性物质填充密度和较大的电极面积可以增加锂离子的迁移和嵌入速度，从而提高电芯的快充性能，但是较低的电芯活性物质填充密度和较大的电极面积同时会降低电芯的能量密度，并且需要更多的辅助集流体，从而进一步挤压了活性物质的填充空间，降低电芯的能量密度。因此，需要平衡矛盾，即在提高电芯的快充性能，同时保证所需的电芯能量密度指标。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种快充型锂离子电池，具有高电芯能量密度指标同时也具有稳定电芯的快充性能。
技术方案：本发明所述的快充型锂离子电池，包括镍钴锰酸锂正极和石墨负极；对镍钴锰酸锂正极粒径优化筛选以获得2-5微米粒径的正极颗粒，混入15-20微米粒径的正极颗粒，其比例为2-5微米粒径的颗粒含量在5-15％之间，15-20微米粒径的颗粒含量在30-50％之间，5-15微米粒径的颗粒在25-45％之间，再并添加直径在10-15纳米，长度为10-20微米的纳米碳材料，纳米碳材料在正极中形成良好的导电网络来提高电子迁移速度，提高正极的快速充电性能；对石墨负极颗粒优化筛选以获得粒径在10-12微米的负极颗粒，并掺入粒径在3-5微米的负极颗粒以提高负极的锂离子嵌入速率，同时掺入粒径在23-28微米的负极颗粒，来保证负极材料的填充密度。
通过采用上述技术方案，2-5微米粒径的正极颗粒来提高正极锂离子移动速率；5-20微米粒径的正极颗粒来保证正极材料的填充密度，从而使正极材料兼具快速充电和高能量密度特性；纳米碳材料在正极中形成良好的导电网络来提高电子迁移速度，提高正极的快速充电性能。粒径在3-5微米的负极颗粒以提高负极的锂离子嵌入速率，粒径在23-28微米的负极颗粒，来保证负极材料的填充密度。通过调整正负极材料颗粒的不同的比重以保证锂离子电池具快速充电和高能量密度特性。
有益效果：本发明通过调整正负极材料的粒子比例以保证锂离子电池具快速充电和高能量密度特性；本发明通过调整电解液的组分以提高快速充电时负极SEI膜的稳定性和导电率；本发明通过调整微孔隔膜的孔隙率以提高锂离子在隔膜中的传输速率，从而提高电芯快充性能。
具体实施方式
一种快充型锂离子电池，包括镍钴锰酸锂正极和石墨负极以及电解液。快充型锂离子电池在于提高正负极材料的快速充电的同时，又要保证较高的能量密度和较好的循环寿命。由于快速充电时，锂离子在电池正负极之间的移动速率加快，在锂离子从正极脱嵌时，需要快速的移动到负极并被负极材料接纳嵌入，从而保证正常的充电反应进行。在此反应过程中，如果负极材料的锂离子嵌入速率达不到电芯施加的充电电流电子迁移速率，便会造成锂金属在负极表面的析出，锂金属的析出为不可逆反应，析出的锂金属无法在放电反应时迁移回正极，从而造成电芯的可逆容量降低。因此，对石墨负极颗粒优化筛选以获得粒径在10-12微米的负极颗粒占比为40-60％，并掺入10-25％粒径在3-5微米的负极颗粒以提高负极的锂离子嵌入速率，同时掺入15-35％粒径在23-28微米的负极颗粒，来保证负极材料的填充密度。
原有负极材料通过粘结剂进行粘结负极颗粒，测试中发现粘结剂的含量越高，负极片的内阻越高导致负极片的电子传输速率下降，并且负极中的活性物质的填充密度被降低，因此，在石墨负极中添加丙烯酸改性丁苯乳胶来减少负极粘结剂的含量，只需要普通丁苯乳胶60-70％的用量就可以达到相同的粘结强度，这样可以提高负极有效活性物质的填充密度，而且降低了负极片的内阻，有助于提高负极片的电子传输速率。
同时为了使正极材料兼具快速充电和高能量密度特性，对镍钴锰酸锂正极粒径优化筛选以获得2-5微米粒径的正极颗粒，混入15-20微米粒径的正极颗粒，其比例为2-5微米粒径的颗粒含量在5-15％之间，15-20微米粒径的颗粒含量在30-50％之间，5-15微米粒径的颗粒在25-45％之间，再并添加直径在10-15纳米，长度为10-20微米的纳米碳材料，纳米碳材料在正极中形成良好的导电网络来提高电子迁移速度，提高正极的快速充电性能。
镍钴锰酸锂正极和石墨负极之间设置有厚度为20-25微米的微孔隔膜，将微孔隔膜的孔隙率从40％提高到47％以提高锂离子在隔膜中的传输速率，从而提高电芯快充性能。
电解液包括包含10-20％碳酸乙烯酯、10-20％碳酸甲基乙基酯、14-18％六氟磷酸锂的电解液，在电解液中添加50wt％的碳酸二甲酯，由于碳酸二甲酯的高介电常数特性，导致六氟磷酸锂在其中解离度较高，因此可以提高电解液的离子电导率。
在电解液中加入1-2％的氟代碳酸乙烯酯，氟代碳酸乙烯酯加入后能在SEI膜中形成较多的碳酸锂，能够允许正锂离子扩散通过，从而提升了负极的快速充电性能，并提高快速充电时负极SEI膜的稳定性。
Claims (5)
1.一种快充型锂离子电池，包括镍钴锰酸锂正极和石墨负极；其特征在于对镍钴锰酸锂正极粒径优化筛选以获得2-5微米粒径的正极颗粒，混入15-20微米粒径的正极颗粒，其比例为2-5微米粒径的颗粒含量在5-15％之间，15-20微米粒径的颗粒含量在30-50％之间，5-15微米粒径的颗粒在25-45％之间，再并添加直径在10-15纳米，长度为10-20微米的纳米碳材料，纳米碳材料在正极中形成良好的导电网络来提高电子迁移速度，提高正极的快速充电性能；对石墨负极颗粒优化筛选以获得粒径在10-12微米的负极颗粒，并掺入粒径在3-5微米的负极颗粒以提高负极的锂离子嵌入速率，同时掺入粒径在23-28微米的负极颗粒，来保证负极材料的填充密度。
2.根据权利要求1所述的快充型锂离子电池，其特征在于在石墨负极中添加丙烯酸改性丁苯乳胶作为粘结剂将石墨负极粘结在铜箔集流体上，使用丙烯酸改性丁苯乳胶作为粘结剂，用量减少到普通丁苯乳胶的60-70％，可以提高负极有效活性物质的填充密度，而且降低了负极片的内阻，有助于提高负极片的电子传输速率。
3.根据权利要求1所述的快充型锂离子电池，其特征在于还包括厚度为20-25微米的聚丙烯微孔隔膜，聚丙烯微孔隔膜两侧是正负极极片，将微孔隔膜的孔隙率从40％提高到47％以提高锂离子在隔膜中的传输速率，从而提高电芯快充性能。
4.根据权利要求1所述的快充型锂离子电池，其特征在于还包括电解液,电解液包含10-20％碳酸乙烯酯、10-20％碳酸甲基乙基酯、14-18％六氟磷酸锂，在电解液中添加32％-50％的碳酸二甲酯，由于碳酸二甲酯的低黏度特性，导致六氟磷酸锂在其中解离度较高，离子运动速度快，因此可以提高电解液的离子电导率。
5.根据权利要求4所述的快充型锂离子电池，其特征在于在电解液中加入1-2％的氟代碳酸乙烯酯，氟代碳酸乙烯酯加入后能在SEI膜中形成较多的碳酸锂，能够允许正锂离子扩散通过，从而提升了负极的快速充电性能，并提高快速充电时负极SEI膜的稳定性。
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