一種高能量密度鋰離子電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高能量密度鋰離子電池，屬于鋰離子電池領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自從1990年日本索尼公司率先研制成功鋰離子電池并將其商品化以來(lái)，鋰離子電池得到了迅猛發(fā)展。如今鋰離子電池已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于民用及軍用的各個(gè)領(lǐng)域。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)電池的性能提出了更多更高的要求:電子設(shè)備的小型化和個(gè)性化發(fā)展，需要電池具有更小的體積和更高的比能量輸出；航空航天能源要求電池具有循環(huán)壽命，更好的低溫充放電性能和更高的安全性能；電動(dòng)汽車(chē)需要大容量、低成本、高穩(wěn)定性和安全性能的電池。
[0003]鋰離子電池的負(fù)極材料有碳材料、金屬間化合物、錫基化合物等。目前商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料采用的是石墨類(lèi)碳材料，具有較低的鋰嵌入/脫嵌電位、合適的可逆容量且資源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是比較理想的鋰離子電池負(fù)極材料。石墨類(lèi)材料具有較低的沖放電平臺(tái)，嵌鋰容量高，其嵌鋰化合物L(fēng)iC6的理論嵌鋰容量為372mAh/g，并且首次充放電效率較高。人們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，石墨在首次循環(huán)過(guò)程中，由于與電解液發(fā)生反應(yīng)形成SEI膜，這層薄膜允許鋰離子自由穿過(guò)，防止溶劑化鋰離子進(jìn)入，這樣在石墨表面上形成的這層SEI膜就可以防止石墨電極不被電解液進(jìn)一步的腐蝕，維持良好的循環(huán)性能。
[0004]鋰離子電池的正極材料一般為過(guò)度金屬氧化物，如:LiCo02、LiNi02、LiMnO2、和LiNixCoyMn (1 x y)02m^以及過(guò)度金屬的磷酸鹽。其中層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO 2電極性能良好，是當(dāng)前市場(chǎng)上商品鋰離子電池廣泛采用的正極材料，但也存在價(jià)格高，污染大等缺點(diǎn)；尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4價(jià)格便宜，無(wú)污染，被視為取代LiCoO 2的首選材料，獲得廣泛深入的研究，但由于容量偏低，高溫下容量衰減嚴(yán)重等問(wèn)題，其應(yīng)用范圍仍受到一定的限制；與結(jié)構(gòu)相似的LiCoO2相比，LiN12具有容量高，功率大，價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，但也存在合成困難，熱穩(wěn)定性差等問(wèn)題，其實(shí)用化進(jìn)程一直較緩慢。然而，隨著摻雜型多元氧化物(如LiNixCoyMn (lxy)O2等)性能的改善和提高，況且，將鋰離子電池的應(yīng)用擴(kuò)展到電動(dòng)汽車(chē)(EV，HEV)，蓄能電站，軍事應(yīng)用等工業(yè)大電池領(lǐng)域正成為研究熱點(diǎn)。
[0005]不管是正極的還是負(fù)極的活性材料，導(dǎo)電劑作為鋰電池不可缺少的重要組成部分，其目的是要在活性材料中形成有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于活性材料和導(dǎo)電劑的復(fù)合物(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“復(fù)合電極”)而言，要形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電劑的添加量就必須達(dá)到和超過(guò)一定量，超過(guò)這個(gè)量時(shí)，導(dǎo)電劑顆粒可填充滿(mǎn)活性材料顆粒間的空隙，并且導(dǎo)電劑之間有了有效的接觸，復(fù)合電極的導(dǎo)電性得到根本改善。前市場(chǎng)上鋰離子電池導(dǎo)電劑主要為Super-P與KS系列，此兩類(lèi)產(chǎn)品皆為國(guó)外進(jìn)口，前者為納米級(jí)的炭黑類(lèi)產(chǎn)品，既有較小的粒徑和較大的比表面積，又具有較好的導(dǎo)電性能，但是由于粒徑較小及比表面積較大，不易分散，而后則為微米級(jí)的導(dǎo)電石墨，易于分散，但是導(dǎo)電性能較Super-P差。所以實(shí)際使用過(guò)程中，兩者都是同時(shí)添加使用，互補(bǔ)不足。而石墨稀結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性和巨大的比表面積。其作為鋰離子電池的導(dǎo)電劑，可以極大提高電池的能量密度，同時(shí)增加材料的倍率充放電性能，滿(mǎn)足動(dòng)力電池的要求。
[0006]鋰離子電池性能的提升，主要得益于各材料性能的提升，以及各組分的配合，因此選擇合適的材料體系，可以針對(duì)不同需要制備出性能側(cè)重點(diǎn)不一的鋰離子電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池在體積能量密度偏低方面所存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種具有一種高能量密度的鋰離子電池及其制備方法。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種高能量密度鋰電池，材料體系以高壓實(shí)鈷酸鋰為正極，以高壓實(shí)、高容量天然改性石墨為負(fù)極，以石墨烯為導(dǎo)電添加劑。
[0009]鈷酸鋰正極材料的克比容量為155?162mAh/g，首次效率為96.5?99.5%，雙面面密度為30?50mg/cm2，正極壓實(shí)密度2.0?2.5g/cm3。
[0010]石墨負(fù)極材料的克比容量為350?360mAh/g，首次效率為94?96.5%，負(fù)極壓實(shí)密度為1.5?1.8g/cm3，且負(fù)極極片面密度以對(duì)應(yīng)的正極活性物質(zhì)過(guò)量比為3%?10%。
[0011]作為優(yōu)選，正極極片的制作是先將2?5wt%粘接劑-聚偏氟乙烯(PVDF)與80?120wt%溶劑-甲基吡咯烷酮(NMP)制成膠液，再加入I?3wt%石墨烯導(dǎo)電劑分散好，最后加入80?95.5wt%活性材料鈷酸鋰，混合成漿料，調(diào)節(jié)粘度，在0.010?0.016mm的鋁箔上涂布出極片，輥壓分切得到正極極片；且正極雙面密度為40?50mg/ cm2，壓實(shí)密度2.2?2.4g/cm3 ο
[0012]作為優(yōu)選，負(fù)極極片的制作是先將I?2wt%增稠劑-羥甲基纖維素鈉(CMC)與去離子水配置成膠液，加入0.5?2wt%石墨烯導(dǎo)電劑分散好，再加入93.8?98wt%活性材料天然改性石墨，最后加2?4.4wt%粘接劑-丁苯橡膠(SBR),混合成漿料，調(diào)節(jié)粘度，在0.08?0.0lOmm的銅箔上涂布出極片，負(fù)極壓實(shí)密度1.6?1.8g/cm3。
[0013]作為優(yōu)選，正極與負(fù)極之間采用隔膜分開(kāi)，且隔膜為0.012?0.025mm。
[0014]作為優(yōu)選，電解液采用lmol/L的LiPF6/EC+DMC+EMC (v/v =1:1:1)，不含對(duì)天然石墨結(jié)構(gòu)起破壞作用的PC溶劑。
[0015]石墨作為負(fù)極材料時(shí)，在首次充放電過(guò)程中在其表面形成一層固體電解質(zhì)膜(SEI膜)。固體電解質(zhì)膜是電解液、負(fù)極材料和鋰離子等相互反應(yīng)形成，不可逆地消耗鋰離子，是形成不可逆容量的一個(gè)主要的因素；其次在鋰離子嵌入的過(guò)程中，電解質(zhì)容易與其共嵌在迀出的過(guò)程中，電解液被還原，生成的氣體產(chǎn)物導(dǎo)致石墨片層剝落，尤其在含有PC的電解液中，石墨片層脫落將形成新界面，導(dǎo)致進(jìn)一步SEI形成，由此導(dǎo)致電池循環(huán)性能降低，限制了石墨類(lèi)材料在動(dòng)力電池材料方面的應(yīng)用。
[0016]根據(jù)以上所述，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種高能量密度鋰離子電池，電池組裝完成后，經(jīng)過(guò)擱置、化成、老化、分容即可。本發(fā)明的有益效果和進(jìn)步在于:
1、采用高克比容量、高壓實(shí)的正、負(fù)極材料體系，提升單位體積活性材料的量，提高電池體積能量密度；
2、采用高導(dǎo)電性能的石墨烯作為導(dǎo)電劑添加劑，避免采用常規(guī)導(dǎo)電劑而需大量添加從而降低正、負(fù)極活性材料比例的弊端，進(jìn)一步提高電池體積能量密度；
3、采用不含PC溶劑的電解液，避免PC對(duì)天然石墨的侵蝕，保證電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實(shí)施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實(shí)施例僅僅用于幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的具體限制。
[0018]實(shí)施例1
本實(shí)施例描述的一種能量密度鋰離子電池，以鈷酸鋰為正極活性材料，鈷酸鋰的克比容量為159mAh/g，首次效率為98.2% ;以天然改性石墨為負(fù)極材料，克比容量360mAh/g，首次效率94%。
[0019]其中，正極極片的制作是先將粘結(jié)劑PVDF (3wt% )與溶劑NMP (80wt% )配置成膠液，在加入石墨烯2wt%分散好，最后加入活性材料鈷酸鋰95wt%，混合成漿料，調(diào)節(jié)粘度，然后在0.016mm的鋁箔