一种高能量密度磷酸铁锂电池制造技术

本发明专利技术公开了一种高能量密度磷酸铁锂电池，由正极、隔膜、负极、电解液和外壳组成，所述正极包括正极集流体及正极浆料，正极浆料包括正极活性材料、正极导电剂、正极粘结剂和有机溶剂，其中正极活性材料为碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料；所述负极包括负极集流体及负极浆料，负极浆料包括负极活性材料、负极导电剂、负极粘结剂以及溶剂，其中负极活性材料为天然石墨和中间相碳微球混合物，天然石墨和中间相碳微球重量配比为(85～95)∶(5～15)；所述电解液中添加多功能电解液添加剂。本发明专利技术提出的一种高能量密度磷酸铁锂电池不仅能量密度高，而且也极大的改善了电池的放电容量和循环寿命等性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属电化学
，公开一种高能量密度磷酸铁锂电池。
技术介绍
磷酸铁锂电池是指以磷酸铁锂为正极材料的一类锂离子电池，具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应和对环境污染小等优点，广泛的应用于工业和生活等各个领域。随着以锂电池为动力系的新能源汽车、便携式电动工具迅速发展和用电设备的进一步小型化，对磷酸铁锂电池性能的要求不断提高。磷酸铁锂电池性能的优劣主要取决于电极活性材料。磷酸铁锂材料循环性能好，安全性高，但是比能量和导电率低。目前广泛使用的磷酸铁锂电池负极活性材料都各有优势同时又存在缺陷，天然石墨容量高、压实高、加工性能好、成本低，但是循环性能差、对电解液较挑剔，中间相碳微球稳定性强、充放电电压低、循环寿命好，但是比容量低、成本高、工艺复杂。电极活性材料的缺陷严重制约了磷酸铁锂电池的发展，使得现有磷酸铁锂电池能量密度、容量和循环寿命等方面的性能已不能满足用电设备的发展需求。为了开发性能优越的电极活性材料，人们投入了大量的研究，也取得了相应的效果，如中国专利CN102332583B公开了一种表面碳包覆的锂电池用磷酸铁锂正极材料的制备方法，申请号201410794705.5公开了天然石墨负极材料改性方法及复合材料，上述方法改进了材料性能，但是效果并不是特别理想，而且由于工艺复杂都没有大规模应用于工业生产中。此外，中国专利CN101376498B公开了一种锂离子纽扣电池及其制备方法，该专利技术以碳气凝胶材料作为负极活性材料，电化学测试结果显示该电池具有很大的应用前景。中国专利CN101320821B用正极活性材料和碳气凝胶按照一定比例混合制成的具有电容器和锂离子电池特征的储能器件，该储能器件性能优异，但是能量密度却低于锂离子电池。碳气凝胶是一种结构可控的纳米多孔非晶碳素材料，是唯一具有导电性和化学稳定性的气凝胶，其孔隙率高达80～98％，孔径一般＜50nm，比表面积高达600～1000m2/g，密度变化范围广(0.05～0.8g/cm3)，这种特殊结构的材料作为电极材料具有能量密度大和电化学性能稳定等优良特性，将碳气凝胶引入到锂离子电池的正、负极在提高动力电池能量密度、容量和循环寿命方面是非常有发展前景的。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有磷酸铁锂电池能量密度不能满足用电设备发展需求的问题，提出了一种高能量密度磷酸铁锂电池。本专利技术为实现上述目标采取的技术方案是：一种高能量密度磷酸铁锂电池包括正极、隔膜、负极、电解液和外壳，所述正极包括正极集流体及正极浆料，正极浆料包括正极活性材料、正极导电剂、正极粘结剂和有机溶剂，所述正极活性材料为碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料；所述负极包括负极集流体及负极浆料，负极浆料包括负极活性材料、负极导电剂、负极粘结剂以及溶剂，其中负极活性材料为天然石墨和中间相碳微球混合物，天然石墨和中间相碳微球重量配比为(85～95)∶(5～15)；所述电解液中添加多功能电解液添加剂。所述碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料由以下步骤制备而成：(1)将碳气凝胶加入去离子水中，搅拌1～3h形成分散液，按摩尔比Li∶Fe∶P＝1∶1∶1称取锂源、铁源和磷源，加入分散液中，在20～50℃搅拌2～6h；(2)过滤，在60～100℃真空干燥8～16h，得到碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料前驱体；(3)将步骤(2)制备的前驱体置于管式炉中，在N2气氛保护下，在500～1000℃下烧结6～14h，冷却至室温；(4)研磨成细粉得到碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料。所述锂源选自硝酸锂、磷酸锂、醋酸锂或碳酸锂中的一种或多种，所述铁源选自硝酸铁、硫酸亚铁、二氯化铁、三氧化铁、四氧化三铁、三氯化铁、硫酸铁或磷酸铁中的一种或多种，所述磷源选自磷酸或磷酸二氢铵。作为优选，以碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料的重量为基准，碳气凝胶的含量为0.5～5％。更为优选的，以碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料的重量为基准，碳气凝胶的含量为1～4％。更为优选的，以碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料的重量为基准，碳气凝胶的含量为2～3.5％。作为优选，碳气凝胶孔径≤40nm，比表面积为500～1000m2/g。作为优选，天然石墨的平均粒度为8μm～20μm，振实密度≥1g/cm3。作为优选，中间相碳微球平均粒度为8μm～11μm，振实密度≥1.2g/cm3。所述正极导电剂和负极导电剂各自独立的选自导电炭黑、超导碳、导电石墨和碳纳米管一种或几种，正极粘结剂为PVDF，有机溶剂为NMP，负极粘结剂为SBR(丁苯橡胶)、LA133(丙烯酸酯)和CMC(羟甲基纤维素钠)一种或几种，溶剂为去离子水。所述多功能电解液添加剂选自VC(碳酸亚乙烯酯)、PS(亚硫酸丙烯酯)、BS(丁磺酸内酯)、ES(亚硫酸乙烯酯)、FEC(氟代碳酸乙烯酯)、TFP(三(2，2，2-三氟乙基)磷酸酯)和BMP(二(2，2，2-三氟乙基)甲基磷酸酯)一种或多种。以电解液的总重量为基准，多功能电解液添加剂的含量为0.1～10％。多功能电解液添加剂，不仅有助于形成优良SEI膜，同时对电解液具有一定的阻燃和过充保护作用。本专利技术的有益效果是：采用碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料极大地提高了电池的能量密度，改善容量和循环寿命等性能；负极材料选用天然石墨和中间相碳微球混合物提升了电池容量和循环寿命；电解液中添加多功能添加剂，形成优良SEI膜，同时对电解液具有一定的阻燃和过充保护作用，本专利技术从正极、负极和电解液三方面着手极大的提高了磷酸铁锂电池的能量密度，同时也改善了放电容量和循环寿命等性能。具体实施方式为了使本专利技术的技术方案和有益技术效果更加清晰，下面结合比较例和具体实施例进一步阐述本专利技术。说明书中描述的具体实施例仅是为了解释本专利技术，并非为了限定本专利技术。比较例和实施例中使用的主要材料来源如下：磷酸铁锂-天津斯特兰能源科技有限公司，型号为SLFP-PD80；碳气凝胶-天津得瑞丰凯新材料科技有限公司；碳纳米管-中国绿能动力股份有限公司；硝酸锂-上海山海工学团实验二厂；硝酸铁-国药集团化学试剂有限公司；磷酸二氢-铵阿拉丁试剂；中间相碳微球(以下简称MCMB)-天津贝特瑞新能源材料有限责任公司，型号为CMB-S；其他材料均是锂电池行业常用材料。下述比较例和实施例中制得的电池按照GB/T18287进行性能测试，具体测试方法为：(1)放电容量测试放电容量通过电池测试柜进行放电测试得到。在20℃±5℃的条件下，以1C充电，当电池端电压达到3.65V时，改为恒压充电，直到充电电流等于0.01C停止充电，搁置0.5～1h，在20℃±5℃的条件下，以1C电流放电到2.0V。(2)循环性能测试循环性能通过充放电测试柜经过充放电循环测试得到。在20℃±5℃的条件下，以1C充电，当电池端电压达3.65V时，改为恒压充电，直到充电电流等于20mA停止充电，搁置0.5～1h，然后以1C电流放电至2.0V，放电结束后，搁置0.5～1h，再进行下一个充放电循环，直至连续两次放电时间小于36min。下述比较例和实施例中电池的能量密度的计算公式：能量密度＝容量×平台电压/电池重量比较例1(1)正极的制备将LiFePO4、导电炭黑、PDVF按照93∶3.5∶3.5的比例与NMP混匀制成正极浆料。将正极浆料均匀涂在15本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高能量密度磷酸铁锂电池，其特征在于，包括正极、隔膜、负极、电解液和外壳，所述正极包括正极集流体及正极浆料，正极浆料包括正极活性材料、正极导电剂、正极粘结剂和有机溶剂，其中正极活性材料为碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料；所述负极包括负极集流体及负极浆料，负极浆料包括负极活性材料、负极导电剂、负极粘结剂以及溶剂，其中负极活性材料为天然石墨和中间相碳微球混合物，天然石墨和中间相碳微球重量配比为(85～95)∶(5～15)；所述电解液中添加多功能电解液添加剂。

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度磷酸铁锂电池，其特征在于，包括正极、隔膜、负极、电解液和外壳，所述正极包括正极集流体及正极浆料，正极浆料包括正极活性材料、正极导电剂、正极粘结剂和有机溶剂，其中正极活性材料为碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料；所述负极包括负极集流体及负极浆料，负极浆料包括负极活性材料、负极导电剂、负极粘结剂以及溶剂，其中负极活性材料为天然石墨和中间相碳微球混合物，天然石墨和中间相碳微球重量配比为(85～95)∶(5～15)；所述电解液中添加多功能电解液添加剂。2.根据权利要求1所述的一种高能量密度磷酸铁锂电池，其特征在于，所述碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料由以下步骤制备而成：(1)将碳气凝胶加入去离子水中，搅拌1～3h形成分散液，按摩尔比Li∶Fe∶P＝1∶1∶1称取锂源、铁源和磷源，加入分散液中，在20～50℃搅拌2～6h；(2)过滤，在60～100℃真空干燥8～16h，得到碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料前驱体；(3)将步骤(2)制备的前驱体置于管式炉中，在N2气氛保护下，在500～1000℃下烧结6～14h，冷却至室温；(4)研磨成细粉得到碳气凝胶包覆的磷酸铁锂复合材料。3.根据权利要求2所述的一种高能量密度磷酸铁锂电池，其特征在于，所述锂源选自硝酸锂、磷酸锂、醋酸锂或碳酸锂中的一种或多种，所述铁源选自硝酸铁、硫酸亚铁、二氯化铁、三氧化铁、四氧化三铁、三氯化铁、硫酸铁或磷酸铁中的一种或多种...

【专利技术属性】
技术研发人员：白科，谢佳，刘晟钢，郭娜娜，
申请(专利权)人：江西安驰新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36