一種基于鈦酸鋰的鋰離子電池負極材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋰電池，具體涉及一種基于鈦酸鋰的鋰離子電池負極材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展和科技的不斷進步，能源短缺以及生態(tài)環(huán)境惡化問題成為影響人類社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略核心。這就促使人們尋找潔凈的可再生新能源。鋰離子電池作為當今社會便攜式能源的“承載體”被廣泛應用于儲能、通信、及國防建設等領域，尤其是在新能源汽車中的推廣，已上升到國家戰(zhàn)略高度。目前，商品化鋰離子電池的正極材料主要為LiCo02、LiFeP04、LiCoNiMn02、LiMn204，負極材料為石墨，其搭配組成的鋰離子電池存在不可逆容量高、能量密度低、使用壽命短、快速充放電能力差、石墨結(jié)構穩(wěn)定性差的問題。具有高電壓、長壽命的尖晶石型鎳錳酸鋰(LiN1.5Mnl.504)被視為新一代鋰離子電池正極材料的理想之選，而具有“零應變”特性的鈦酸鋰(Li4Ti5012)能夠有效避免負極結(jié)構的破壞，鋰離子電池在滿足低成本、高安全、無污染及快速充放電的前提下，能量密度、循環(huán)性能也有較大提升，這將為鋰離子電池在新能源領域中的廣泛推廣提供有利支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是鋰離子電池生產(chǎn)成本高，電池可逆比容量低、能量密度和快速充放電能力不夠，循環(huán)性能和安全性能不足，目的在于提供一種基于鈦酸鋰的鋰離子電池負極材料及其制備方法，解決在降低生產(chǎn)成本的同時，也達到了提高電池可逆比容量、能量密度和快速充放電能力，改善循環(huán)性能和安全性能的問題。
[0004]本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn):
一種基于鈦酸鋰的鋰離子電池負極材料，所述負極材料的負極活性物質(zhì)采用鈦酸鋰，利用鈦酸鋰制備水系或油系負極材料；
所述的水系負極配料為:負極片由負極活性物質(zhì)、粘結(jié)劑、導電劑、增稠劑和溶劑構成的水系負極漿料涂層，以及負極集流體組成；
所述的負極活性物質(zhì)采用鈦酸鋰；所述的粘接劑采用羧甲基纖維素鈉；所述的導電劑采用導電碳黑、導電石墨、碳納米管中的一種或多種；所述的增稠劑采用丁苯橡膠；所述的溶劑采用去離子水；所述的負極集流體采用銅箔；
所述的油系負極配料為:負極片由負極活性物質(zhì)、粘接劑、導電劑、助劑和溶劑構成的油系負極漿料涂層，以及負極集流體組成；
所述的負極活性物質(zhì)采用鈦酸鋰；粘接劑采用聚偏氟乙烯；導電劑采用導電石墨、導電碳黑中的一種或多種；助劑采用草酸；溶劑采用N-甲基吡咯烷酮；負極集流體采用銅箔。
[0005]進一步的，所述水系負極的負極片漿料涂層各組分的質(zhì)量百分數(shù)為:
負極活性物質(zhì):鈦酸鋰的比例為90wt %~94wt % ；
粘結(jié)劑:羧甲基纖維素鈉的比例為0wt%~4wt% ； 導電劑:導電炭黑的比例為0.5wt%~2.5wt %和/或?qū)щ娛谋壤秊?.5wt%~2.5wt%和/或碳納米管的比例為0%~2% ；
增稠劑:丁苯橡膠的比例為lwt%~2.5wt%。
[0006]進一步的，所述水系負極的負極片漿料涂層各組分的質(zhì)量百分數(shù):
負極活性物質(zhì):鈦酸鋰的比例為92wt %;
粘結(jié)劑:羧甲基纖維素鈉的比例為2.5wt% ；
導電劑:導電炭黑的比例為2wt %和/導電石墨的比例為2wt % ；
增稠劑:丁苯橡膠的比例為1.5wt%。
[0007]進一步的，所述水系負極的負極片漿料涂層各組分的質(zhì)量百分數(shù):
負極活性物質(zhì):鈦酸鋰的比例為92.5wt % ;
粘結(jié)劑:羧甲基纖維素鈉的比例為3wt% ；
導電劑:導電炭黑的比例為1.5wt %和/導電石墨的比例為1.5wt % ；
增稠劑:丁苯橡膠的比例為1.5wt%。
[0008]進一步的，所述油系負極的負極片漿料涂層各組分的質(zhì)量百分數(shù)為:
負極活性物質(zhì):鈦酸鋰的比例為90wt %~94wt % ；
粘結(jié)劑:聚偏氟乙稀的比例為2wt%~5wt % ；
導電劑:導電炭黑的比例為0.5wt%~2.5wt %和/或?qū)щ娛谋壤秊?.5wt%~2.5wt
% ；
助劑:草酸的質(zhì)量為上述楽料總質(zhì)量的1.5wt %~3wt %。
[0009]進一步的，所述油系負極的負極片漿料涂層各組分的質(zhì)量百分數(shù):
負極活性物質(zhì):鈦酸鋰的比例為92.5wt % ;
粘結(jié)劑:聚偏氟乙稀的比例為4.5wt % ；
導電劑:導電炭黑的比例為1.5wt %和導電石墨的比例為1.5wt % ；
助劑:草酸的質(zhì)量為上述漿料總質(zhì)量的2wt %。
[0010]進一步的，所述油系負極的負極片漿料涂層各組分的質(zhì)量百分數(shù):
負極活性物質(zhì):鈦酸鋰的比例為93wt %;
粘結(jié)劑:聚偏氟乙稀的比例為4wt % ；
導電劑:導電炭黑的比例為1.5wt %和導電石墨的比例為1.5wt % ；
助劑:草酸的質(zhì)量為上述漿料總質(zhì)量的2.5wt %。
[0011]本發(fā)明通過下述另一技術方案實現(xiàn):
一種基于鈦酸鋰的鋰離子電池負極制備方法，通過以下步驟實現(xiàn):
步驟1)將0wt%~4wt%的羧甲基纖維素鈉加入去離子水中，攪拌5~6h形成透明膠液，擱置12~20h后，加入導電劑攪拌2~3h，再加入90wt%~94wt%的鈦酸鋰攪拌6~7h，最后加入lwt%~2.5wt%的丁苯橡膠以15rpm的公轉(zhuǎn)速度，1200 rpm的自轉(zhuǎn)速度攪拌l~2h，并以5rpm的公轉(zhuǎn)速度，150 rpm的自轉(zhuǎn)速度攪拌2h，整個漿料攪拌過程均在溫度20°C ~30°C、真空度^ -85KPa的條件下進行，得到的水系漿料過150目篩1~2次；
步驟2)負極漿料間隙涂布于12μπι厚的銅箔上，并于95~110°C溫度下烘干制得負極帶；
步驟3)負極帶滾壓、裁切后制成厚度與面積分別為0.292-0.298mm、125*77 mm 2的負極片；
步驟4)將負極片在95°C真空條件下烘烤8~10小時。
[0012]進一步的，所述的步驟3):
負極壓實密度為1.4-1.8g/cm3，單面面密度為198~220g/m2。
[0013]進一步的，所示的步驟1)替換為:將2wt%~5wt%的聚偏氟乙烯加入N-甲基吡咯烷酮中，攪拌7~8h形成透明膠液，擱置10~16h后，加入導電劑攪拌2~4h，再加入90wt%~94wt%的鈦酸鋰攪拌9~10h，最后加入1.5wt %~3wt %的草酸，并以5rpm的公轉(zhuǎn)速度，150 rpm的自轉(zhuǎn)速度攪拌2h，整個漿料攪拌過程均在溫度20°C -30°C、真空度< _85KPa的條件下進行，得到的油系漿料過150目篩2~3次。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果:
采用本發(fā)明設計的鋰離子電池，在降低生產(chǎn)成本的前提下，既提高了可逆比容量、能量密度、快速充放電能力，又改善了循環(huán)性能，同時安全性能也有所提升。在3C/10V過充、90°C高溫擱置、短路、針刺、擠壓、跌落測試條件下，也不會起火、爆炸，尤其是倍率性能，常溫10C放電容量保持在97%左右。將該電池應用于電動汽車上，電動汽車可用高倍率快速充電。
[0015]本發(fā)明設計的鋰離子電池，在降低生產(chǎn)成本的同時，也達到了提高電池可逆比容量、能量密度和快速充放電能力，改善循環(huán)性能和安全性能的目的。
【附圖說明】
[0016]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中:
圖1為本發(fā)明鋰離子電池結(jié)構示意圖；
圖2為本發(fā)明鋰離子電池在不同倍率條件下的放電曲線圖；
圖3為本發(fā)明鋰離子電池在1C倍率下的循環(huán)性能圖；
附圖中標記及相應的零部件名稱:1-正極耳，2-負極耳，3-極耳膠，4-鋁塑膜殼體，5-電芯。
【具體實施方式】
[0017]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。
[0018]實施例1:采用基于鈦酸鋰的鋰離子電池負極材料制備的電池，包括鋁塑膜殼體、正極耳1、負極耳2及極耳膠3，鋁塑膜殼體4內(nèi)由電芯5及電解液構成，所述的電芯5包括正極片、隔膜和負極片；如圖1所示；
正極包括集流體鋁箔、鋁箔表面均勻涂覆的活性物質(zhì)、粘接劑以及導電劑；
負極包括集流體銅箔，銅箔表面均勻涂覆的活性物質(zhì)，粘接劑以及導電劑；
正極漿料涂層由以下材料配比而成:鎳錳酸鋰的A1203包覆物:導電炭黑(SP):碳納米管(CNT):粘結(jié)劑聚偏氟乙烯(PVDF) =92wt%:2.5wt%:1.5wt%:4wt%，溶劑為N -甲基吡咯烷酮(NMP)，正極固含量50% ； 水系負極漿料涂層由以下材料配比而成:鈦酸鋰:導電碳黑(SP):導電石墨(KS-6):羧甲基纖維素鈉(CMC):丁苯橡膠(SBR) =92wt%:2wt%:2wt%:2.5wt%:1.5wt%，溶劑為去離子水，負極固含量44%。
[0019]采用基于鈦酸鋰的鋰離子電池負極制備方法，通過以下步驟:
步驟1)將聚偏氟乙烯4wt%加入N-甲基吡咯烷酮中，攪拌8h后形成透明膠液，然后加入導電炭黑(SP) 2.5wt%和碳納米管(CNT) 1.5wt%后攪拌2h，最后加入92wt%的鎳錳酸鋰的A12