新型超低温锂离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型超低温锂离子电池及其制备方法，本发明专利技术从提高锂离子在活性材料中的扩散能力和电极界面性能的角度入手，通过优化材料性能和改进制浆工艺，有效提高了锂离子电化学可逆性能和低温导电性能，改善了电极比容量。本发明专利技术所述制备方法制备出的锂离子电池在‑60℃的超低温环境条件下0.2C放电，容量保持率仍可达到80％以上，并且‑60℃的温度条件下可以正常充电，突破了传统锂离子电池在低于‑20℃低温条件时难以正常使用的技术难题，大大拓宽了锂离子电池在军用装备上的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
新型超低温锂离子电池及其制备方法
本专利技术涉及一种锂离子电池，具体涉及一种新型超低温锂离子电池及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池作为新一代的绿色能源，具有工作电压高、循环寿命长、质量轻、能量密度高、倍率性能和安全性能好、自放电小、无记忆效应、无环境污染等优点，被广泛的应用到电子、交通、医疗、航空等各个领域中，随着应用领域及应用范围的不断拓展，对电池的性能也提出了更高的要求。而传统锂离子电池的低温放电性能较差，尤其是低温充电性能差，大多数锂电池在-20℃以下难以正常使用，大大制约了其在高纬度、高海拔地区和水下低温环境中的应用。另外，锂离子电池在低温环境下充电会极大地影响电池的电化学性能。锂离子电池低温无法充电的问题，大大制约了其在特殊环境领域的应用。传统的锂离子电池工作温度一般在-20℃到60℃，相当多的应用环境尤其是军用装备需要达到比这个工作温度更宽的适应范围。但低温下锂电池的放电容量会严重下降，如在-40℃时，锂离子电池的低温放电容量只能达到室温放电容量10％-30％，放电倍率性能也下降很大，在-60℃的超低温环境根本无法正常使用。因此提高锂离子电池在超低温状态下的性能是锂离子电池广泛应用迫切要解决的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种新型超低温锂离子电池及其制备方法，突破了传统锂离子电池在低于-20℃低温条件时难以正常使用的技术难题，大大拓宽了锂离子电池在军用装备上的应用范围。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种新型超低温锂离子电池制备方法，首先分别制备正极浆料和负极浆料，然后将制备的正极浆料按面密度300g/m2-400g/m2，压实密度3.4kg/m3-4.0kg/m3进行涂布，负极浆料按面密度150g/m2-220g/m2，压实密度1.3kg/m3-1.6kg/m3进行涂布；最后再经裁切、卷绕或叠层、封装后，即可；所述负极浆料包括95.5-97份人造石墨、2.5-5份聚偏氟乙烯和2-4份超导石墨，所述负极浆料中人造石墨、聚偏氟乙烯和超导石墨采用N-甲基吡咯烷酮作为溶剂稀释，所述负极浆料的固含量为50％-60％、粘度为5000mPa·s-6000mPa·s。进一步地，所述负极浆料的制备方法如下：(1)按重量份计，称取95.5-97份人造石墨、2.5-5份聚偏氟乙烯和2-4份超导石墨在搅拌机中搅拌30min-60min；(2)加入N-甲基吡咯烷酮，控制固含量为75％-80％，在搅拌机中以每分钟5m-10m的线速度搅拌120min；(3)再加入N-甲基吡咯烷酮稀释，然后以每分钟15m-20m的线速度搅拌120min；(4)将搅拌结束后制备的浆料进行抽真空除泡后，即得。进一步地，所述负极浆料的制备采用行星式搅拌机进行搅拌；所述步骤(3)中加入N-甲基吡咯烷酮稀释的过程中控制固含量为50％-60％、粘度为5000mPa·s-6000mPa·s。进一步地，所述步骤(4)抽真空除泡的条件为真空度不大于0.1Pa，持续抽真空20min。进一步地，所述正极浆料的制备方法如下：(1)按重量份计，将90-97份正极活性材料、1.5-6份聚偏氟乙烯和1-2份超导炭黑在行星式搅拌机中以、每分钟5m-10m的线速度混合30min-60min后，再加入0.5-2份碳纳米管，继续在行星式搅拌机中混合；(2)加注N-甲基吡咯烷酮进行稀释，停止加注后，继续搅拌一定时间；(3)搅拌结束后对制备的浆料抽真空除泡后，即得。进一步地，所述正极活性材料的制备：首先将稀土金属氧化物和碱土金属氧化物按质量比1:1混合均匀，然后按质量份计，取0.05-5份混合好的粉体添加到100份LiCoO2中，混合均匀后进行烧结，形成LiCoMO化合物，经气流粉碎和分级处理后，即得；其中M表示稀土元素和碱土金属的混合物。进一步地，所述烧结的条件为在惰性气体氛围中温度850℃-950℃下烧结10h～15h；所述稀土元素包括Sc、Y、La、Ce、Nd、Gd和Sm中的一种，所述碱土金属包括Mg。进一步地，所述正极活性材料的粒径D50为4μm-7μm。进一步地，所述步骤(1)碳纳米管的混合时间为120min；所述碳纳米管为质量浓度为5％-10％的碳纳米管溶液。进一步地，所述步骤(2)中N-甲基吡咯烷酮加注的终止条件为检测固含量为70％-80％、粘度为5000mPa·s-8000mPa·s；加注的过程中以每分钟15m-20m的线速度进行搅拌；所述步骤(2)停止加注后继续搅拌90min；所述步骤(3)中抽真空除泡的条件为真空度不大于0.1Pa，持续抽真空20min。有益效果：与现有技术相比，本专利技术首先通过对制浆工艺中CNT溶液和SP导电材料的工艺用量进行改进和优化控制，在降低了材料面密度的同时，提高了石墨颗粒间的各向同性、电解液的浸润性及相容性，降低了锂离子的扩散阻抗，并使材料容量得到更好的发挥，弥补了电解液在超低温环境条件中电导率下降导致的电池性能恶化问题，改善了电极材料的超低温离子导电率，进一步提高了锂离子电池的低温倍率性能。由于正极材料作为锂离子电池的重要组成部分，影响着锂离子在其中的脱嵌及电子的迁移，本专利技术在制浆工艺改进和优化的基础上，还通过对正极活性材料的进行优化控制，通过在LiCoO2正极材料中掺杂了一定比例的稀土元素和碱土金属，在不改变原材料的晶体结构的情况下，改变了其晶格常数c，从而增大了材料的层间距，改善了锂离子在电极活性物质中的脱嵌条件，增加了锂离子在电极活性物质中的扩散能力和电极界面性能，提高了材料的电化学可逆性能和低温耐受性能，从而拓宽了锂离子电池的使用温度范围。除此之外，通过面密度和压实密度的精确控制，提高了超低温使用环境下的电解液浸润性及相容性，降低了锂离子的扩散阻抗，并使材料容量得到更好的发挥。综上所述，通过本专利技术所述方法制备出的锂离子电池可在-60℃的环境中以0.2C放电，容量保持率仍大于80％以上；在-60℃的环境中以1C放电，容量保持率可大于80％以上；并且能够在-60℃的环境中以1C进行充电，突破了现有锂离子电池技术的低温应用局限，大大提高了锂离子电池在超低温条件下的电化学性能，为高纬度、高海拔地区和水下环境应用提供了保障。附图说明图1为本专利技术实施例所述正极活性材料的XRD图谱；图2为本专利技术实施例制备的18650-2.5Ah锂离子电池的不同温度和不同倍率放电曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种新型超低温锂离子电池及其制备方法，突破了现有锂离子电池技术的低温应用局限，大大提高了锂离子电池在超低温条件下的电化学性能。为了达到上述目的，采用了如下的技术方案。一种新型超低温锂离子电池制备方法，首先分别制备正极浆料和负极浆料，然后将制备的正极浆料按面密度300g/m2-400g/m2，压实密度3.4kg/m3-4.0kg/m3进行涂布，负极浆料按面密度150g/m2-220g/m2，压实密度1.3kg/m3-1.6kg/m3进行涂布；最后再经裁切、卷绕或叠层、封装后，即可；所述负极浆料包括95.5-97份人造石墨、2.5-5份聚偏氟乙烯和2-4份超导石墨，所述负极浆料中人造石墨、聚偏氟乙烯和超导石墨采用N-甲基吡咯烷酮作为溶剂稀释，所述负极浆料的固含量为50％-60％、粘度为5000mPa·本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型超低温锂离子电池制备方法，其特征在于：首先分别制备正极浆料和负极浆料，然后将制备的正极浆料按面密度300g/m2‑400g/m2，压实密度3.4kg/m3‑4.0kg/m3进行涂布，负极浆料按面密度150g/m2‑220g/m2，压实密度1.3kg/m3‑1.6kg/m3进行涂布；最后再经裁切、卷绕或叠层、封装后，即可；所述负极浆料包括95.5‑97份人造石墨、2.5‑5份聚偏氟乙烯和2‑4份超导石墨，所述负极浆料中人造石墨、聚偏氟乙烯和超导石墨采用N‑甲基吡咯烷酮作为溶剂稀释，所述负极浆料的固含量为50％‑60％、粘度为5000mPa·s‑6000mPa·s。

【技术特征摘要】
1.一种新型超低温锂离子电池制备方法，其特征在于：首先分别制备正极浆料和负极浆料，然后将制备的正极浆料按面密度300g/m2-400g/m2，压实密度3.4kg/m3-4.0kg/m3进行涂布，负极浆料按面密度150g/m2-220g/m2，压实密度1.3kg/m3-1.6kg/m3进行涂布；最后再经裁切、卷绕或叠层、封装后，即可；所述负极浆料包括95.5-97份人造石墨、2.5-5份聚偏氟乙烯和2-4份超导石墨，所述负极浆料中人造石墨、聚偏氟乙烯和超导石墨采用N-甲基吡咯烷酮作为溶剂稀释，所述负极浆料的固含量为50％-60％、粘度为5000mPa·s-6000mPa·s。2.根据权利要求1所述的一种新型超低温锂离子电池制备方法，其特征在于：所述负极浆料的制备方法如下：(1)按重量份计，称取95.5-97份人造石墨、2.5-5份聚偏氟乙烯和2-4份超导石墨在搅拌机中搅拌30min-60min；(2)加入N-甲基吡咯烷酮，控制固含量为75％-80％，在搅拌机中以每分钟5m-10m的线速度搅拌120min；(3)再加入N-甲基吡咯烷酮稀释，然后以每分钟15m-20m的线速度搅拌120min；(4)将搅拌结束后制备的浆料进行抽真空除泡后，即得。3.根据权利要求2所述的一种新型超低温锂离子电池制备方法，其特征在于：所述负极浆料的制备采用行星式搅拌机进行搅拌；所述步骤(3)中加入N-甲基吡咯烷酮稀释的过程中控制固含量为50％-60％、粘度为5000mPa·s-6000mPa·s。4.根据权利要求2所述的一种新型超低温锂离子电池制备方法，其特征在于：所述步骤(4)抽真空除泡的条件为真空度不大于0.1Pa，持续抽真空20min。5.根据权利要求1所述的一种新型超低温锂离子电池制备方法，其特征在于：所述正极浆料的制备方法如下：(1)按重量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪，白彬，王红飞，张遂超，蒋昱东，赵佑军，
申请(专利权)人：西安中科爱姆特氢能源有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61