一种高能量密度快充型锂离子动力电池制造技术

本发明专利技术公开了一种高能量密度快充型锂离子动力电池。对正负极材料、正负极极片、导电剂、隔膜、电解液的组成进行设计。将正负极材料进行改性；将正负极极片设计为具有空隙结构的多极耳或全极耳；将导电剂设计为“点‑线‑面”导电网络；对隔膜和电解液配方进行改进。由此设计出的锂离子动力电池具有较高的能量密度，能量密度能达到260Wh/kg以上；充电速度也大幅提升，满足在15min内充入80%以上的电量，且不析锂，同时该电池循环性能好，在+0.5C/‑1C的充放电倍率下循环1500周，容量保持率大于80%。

A Lithium Ion Power Battery with High Energy Density and Fast Charging

The invention discloses a high energy density fast charging lithium ion power battery. The composition of positive and negative electrode material, positive and negative plate, conductive agent, diaphragm and electrolyte was designed. The material of positive and negative electrodes was modified; the positive and negative electrodes were designed as multi-pole or all-pole ears with void structure; the conductive agent was designed as \point-line-surface\ conductive network; and the formula of diaphragm and electrolyte was improved. The designed lithium-ion power battery has a high energy density, and the energy density can reach 260Wh/kg. The charging speed is also greatly increased to meet the requirement of charging more than 80% of the electricity in 15 minutes without lithium precipitation. At the same time, the battery has good cycling performance, and the capacity retention rate is more than 80% after 1500 cycles at a charge-discharge ratio of + 0.5C/1C.

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度快充型锂离子动力电池
本专利技术属于锂离子电池设计领域，具体涉及一种高能量密度快充型锂离子动力电池。
技术介绍
随着能源消耗与社会发展之间的矛盾日益加剧，新能源以其环保、可再生的优势成为研究焦点。其中，新能源汽车已成为我国的战略性新兴产业，正面临着前所未有的发展机遇和挑战。续航能力是目前困扰新能源汽车市场的核心问题之一。中国汽车工业协会调查报告显示，新能源汽车的续航里程如果能达到300-400公里，且充电速度提升至15min内充入80%以上的电量，那么新能源汽车的市场销量将会实现跨越式增长。因此，高能量密度快充型锂离子动力电池在新能源汽车领域有着重大的应用前景。一般情况下，电池能量密度的升高会导致充电速度下降。目前锂离子电池难以兼顾高能量密度和快充这两个特点。为了解决高能量密度和快充的问题，现阶段主要从以下两个方面入手进行设计：（1）对锂离子电池电化学体系进行设计，包括高容量正负极材料、薄箔材、薄隔膜、优化电解液等设计；（2）对电芯结构进行优化，包括多极耳、多空隙极片、低内阻焊接等设计。上述设计能够提高电池的能量密度和充电速度，但是仍存在一定的技术瓶颈，主要表现为：（1）在电化学体系设计中，高容量硅基负极使用时，本身导电性较差，锂离子的嵌入/脱出的阻力变大而使得倍率性能变差；（2）箔材的厚度减薄到一定值时，欧姆内阻变大；（3）正负极材料大压实，颗粒与颗粒之间的扩散阻力变大和电解液浸润性变差，导致快充倍率性能变差；（4）电芯结构优化中，多极耳影响能量密度提升。例如申请号为201810666907.X名为《一种高能量密度、快充磷酸铁锂电池》的中国专利技术专利，通过电池电化学体系进行设计，使得电池能量密度达到140-150Wh/kg，在6C倍率充电条件下，10min可充电96%，15min充满。该锂电池具有快速充电效果，但是能量密度还是较低，不能满足现在新能源汽车对续航能力的要求。申请号为201510100893.1名为《一种快速充电背夹移动电池》的中国专利技术专利，对电池电化学体系和电芯结构进行了优化，提高了电池的充电速度，但是能量密度的提升并不明显。因此，基于上述设计过程中存在的矛盾，开发合适的优化设计方法，同时提高锂离子电池的能量密度和充电速度，对锂离子电池在新能源汽车上的使用，以及新能源汽车的普及具有很大的推动作用。
技术实现思路
为了解决所述现有技术的不足，本专利技术通过对锂离子动力电池电化学体系的设计和电芯结构的优化，设计了一种高能量密度快充型锂离子动力电池。对正负极材料、正负极极片、导电剂、隔膜、电解液的组成进行设计。将正负极材料进行改性；将正负极极片设计为具有空隙结构的多极耳或全极耳；将导电剂设计为“点-线-面”导电网络；对隔膜和电解液配方进行改进。由此设计出的锂离子动力电池具有较高的能量密度，能量密度能达到260Wh/kg以上；充电速度也大幅提升，满足在15min内充入80%以上的电量，且不析锂，同时该电池循环性能好，在+0.5C/-1C的充放电倍率下循环1500周，容量保持率大于80%。本专利技术所要达到的技术效果通过以下方案实现：本专利技术中提供了一种高能量密度快充型锂离子动力电池，包括由正极集流体、正极材料、正极导电剂、正极粘结剂组成的正极极片，由负极集流体、负极材料、负极导电剂、负极粘结剂组成的负极极片，还包括极耳、隔膜、电解液及电池辅料；所述正极极片、负极极片为多孔空隙结构，所述极耳为多极耳；所述正极材料为表面改性的镍钴锰三元材料或镍钴铝三元材料；所述负极材料为导电碳源包覆石墨化碳化硅或石墨化SiOx形成的硅碳负极材料；所述正极导电剂、负极导电剂由点状导电剂、线状导电剂、面状导电剂混合而成。本专利技术中锂离子动力电池包括正极极片、负极极片、隔膜、电解液以及电池辅料。正极材料表面改性能减小其与电解液的副反应，提高电池内部的有效电化学反应效率；负极材料为碳硅负极材料，能够提高材料的电子导电性和减小锂离子嵌入材料颗粒表面的阻抗，从而减少电化学极化和加快脱嵌锂的速率，加快电池内部离子的传输，提高充放电性能。极片为多极耳或者全极耳设计，减少电池在大电流充放电过程中的内阻，提高充电速率。导电剂采用不同形貌的导电剂构建成“点-线-面”相结合的导电网络，大幅度提高了电子的传输速度，提高充电速度。极片中空隙经过优化符合靠近隔膜处空隙大而靠近箔材处空隙小，空隙结构为正负极颗粒以及导电剂本身具有多孔，以及颗粒与颗粒之间堆积产生空隙；空隙率过大，正负极材料利用率低，压实密度小，不利于提高电池的能量密度；空隙率过小，内阻增大，不利于提高充电速度。本专利技术中结合电极材料、极片制备方法、导电剂的“点-线-面”排布方法，以及隔膜、电解液的性质，将空隙率设定为20%-35%，很好地兼顾了能量密度与充电速度的问题。本专利技术中采用高镍正极材料和硅碳负极材料相配合实现高能量密度设计。负极体系采用高容量硅基负极材料，采用球磨机将硅颗粒磨碎至40~100um，再将硅颗粒内嵌在空心化石墨中，再用化学气相沉积（CVD）方法颗粒外层包覆多层导电碳，内嵌式结构有利于束缚硅颗粒的膨胀且内部构建许多孔隙，加之外层无定型导电性碳层可以增加嵌锂反应面积和增加电子导电性，从而在根本上解决了由于循环性能较差和倍率性能差的问题。同时本专利技术中还提供了与硅基负极配套的导电剂体系、粘结剂体系以及电解液体系，有效提高了电芯循环寿命。进一步地，所述空隙结构的空隙率为20%-35%；所述极耳为铜镍复合材料极耳；所述多极耳为方形多极耳、方形全极耳、软包多极耳、软包全极耳、圆柱多极耳、圆柱全极耳中的一种。进一步地，所述镍钴锰三元材料化学式为LiNixCoyMnzO2，其中0.3≤x≤0.9，0.05≤y≤0.3，x+y+z=1；所述镍钴铝三元材料化学式为LiNixCoyAlzO2，其中0.7≤x≤0.95，0.03≤y≤0.15，x+y+z=1；所述镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料的中位粒径为2-10μm；所述表面改性为磷酸盐、氧化物、氟化物、导电碳层包覆改性；所述正极材料的容量为180-200mAh/g。优选地，镍钴锰或镍钴铝高镍三元材料为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.85Co0.1Mn0.05O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiNi0.85Co0.1Al0.05O2、LiNi0.9Co0.07Al0.03O2。进一步地，所述负极材料中导电碳源的包覆厚度为10-150nm，导电碳源占负极材料的质量百分比为3-15%；所述负极材料中硅元素的质量分数为2-15%；所述负极材料的容量为400-750mAh/g。进一步地，所述正极集流体为铝箔或涂碳铝箔，所述正极集流体厚度为10-20μm，所述正极集流体表面涂覆正极材料的面密度为200-500g/m2；所述负极集流体为铜箔或涂碳铜箔，所述负极集流体厚度为6-8μm，所述负极集流体表面涂覆负极材料的面密度为100-320g/m2；所述涂碳铝箔、涂碳铜箔的涂层为SuperP、CNTs、VGCF、石墨烯中的一种或几种，所述涂层厚度为0.1-3μm。优选地，正极集流体厚度为15μm，负极集流体厚度为8μm。进一步地，所述点状导电剂为SuperP、乙炔黑、SuperS、KS-6、KS-15、SFG本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能量密度快充型锂离子动力电池，包括由正极集流体、正极材料、正极导电剂、正极粘结剂组成的正极极片，由负极集流体、负极材料、负极导电剂、负极粘结剂组成的负极极片，还包括极耳、隔膜、电解液及电池辅料，其特征在于：所述正极极片、负极极片为多孔空隙结构；所述极耳为多极耳；所述正极材料为表面改性的镍钴锰三元材料或镍钴铝三元材料；所述负极材料为导电碳源包覆石墨化碳化硅或石墨化SiOx形成的硅碳负极材料；所述正极导电剂、负极导电剂由点状导电剂、线状导电剂、面状导电剂混合而成。

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度快充型锂离子动力电池，包括由正极集流体、正极材料、正极导电剂、正极粘结剂组成的正极极片，由负极集流体、负极材料、负极导电剂、负极粘结剂组成的负极极片，还包括极耳、隔膜、电解液及电池辅料，其特征在于：所述正极极片、负极极片为多孔空隙结构；所述极耳为多极耳；所述正极材料为表面改性的镍钴锰三元材料或镍钴铝三元材料；所述负极材料为导电碳源包覆石墨化碳化硅或石墨化SiOx形成的硅碳负极材料；所述正极导电剂、负极导电剂由点状导电剂、线状导电剂、面状导电剂混合而成。2.如权利要求1所述高能量密度快充型锂离子动力电池，其特征在于：所述多孔空隙结构的空隙率为20%-35%；所述极耳为铜镍复合材料极耳；所述多极耳为方形多极耳、方形全极耳、软包多极耳、软包全极耳、圆柱多极耳、圆柱全极耳中的一种。3.如权利要求1所述高能量密度快充型锂离子动力电池，其特征在于：所述镍钴锰三元材料化学式为LiNixCoyMnzO2，其中0.3≤x≤0.9，0.05≤y≤0.3，x+y+z=1；所述镍钴铝三元材料化学式为LiNixCoyAlzO2，其中0.7≤x≤0.95，0.03≤y≤0.15，x+y+z=1；所述镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料的中位粒径为2-10μm；所述表面改性为磷酸盐、氧化物、氟化物、导电碳层包覆改性；所述正极材料的容量为180-200mAh/g。4.如权利要求1所述高能量密度快充型锂离子动力电池，其特征在于：所述负极材料中导电碳源的包覆厚度为10-150nm，导电碳源占负极材料的质量百分比为3-15%；所述负极材料中硅元素的质量分数为2-15%；所述负极材料的容量为400-750mAh/g。5.如权利要求1所述高能量密度快充型锂离子动力电池，其特征在于：所述正极集流体为铝箔或涂碳铝箔，所述正极集流体厚度为10-20μm，所述正极集流体表面涂覆正极材料的面密度为200-500g/m2；所述负极集流体为铜箔或涂碳铜箔，所述负极集流体厚度为6-8μm，所述负极集流体表面涂覆负极材料的面密度为100-320g/m2；...

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