一种钛酸锂电池及制造方法技术

本发明专利技术涉及一种钛酸锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装，所述的正极片、负极片分别由正、负集流体和涂覆在正、负极集流体上的正、负极材料组成，正极材料包括正极活性物质、正极导电剂与正极粘结剂，所述正极活性物质为不规则型三元正极材料。由于正极中采用了不规则型三元材料，由于含镍比例高型正极的最大充电电位在4.4V，从而使得该材料制备的电池具有很高的比容量，大于180mAh/g，同时具有较高的稳定性；本发明专利技术中采用高比容量正极与钛酸锂负极搭配组装电芯的能量密度可实现90Wh/kg，显著高于现有钛酸锂电池能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸锂电池及制造方法
本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种具有高能量密度的不规则型三元-钛酸锂型锂离子蓄电池及制造方法。
技术介绍
目前商品化的锂离子电池的负极材料基本上都是采用石墨类碳材料。碳材料具有热稳定性高、导电性好、锂离子嵌入脱出速率快、可逆性高等优点，但碳材料也存在一些缺点：首次充放电效率低、过充时容易析锂等，与碳材料相比，钛酸锂（Li4Ti5O12）具有明显的优势：1）是一种接近零体积的脱嵌锂插入材料，在充放电过程中不发生结构改变，循环性能好；2）有很好的充放电平台；3）理论比容量为175mAh/g，实际比容量可达160mAh/g，并集中在平台区域；4）不与电解液发生反应；5）原材料价格便宜，制备较易；6）具备快速充放电特征（比碳的扩散系统高一个数量级）；其具备了长寿命和高安全的可能性，因此无论是在插电混合动力汽车还是规模化储能领域，其应用前景均一致被看好，近年来逐渐成为全世界范围内的研究热点。然而，目前阶段钛酸锂电池并没有走向市场，其中一个主要原因是钛酸锂与常见的正极材料磷酸铁锂（LiFePO4）、锰酸锂（LiMn2O4）、三元材料（LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）搭配组装成锂离子电池能量密度偏低，普遍只有50Wh/kg–75Wh/kg，主要原因是钛酸锂负极的锂离子嵌入、脱出电位平台较高(vs.Li+/Li=1.55V),远高于石墨负极的锂离子嵌入、脱出电位平台(vs.Li+/Li=0V)，导致全电池的输出电压普遍只有1.7V-2.5V左右，远远低于采用石墨负极锂离子电池的3.2-4.2V。此外，上述正极材料磷酸铁锂（LiFePO4）、锰酸锂（LiMn2O4）、三元材料（LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）的克容量普遍低于160mAh/g，因此该电池容量低，电压平台低，能量密度低的难题一致都悬而未决。中国专利公开号CN1529382A，公开日2004年9月15日，名称为大功率塑料锂离子电池的专利技术专利，该申请案公开了一种大功率塑料锂离子电池，包括正极片、负极片、电介质膜材料、电解液材料、软复合包装材料和塑料外壳，正极片包括正极材料、黏结剂、DBP、碳黑、铝网，负极片包括负极材料、黏结剂、DBP、碳黑、铜网，电解质膜材料包括黏结剂、二氧化硅、DBP，正极片、负极片和电解质膜通过加热复合制成单元电芯，将单元电芯叠合，采用复合膜材料包装后，形成组合电池，引出极耳，使组合电池的正、负极通过极耳材料与正、负极端子连接，将组合电池置于塑料和体内，使盖与盒体通过超声波融合，形成完整的大功率塑料锂离子电池。其不足之处在于，负极材料采用石墨类碳材料，首次充放电效率低、过充时容易析锂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了解决现有锂离子电池的负极材料采用石墨类碳材料，首次充放电效率低、过充时容易析锂的缺陷而提供一种具有高能量密度的不规则型三元-钛酸锂型锂离子电池。本专利技术的另一个目的是提供一种钛酸锂电池的制造方法。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种钛酸锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装，所述的正极片、负极片分别由正、负集流体和涂覆在正、负极集流体上的正、负极材料组成，正极材料包括正极活性物质、正极导电剂与正极粘结剂，所述正极活性物质为LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2中的至少一种；正极材料中各组分的质量百分含量为：正极活性物质70-92%，正极导电剂1-15%，正极粘结剂1-15%。在本技术方案中，不规则型三元正极材料LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2以高容量、低材料成本、较稳定，是层状复合结构材料，在较高的充电电压下，会具有较高的比容量，不规则三元材料为层状Li[Li1/3Mn2/3]O2、层状LiMO2和尖晶石型LiMe2O4的复合结构；LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在不同温度及倍率下结构变化较小，所以材料具有很好的稳定性，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2由于采用镍锰取代价格昂贵的钴，使材料具有相对低廉的价格；LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2可以使材料的克容量发挥的更高，提高电池的体积能量密度，容量高，性价比好；LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2提高镍的含量能，大大提升材料的比容量，降低钴的含量又能降低材料成本，具有比容量高、循环性能优异、高温储存性能好等特点。作为优选，负极材料包括负极活性物质、负极导电剂、增稠剂与负极粘结剂，所述负极活性物质为钛酸锂Li4Ti5O12，负极导电剂为超导炭黑、鳞片石墨、碳纳米管、碳纤维中的至少一种，负极粘结剂为丁苯橡胶、有机烯酸或羧酸酯类，增稠剂为聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯腈、羟甲基纤维素中的至少一种，负极材料中各组分的质量百分含量为：负极活性物质，67-86%，负极导电剂3-15%，负极粘结剂3-15%，增稠剂2-3%。在本技术方案中，钛酸锂是一种接近零体积的脱嵌锂插入材料，在充放电过程中不发生结构改变，循环性能好；有很好的充放电平台；理论比容量为175mAh/g，实际比容量可达160mAh/g，并集中在平台区域；不与电解液发生反应；原材料价格便宜，制备较易。作为优选，正极活性物质间的质量比为1:1。作为优选，电解液的溶剂为有机氟化酯、有机碳酸酯、有机腈酯的混合液，电解质为LiPF6、LiBOB、LiBF4、LiODFB、LiN(CF3SO2)2、LiCF3SO3中的至少一种；其中，有机氟化酯、有机碳酸酯、有机腈酯的体积比为1:2-3:1.5-2，电解质中LiPF6的含量≥80%。作为优选，以N-甲基吡咯烷酮为制作浆料的溶剂，所述的正极粘结剂为聚偏氟乙烯，丁苯橡胶、有机烯酸或羧酸酯类，导电剂为超导炭黑、鳞片石墨、碳纳米管、碳纤维中的至少一种。作为优选，正、负极集流体均采用铝箔，铝箔的厚度为15～20μm。一种钛酸锂电池的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：a）制作正、负极片：将正极材料分散在有机溶剂中，搅拌均匀后得到正极浆料，涂覆于正极集流体上，在100～140℃烘干后辊压得到正极片；将负极材料溶于水中，搅拌均匀后涂覆于负极集流体上，在90～120℃烘干后经辊压负极片；b）极片烘烤：将上述极片放入真空烘箱中130-150℃烘烤24-36h，持续抽真空，控制正、负极极片水分含量≤200ppm；c）制作电芯：将步骤b）得到的正、负极片裁剪后，按照正极片、隔膜、负极片的顺序采用叠片式结构或卷绕式结构制成电芯；d）焊接包装：将电芯中的正、负极片分别将极耳焊接在一起，形成正、负极引出端，将电芯放入铝塑包装袋中，分别引出正、负极耳，在极耳胶处加热，使铝塑袋的塑胶与极耳胶熔合，软包电池的一侧为开口状态，留待电解液注入；e）封装注液：将高压电解液注入电芯后，封好注液口；f）化成分容：将包装好的电池预充、化成、分容后即得到具有高能量密度的钛酸锂软包锂电池。作为优选，步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛酸锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装，所述的正极片、负极片分别由正、负集流体和涂覆在正、负极集流体上的正、负极材料组成，其特征在于，正极材料包括正极活性物质、正极导电剂与正极粘结剂，所述正极活性物质为LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2中的至少一种；正极材料中各组分的质量百分含量为：正极活性物质70‑92%，正极导电剂2‑15%，正极粘结剂6‑15%。

【技术特征摘要】
1.一种钛酸锂电池，其特征在于，所述钛酸锂电池的制造方法包括以下步骤：a）制作正、负极片：首先将聚偏氟乙烯(PVDF)用N-甲基吡咯烷酮(NMP)配成质量分数8%的溶液，然后加入导电剂，高速剪切分散2小时，将正极材料LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2+LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2分散在有机溶剂中，搅拌均匀后得到正极浆料，高速剪切分散2小时，加入NMP调节粘度为1000mPa·s，高速剪切分散1小时后，正极浆料用120目金属网过筛，将过筛后的正极浆料均匀涂布在厚度为20微米的铝箔上，110℃烘干，将烘干后的正极极片进行辊压，正极片辊压后的厚度为100μm，压实密度为3.0g/cm3；控制正极浆料中各组分的质量百分含量为：正极活性物质92%，正极导电剂2%，正极粘结剂6%；将负极材料溶于水中，负极浆料过筛后涂布于厚度为20微米的铝箔上，采用110℃烘干极片，将烘干后的极片进行辊压，负极片辊压后的厚度为100μm，压实密度为1.9g/cm3；控制各组分的质量百分含量为：负极活性物质82%，负极导电剂6%，负极粘结剂10%，增稠剂2%；其中，正极导电剂为超导炭黑与碳纳米管，质量比为1:1，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；负极导电剂超...

【专利技术属性】
技术研发人员：石先兴，张琦，葛民民，吕豪杰，陈军，
申请(专利权)人：浙江万向亿能动力电池有限公司，万向电动汽车有限公司，万向集团公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33