高能量密度锂离子动力电池制造技术

本发明专利技术具体公开一种高能量密度锂离子动力电池。所述电池包括正极片、负极片、隔膜、电解液及电池壳配件；所述正极片由正极集流体和涂覆于所述正极集流体表面的正极材料、正极导电剂和正极粘结剂组成；所述负极片由负极集流体和涂覆于所述负极集流体表面的负极材料、负极导电剂和负极粘结剂组成，所述正极材料为镍钴锰或镍钴铝三元正极材料；所述负极材料为导电碳源包覆的碳化硅或SiOx。本发明专利技术实施例提供的高能量密度锂离子动力电池，首次库伦效率达到86.5％，质量能量密度高达280Wh/kg，能满足动力电池高能量密度以及高循环寿命的要求。

High energy density lithium ion battery

The invention discloses a kind of lithium ion power battery with high energy density. The cell comprises an anode plate and a cathode plate, separator, electrolyte and battery shell parts; the cathode from anode current collector and coated on the surface of the anode current collector anode material and anode cathode conductive agent and binder composition; the negative plate is made from a cathode current collector and coated on the surface of the current collector the cathode material, anode and cathode conductive agent, binder, the cathode material for nickel manganese cobalt or nickel cobalt aluminum three cathode material; the anode materials for conductive carbon coated silicon carbide or SiOx. The high energy density lithium ion power battery provided by the embodiment of the invention is the first Kulun efficiency of 86.5%, and the mass energy density is as high as 280Wh/kg, which can meet the requirements of high power density and high cycle life of power battery.

【技术实现步骤摘要】
高能量密度锂离子动力电池
本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种高能量密度锂离子动力电池。
技术介绍
锂离子动力电池在新能源汽车领域有着重大的应用前景，吸引了国内外科研工作者及企业单位的密切关注。目前，磷酸铁锂电池因其较好的循环稳定性和安全性曾一度成为国内市场主流。但是，随着消费者对新能源汽车认知逐渐趋于成熟，对电动汽车性能的需求不断升级，磷酸铁锂电池在能量密度等方面的瓶颈日渐显露。譬如我国国务院在2012年颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012～2020年)》中提出，到2015年，动力电池模块的能量密度达到150Wh/kg；至2020年，动力电池模块的能量密度达到300Wh/kg。如果按照单体到模块80％的能量密度实现效率计，则近、中期指标所对应的单体电池的能量密度分别约为190和375Wh/kg。但是磷酸铁锂电池能量密度仅为90～120Wh/kg，其性能指标明显满足不了要求。而锂离子电池能量密度提升的技术主要来自于以下两个方面：1)对于锂离子电池体系设计和应用(如正负极材料、涂覆厚度、隔膜、铜铝箔和大压实)；2)电池内部结构的优化(极片加宽、壳壁减薄，箔材收尾和盖帽减薄)。但上述技术均存在一定技术瓶颈：1)在体系设计中，涂覆厚度越大，锂离子的嵌入/脱出的路径变长而使得循环性能变差；2)隔膜与集流体的厚度减薄到一定值时，存在一定技术瓶颈；3)极片若采用大压实设计后，锂离子扩散的孔径变小，影响倍率性能和循环性能；4)结构优化中，极片加宽和减薄壳壁均受制于电池安全和尺寸，提容效果有限。就目前正负极材料而言，正极材料容量存在理论容量瓶颈，无大幅提升的空间。新型硅负极因具有较大理论容量而受到国内外学者广泛关注，其最大嵌锂化合物的结构式为Li22Si4(Si+4.4e-+4.4Li+→Li22Si4)，该状态下硅嵌锂容量高达4200mAh/g，是商业化负极石墨容量10倍。但硅负极材料在本身存在两个显著缺点，首先，硅负极材料的首次充放电库仑效率偏低，一般为60～70％；其次，硅在充放电过程中形成的锂硅合金化合物中，存在较大的体积膨胀(Li22Si4对应的体积膨胀为300％)。针对硅在嵌锂过程中出现的较大体积膨胀问题，一般的解决方法有：1)将硅与石墨进行复合，用石墨的结构缓冲硅的体积膨胀；2)将硅尺寸减小来改善硅的首次效率和循环膨胀；3)构建点-线-面导电网络使得脱离硅颗粒继续参与嵌/脱锂反应；4)开发高黏附力的粘结剂。
技术实现思路
本专利技术实施例是针对上述现有锂离子动力电池存在的硅负极材料首次充放电库伦效率偏低、且在充放电过程中出现较大的体积膨胀、能量密度无法达到要求等问题，提供一种高能量密度锂离子动力电池。为实现上述目的，本专利技术实施例采用了如下的技术方案：一种高能量密度锂离子动力电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液及电池壳配件；所述正极片由正极集流体和涂覆于所述正极集流体表面的正极材料、正极导电剂和正极粘结剂组成；所述负极片由负极集流体和涂覆于所述负极集流体表面的负极材料、负极导电剂和负极粘结剂组成，所述正极材料为镍钴锰或镍钴铝三元正极材料；所述负极材料为导电碳源包覆的碳化硅或SiOx。上述实施例提供的高能量密度锂离子动力电池的负极体系采用高容量硅基负极材料，负极材料为硅内嵌在空心化的石墨中，外层包覆着导电碳，内嵌式结构有利于束缚硅颗粒的膨胀，加之外层导电性碳层可以增加电子导电性，从而在根本上解决了由于体积膨胀过大而带来的循环性能较差的问题；结合高镍三元正极材料、导电剂体系、粘结剂体系以及电解液体系后，制作的锂离子电池首次库伦效率达到86.5％，质量能量密度高达280Wh/kg，能满足动力电池高能量密度以及高循环寿命的要求，有效了解决目前商业化动力电池因能量密度低而导致的续航里程不足的这一技术难题，为实现锂离子动力电池在动力电池的大规模商业化应用提供重要的技术基础。附图说明图1是本专利技术实施例1所制得的高能量密度锂离子动力电池首次充放电曲线示意图；图2是本专利技术实施例1所制得的高能量密度锂离子动力电池的倍率性能示意图；图3是本专利技术实施例1所制得的高能量密度锂离子动力电池的高低温性能示意图；图4是本专利技术实施例1所制得的高能量密度锂离子动力电池的高温存储性能示意图；图5是本专利技术实施例1所制得的高能量密度锂离子动力电池的循环性能示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供一种高能量密度锂离子动力电池。所述高能量密度锂离子动力电池包括正极片、负极片、隔膜、电解液及电池壳配件；所述正极片由正极集流体和涂覆于所述正极集流体表面的正极材料、正极导电剂和正极粘结剂组成；所述负极片由负极集流体和涂覆于所述负极集流体表面的负极材料、负极导电剂和负极粘结剂组成；所述正极材料为镍钴锰或镍钴铝三元正极材料；所述负极材料为导电碳源包覆的碳化硅或SiOx。其中，优选地，正极集流体为铝箔或涂碳铝箔。进一步优选地，无论是铝箔还是涂碳的铝箔，为了使得电池结构紧凑又符合安全性，总厚度在10～20μm。作为优选地，涂碳铝箔的涂层厚度为0.1～2μm，所述涂层为CNTs(中文名称为：碳纳米管)、VGCF(中文名称为：气相成长碳纤维)、石墨烯中的至少一种。更进一步优选地，为了确保正极材料的能量密度，正极集流体表面涂覆的正极材料的面密度为420～530g/m2。优选地，所采用的正极材料为镍钴锰，该材料的化学式为LiNixCoyMnzO2，其中，x、y、z满足0.7≤x≤0.9，0.05≤y≤0.15，x+y+z＝1；或者为镍钴铝，该材料的化学式为LiNixCoyAlzO2，其中，x、y、z满足0.7≤x≤0.9，0.05≤y≤0.15，x+y+z＝1。可选的三元正极材料为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.85Co0.1Mn0.05O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，但不限于所列举的这几种。采用高镍三元正极材料搭配高容量硅基负极材料，其制作锂离子电池的理论能量密度最高可以超过300Wh/kg。优选地，正极导电剂为SuperP(中文名为：导电炭黑)、CNTs、VGCF、石墨烯中的至少一种。进一步优选地，正极导电剂占正极(导电剂/(导电剂+正极材料+粘结剂))总质量的0.3～2％。优选地，正极粘结剂为聚偏氟乙烯(英文简写为：PVDF)，所述正极粘结剂为正极(占比的意思：粘结剂/(导电剂+正极材料+粘结剂))总质量的0.5～2％。优选地，将正极材料、正极导电剂、正极粘结剂涂覆于正极集流体表面后，为了使得本专利技术实施例获得的电池能量密度达到要求，应当确保正极片经过辊压后的厚度为120～200μm，压实密度为3.0～3.6g/cm3。优选地，负极集流体为铜箔。进一步优选地，为了使得电池结构紧凑又符合安全性，铜箔的总厚度为6～12μm。更一步优选地，为了确保负极材料与正极材料形成电池后的电池能量密度，负极集流体表面涂覆的负极材料的面密度为150～300g/m2。优选地，所采用的导电碳源包覆的碳化硅(SiC)或SiOx中硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高能量密度锂离子动力电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液及电池壳配件；所述正极片由正极集流体和涂覆于所述正极集流体表面的正极材料、正极导电剂和正极粘结剂组成；所述负极片由负极集流体和涂覆于所述负极集流体表面的负极材料、负极导电剂和负极粘结剂组成，其特征在于：所述正极材料为镍钴锰或镍钴铝三元正极材料；所述负极材料为导电碳源包覆的碳化硅或SiOx。

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度锂离子动力电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液及电池壳配件；所述正极片由正极集流体和涂覆于所述正极集流体表面的正极材料、正极导电剂和正极粘结剂组成；所述负极片由负极集流体和涂覆于所述负极集流体表面的负极材料、负极导电剂和负极粘结剂组成，其特征在于：所述正极材料为镍钴锰或镍钴铝三元正极材料；所述负极材料为导电碳源包覆的碳化硅或SiOx。2.如权利要求1所述的高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述镍钴锰为LiNixCoyMnzO2，其中，x、y、z满足0.7≤x≤0.9，0.05≤y≤0.15，x+y+z＝1；或镍钴铝三元正极材料LiNixCoyAlzO2，其中，x、y、z满足0.7≤x≤0.9，0.05≤y≤0.15，x+y+z＝1。3.如权利要求1所述的高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述导电碳源包覆的碳化硅或SiOx中硅元素含量为2％～15％；所述负极片的克容量为400～650mAh/g。4.如权利要求1～3任一所述的高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述正极片经过辊压后的厚度为120～200μm，压实密度为3.0～3.6g/cm3；和/或所述负极片辊压后的厚度为90～230μm，压实密度为1.3～1.8g/cm3。5.如权利要求1～3任一所述的高能量密度锂离子动力电池，其特征在于：所述的电解液中电解质为LiPF6，溶剂为EC、PC、EMC、DMC和DEC中至少一种，所述电解质浓度...

【专利技术属性】
技术研发人员：易先文，宋华杰，孙云龙，
申请(专利权)人：深圳市比克动力电池有限公司，深圳市比克电池有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44