一种高能量密度的钛酸锂动力电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高能量密度的钛酸锂锂离子动力电池及其制备方法。该电池采用掺入磷酸钒锂的高电位镍锰酸锂材料为正极活物,以碳包覆的钛酸锂材料为负极活物，通过对导电剂、隔膜与电解液等的优化配置，在保有常规钛酸锂电池高安全、长寿命及优异倍率性能的基础上，大幅度提升了其工作电压和能量密度。该电池的制作过程包括活物预混、制浆、制片、卷绕/叠片、封装、注液、二封、化成及检验等步骤。该专利电池兼具了能量密度高、循环寿命长、安全及倍率性能优异等特点，使其在动力电池领域具有广阔的发展前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子动力电池
，尤其涉及一种高能量密度的钛酸锂动力电 池及其制备方法。
技术介绍
二十一世纪以来，随着人们环保意识的加强、化石能源的日益枯竭以及锂电池技 术的不断进步，锂电池以其长寿命、高循环、环境友好等优异特性，正被迅速应用在电动自 行车、混合动力汽车及纯电动汽车领域。由于作为汽车的储能设备使用条件复杂多样，加之 与人们的生命安全密切相关，如何提高锂电池的安全性能已成为锂电池应用领域的核心热 点之一，同时也一定程度上限制了锂电汽车的快速发展。 正、负极材料的热稳定性是影响锂离子电池安全性能的关键因素，因此，选择热稳 定性能优异的电极材料是提高锂电池安全性能的有效途径。石墨材料以其较高的克容量和 良好的循环性能，使其成为锂离子电池负极材料的首选。但该类电池在安全性方面存在固 有缺陷，如锂元素以原子形式嵌入在石墨层中，电池短路极易发生剧烈放热反应；电池过充 时，负极易形成锂枝晶刺穿隔膜等。 尖晶石结构的钛酸锂材料以其优异的倍率性能和良好的循环寿命，被视为新一代 动力锂电池负极的首选之一。稳定的尖晶石结构使其具有良好的热稳定性，同时，以其作为 负极的电池，锂元素始终以离子形式存在，有效避免了电池短路时负极放热反应的发生及 锂枝晶问题，有效改善了电池的安全性能。但钛酸锂材料的对锂电位为1. 55V，相对于碳负 极高出很多，从而影响了电池的工作电压及能量密度。 目前，钛酸锂电池的正极材料以锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂为主，其工作电压为 1. 8-2. 4V，能量密度仅为60-90Wh/kg，严重制约了其在动力电池方面的应用。尖晶石结构的 镍锰酸锂材料（LiNia5Mni.504)具有良好的热稳定性和循环性能，对锂电位为4. 8V，克容量 为130mAh/g，从动力电池对高能量密度、长循环性能、高安全性能等方面考虑，该材料是钛 酸锂动力电池正极材料的理想选择。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前市场上的钛酸锂电池高安全但能量密度较低的特点，通 过实施切实可行的优化方案，提供了一种兼具高安全与高能量密度的锂离子动力电池。 本专利技术采用如下技术方案： 本专利技术的高能量密度的钛酸锂动力电池，由正极、负极、隔膜、电解液及包装材料 组成，该电池正极是由正极活物、导电剂、粘结剂及溶剂组成的浆料涂覆在铝金属集流体 上；该电池负极是由负极活物、导电剂、粘结剂及溶剂组成的浆料涂覆在铝金属集流体上。 正极活物是由正极主活物和第二活物组成，正极主活物为金属氧化物包覆的 LiNia5Mni.504,金属氧化物为A1203,ZnO,Zr02STi02中的一种，Li3V2(P04)3为第二活物；正 极导电剂是超导电炭黑、鳞状石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种。 该电池正、负极的粘结剂均为聚偏氟乙烯（PVDF);溶剂均为N-甲基吡咯烷酮 (NMP) 〇 负极活物为碳包覆的Li4Ti5012;负极导电剂是超导电炭黑、碳纳米管、石墨稀、鳞 状石墨等中的一种或几种。 正极浆料中固相组成比例为：正极活物、PVDF、导电剂的质量比为（92-97): (2-4) :(1-4)，其中正极活物中第二活物（Li3V2(P04)3占正极活物总重量的1% -10%，导 电剂中CNT的用量占导电剂总质量的30%以上；负极浆料中固相组成比例为：负极活物、 PVDF、导电剂的质量比为（92-97) :(2-4) :(1-4)。 该电池的隔膜为单面或双面涂有氧化铝的陶瓷隔膜，涂覆前的隔膜成分为单层PP 材质或多层PE/PP复合材质。 电解液是由电解质和电解液溶剂组成，电解液溶剂为有机碳酸酯类、有机羧 酸酯类、氟化酯类、醚类、砜类中的一种以上；电解质为LiPF6、LiBF4、LiC104、LiAs06、 Li(CF3S02) 2N、LiCF3S03中的一种或几种耐高压电解质。 该电池的包装材料为铝塑膜、铝壳、钢壳或塑壳中的一种，具体根据产品要求而 定。 本专利技术的钛酸锂动力电池的制备方法的具体步骤如下：步骤1，正极浆料的制备： 将金属氧化物包覆的LiNi^MnuCV^Li3V2(P04)3混合球磨4-24h，得到混合 活物；将PVDF溶解在NMP中，依次加入导电剂、混合活物，高速分散后将粘度调节至 6000-12000cp，得到待涂布的正极浆料； 步骤2,负极浆料的制备： 将PVDF溶解在NMP中，依次加入导电剂、碳包覆的钛酸锂，高速分散后将粘度调节 至6000-1000cp，得到待涂布的负极浆料。 步骤3,正、负极极片的制作： 将正、负极浆料进行涂布、辊压、分条、冲切后得到符合尺寸要求的正、负极极片； 步骤4,裸电芯的制作： 将步骤3制作的极片及隔膜，采用卷绕或叠片的方式按"隔膜-正极-隔膜-负 极"顺序依次多层折叠，用胶带固定后，正、负极均焊接铝极耳； 步骤5,入壳及顶、侧封： 将步骤4中的裸电芯装入壳体，置于烘箱中，除去水分； 步骤6,注液、一封： 在露点低于_30°C的环境下，取出步骤5中电芯，注入适量的电解液，封装，老化； 步骤7,化成、二封： 将老化后电池进行预充电化成，化成后，需进行除气，二次封装； 步骤8,电池检验： 将化成完电池进行分容、K值测试、外观检查后，方可得到符合本专利技术要求的高能 量密度电芯。 本专利技术的正极主活物采用金属氧化物包覆的LiNia5Mni.504，该材料对锂电位为 4.8V，可有效提高钛酸锂电池的工作电压及能量密度；金属氧化物采用A1203,ZnO,Zr02， 1102等，在循环过程中保护材料结构的稳定。 正极材料添加1% -10%的Li3V2(P04)3，该材料具有较高的对锂电位及循环稳定 性，可优化电池的高低温性能、倍率性能及循环稳定性。 正极添加0. 5% -3%的CNT提高材料的导电性能力和储液性能，优化电池的倍率 及循环性能；添加1% -3%的超导电炭黑作为辅助导电剂。 负极米用碳包覆的钦酸裡材料，碳包覆可有效提尚材料的电子电导率。 负极添加0. 5% -3%的CNT，优化负极的导电性能及储液性能；添加1 % -3%的超 导电炭黑作为辅助导电剂。 电解液采用有机碳酸酯类、有机羧酸酯类、氟化酯类、醚类、砜类等中的一种以上 作为溶剂；采用LiPF6、LiBF4、LiC104、LiAs06、Li(CF3S02)2N、LiCF3S03中的一种或以上作为 电解质。 电池隔膜采用单面或双面涂陶瓷的PP膜或PP/PE复合膜，进一步改善电池的安全 性能和耐高压性能。 本专利技术相较于传统的钛酸锂动力电池，其技术优势主要体现于： 本专利技术以钛酸锂材料作为负极活物，在不改变传统钛酸锂电池高安全、高倍率、长 循环的基础上，采用镍锰酸锂（LiNia5Mni.504)作为正极主活物，将电池的工作电压从传统 的2. 4V以下提高到3. 2V，其能量密度可提高50%以上；正极掺入循环性能好、安全系数高 的磷酸钒锂材料作为第二活物，进一步改善电池的高低温性能及循环性能；此外，正、负极 均添加CNT作为导电剂、隔膜采用涂覆的陶瓷隔膜等设计特点，为该专利制作的电池具有 高安全性能、高能量密度、长循环寿命及优异的倍率性能等特点提供了强有力的支撑。【附图说明】 图1是本专利技术的钛酸锂电池的生产流程； 其中，I-正、负极浆料的制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高能量密度的钛酸锂动力电池，由正极、负极、隔膜、电解液及包装材料组成，其特征在于：该电池正极是由正极活物、导电剂、粘结剂及溶剂组成的浆料涂覆在铝金属集流体上；该电池负极是由负极活物、导电剂、粘结剂及溶剂组成的浆料涂覆在铝金属集流体上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕敬双，甘逢九，周勇，
申请(专利权)人：深圳宏泰电池科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44