高能量密度的18650电芯及其制备方法技术

本发明专利技术涉及电池领域，公开了一种高能量密度的18650电芯，包括外壳、正极片、负极片、隔膜和电解液。所述正极片的集流体为铝箔，正极活性物质为镍钴铝酸锂；所述负极片的集流体为铜箔，负极活性物质为硅基复合材料；所述隔膜为PP或PE材料；所述电解液的溶质为六氟磷酸锂和双草酸硼酸锂，电解液的溶剂为丁二酸酐、氟代碳酸乙烯酯中的至少一种与碳酸亚乙烯酯的混合物。本发明专利技术的18650电芯选用特定的正负极材料配合，具有很高的能量密度，并且在制备过程中克服了诸多技术缺陷，真正能够实现量产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电池领域，尤其涉及一种高能量密度的18650电芯及其制备方法。
技术介绍
18650是锂离子电池的鼻祖，日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号，其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。常见的18650电池分为锂离子电池、磷酸铁锂电池。锂离子电池电压为3.6V和4.2V，磷酸铁锂电池电压为3.2V，容量通常为1200mAh-3000mAh，常见容量为2200mAh-3600mAh。现随着纯电动汽车的的蓬勃发展，现有的18650电池的材料及体系搭配已经不能不能满足电动汽车的对能量密度的需求，为提高电动汽车的续航里程必须提高电池本身的能量密度，因此亟需开发出一款适用于电动汽车动力电池的18650电池。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种高能量密度的18650电芯及其制备方法。本专利技术的18650电芯选用特定的正负极材料配合，具有很高的能量密度，并且在制备过程中克服了诸多技术缺陷，真正能够实现量产。本专利技术的具体技术方案为：一种高能量密度的18650电芯，包括外壳、正极片、负极片、隔膜和电解液。所述正极片的集流体为铝箔，正极活性物质为镍钴铝酸锂；所述负极片的集流体为铜箔，负极活性物质为硅基复合材料；所述隔膜为PP或PE材料；所述电解液的溶质为六氟磷酸锂和双草酸硼酸锂，电解液的溶剂为丁二酸酐、氟代碳酸乙烯酯中的至少一种与碳酸亚乙烯酯的混合物。本专利技术选用镍钴铝酸锂和硅基复合材料分别作为正负极活性物质，与上述的隔膜、电解液配合后，具有较高的能量密度。但是，硅基负极在充放电过程中会发生巨大的体积变化，导致容量衰减很快。所以至今为止没有厂家可以批量使用，本专利技术采取了多种措施抑制了硅材料的体积膨胀，并改善了硅颗粒之间的电接触，从而在一定程度上提高了硅负极的循环稳定性和首次充放电效率。一、负极粘结剂的使用，本专利技术采用多羧基的CMC以及海藻酸钠等具多羧基结构的粘结剂，这样使羧基发生络合反应使硅更加紧密的粘结在一起，起到抑制硅膨胀的作用。二、由于硅负极在常规的六氟磷酸锂电解液中难以形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜，伴随着电极结构的破坏，在暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅的腐蚀和容量衰减。因此本专利技术通过在六氟磷酸锂与双草酸硼酸锂为溶质的电解液中添加碳酸亚乙烯酯（简称VC)，丁二酸酐(SA)或氟代碳酸乙烯酯(FEC)。添加VC后SEI膜成分会发生变化，生成聚烷基碳酸锂类的聚合物，使得SEI膜的柔韧性和黏附力更强。而添加丁二酸酐(SA)或氟代碳酸乙烯酯(FEC)很好的改善了循环性能。常规电解液中形成的SEI膜主要成分是无机锂盐和少量烷基锂，柔韧性差，相比之下，VC基电解液形成的SEI膜更能够适应硅在充放电过程中的体积变化而不发生破裂，从而提高电池的循环性能。硅负极在混合电解液中具有比在单一电解液中更好的电化学性能。。此外，电解液中添加丁二酸酐(SA)或氟代碳酸乙烯酯(FEC)也可提高硅负极的循环性能。三、导致硅负极容量衰减的另外一个重要原因是电解液中六氟磷酸锂分解产生微量HF对硅造成腐蚀。而六氟磷酸锂的分解主要是因为有水分子的存在。本专利技术在制成过程中采用高真空，高纯氮气循环的方式使得电芯中水的含量在100PPm以下。四、在外形采用可以承受高内压的圆柱型结构，使得负极在膨胀时，外壳有足够的承压能力，阻止负极的膨胀。作为优选，所述正极片、负极片上的导电剂为superpLi、碳纳米管、石墨烯导电剂中一种或者几种，正极片上的粘结剂为聚偏氟乙烯。作为优选，所述正极片上的分散剂为磺化芳烃聚合物。此外，在现有的常规锂电池的制备过程中，正负极浆料中的分散剂在实际应用生产中分散效果不是特别理想，导致最终浆料固化后强度不够，集流体表面正极活性物质和极板变形，对极板的重量也不容易控制，增加涂板的难度同时会造成过程的成本损失。本专利技术选用磺化芳烃聚合物作为分散剂，磺化芳烃聚合物和浆料其他成分混合有利于添加剂在活性物质中的分散效果，固化后的活性物质层可以得到更好的均一性。磺化芳烃聚合物易于复制生产，降低了生产成本和步骤，可以进行大范围的推广。磺化芳烃聚合物同时能加快电池充电转换速率，缩短充电时间。磺化芳烃聚合物能减少添加剂与活性物质混合时间，让极板产生更好的构架以抵御负极板在充放电过程中的收缩膨胀。作为优选，所述磺化芳烃聚合物为相对分子质量在10000-16000的萘磺酸甲醛的缩合产物钠盐，且萘磺酸甲醛的缩合产物钠盐的磺化度为70-100%。作为一个分子量、磺化度较高的萘磺酸甲醛的缩合产物钠盐可用分散剂，与去离子水混合时的溶解度很容易就达到了200g/L甚至达到300g/L，易溶于水，且分散效果好。作为优选，所述负极片上的粘结剂为羧甲基纤维素钠、海藻酸钠中的至少一种。作为优选，所述隔膜上设有涂层，所述涂层为聚偏氟乙烯涂层或陶瓷涂层。作为优选，所述正极片的集流体厚度为6-12μm，所述负极片的集流体的厚度为6-10μm。作为优选，所述镍钴铝酸锂在4.2V-2.5V电压下的克容量为190mAh/g以上，能量密度在683wh/kg以上；所述硅基复合材料中硅含量为42wt%，石墨含量58wt%，硅基复合材料4.2V-2.5V电压下的克容量为650mAh/g以上，能量密度在2340wh/kg以上。一种上述高能量密度的18650电芯的制备方法，包括以下步骤：（1）材料准备：准备正极活性物质及导电剂并进行粉料干燥；（2）正极匀浆：按质量百分数称取以下物质：正极活性物质为95%-98%，导电剂为0.5%-2.0%，粘结剂为0.5%-2.5%，分散剂为0.5%-1.0%；将上述原料用公转10Hz-15Hz的速度进行预混，再加入N-甲基吡咯烷酮，调至粘度为7500±1000Pa.s的浆料；（3）负极匀浆：按质量百分数称取以下物质：负极活性物质为94%-97.7%，粘结剂为2.0%-4.0%，导电剂为0.3%-2.0%；将上述原料用公转10Hz-15Hz的速度进行预混，然后加入去离子水，调至粘度为2500±1000Pa.s的浆料；（4）涂布：将步骤（2）中制得的浆料涂布在铝箔上，涂覆面密度为490-510g/m2,将步骤（3）中制得的浆料涂布在铜箔上，涂布面密度为80-150g/m2；（5）制片：将正极片压为厚144μm-156μm，将负极片压为厚53μm-98μm；接着由分条机分片，然后由全自动制片机上焊接极耳，并贴胶带；（6）装配：由全自动卷绕机将正极片、6-16μm厚的隔膜、负极片、6-16μm厚的隔膜卷绕成直径为17.0-17.5mm的卷芯，然后装入内径为17.8mm，高为18.2mm的钢壳中，焊接正负极极耳后进行烘烤，保证正极水份含量在100ppm以下，负极在300ppm以下后方可进行注液；（7）注液：在湿度为小于露点-50℃的手套箱中，注入5.0±0.5g电解液，抽真空静置待电解液干涸后经行封口，封口后高度为18.0±0.5mm。（8）化成分容：在45℃静置48小时后，以0.2C电流充电10min，再以0.6C电流充电80分钟，静置36小时后以0.6C恒流恒压至4.35V，然后以0.6C电流恒流放电至2.5V，记录容量。本专利技术经过特定化成分容工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高能量密度的18650电芯，包括外壳、正极片、负极片、隔膜和电解液；其特征在于：所述正极片的集流体为铝箔，正极活性物质为镍钴铝酸锂；所述负极片的集流体为铜箔，负极活性物质为硅基复合材料；所述隔膜为PP或PE材料；所述电解液的溶质为六氟磷酸锂和双草酸硼酸锂，电解液的溶剂为丁二酸酐、氟代碳酸乙烯酯中的至少一种与碳酸亚乙烯酯的混合物。

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度的18650电芯，包括外壳、正极片、负极片、隔膜和电解液；其特征在于：所述正极片的集流体为铝箔，正极活性物质为镍钴铝酸锂；所述负极片的集流体为铜箔，负极活性物质为硅基复合材料；所述隔膜为PP或PE材料；所述电解液的溶质为六氟磷酸锂和双草酸硼酸锂，电解液的溶剂为丁二酸酐、氟代碳酸乙烯酯中的至少一种与碳酸亚乙烯酯的混合物。2.如权利要求1所述的高能量密度的18650电芯，其特征在于，所述正极片、负极片上的导电剂为superpLi、碳纳米管、石墨烯导电剂中一种或者几种，正极片上的粘结剂为聚偏氟乙烯。3.如权利要求2所述的高能量密度的18650电芯，其特征在于，所述正极片上的分散剂为磺化芳烃聚合物。4.如权利要求3所述的高能量密度的18650电芯，其特征在于，所述磺化芳烃聚合物为相对分子质量在10000-16000的萘磺酸甲醛的缩合产物钠盐，且萘磺酸甲醛的缩合产物钠盐的磺化度为70-100%。5.如权利要求1所述的高能量密度的18650电芯，其特征在于，所述负极片上的粘结剂为羧甲基纤维素钠、海藻酸钠中的至少一种。6.如权利要求1所述的高能量密度的18650电芯，其特征在于，所述隔膜上设有涂层，所述涂层为聚偏氟乙烯涂层或陶瓷涂层。7.如权利要求1所述的高能量密度的18650电芯，其特征在于，所述正极片的集流体厚度为6-12μm，所述负极片的集流体的厚度为6-10μm。8.如权利要求1所述的一种高能量密度的18650电芯，其特征在于，所述镍钴铝酸锂在4.2V-2.5V电压下的克容量为190mAh/g以上，能量密度在683wh/kg以上；所述硅基复合材料中硅含量为42wt%，石墨含量58wt%，硅基复合材料4.2V-2.5V电压下的克容量为650mAh/g以上，能量密度在2340wh/kg以上。9.如权利要求1-8任一所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：常福荣，任宁，常林荣，李洪涛，孙延先，
申请(专利权)人：浙江超威创元实业有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33