一种快速充放电且安全的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快速充放电且安全的低温锂离子电池及其制备方法，所述低温为‑45℃；所述快速充电的倍率分别为3C和5C，所述快速放电的倍率分别为1C和10C；所述电池主要由正极片、负极片、陶瓷隔膜、电解液、电池壳这五部份组成，经“正极片‑陶瓷隔膜‑负极片‑陶瓷隔膜”如此重复的顺序依次层叠后放入电池壳、注入电解液、化成、封口、分容制成。通过对正/负材料、陶瓷隔膜、电解液、电池壳、纳米微孔覆碳铝网、纳米微孔铜网、高分子胶、高温绝缘胶带、大分子增塑剂等优选材料以及优选的工艺技术，充分说明了本发明专利技术的有益效果。工艺过程简便，生产成本低，非常适合电动车、大型储能和军工启动电源等领域的应用。

A fast charge discharge and safe low temperature lithium ion battery and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种快速充放电且安全的低温锂离子电池及其制备方法
本专利技术涉及动力和储能锂离子二次电池
，特别是涉及一种快速充放电且安全的低温锂离子电池的制备方法。
技术介绍
锂离子电池具有工作电压高、比能量高、充放电寿命长、自放电率低和无记忆效应等优点，使其在便携式电子设备和电动工具等民用市场应用范围越来越广泛。但是其较差的低温性能、快速充放电性能和安全稳定性能使其在航空、航天、特殊通讯、极地考察和军工等特殊领域的应用受到限制。如目前锂离子电池的低温快速充电性能，特别是在-30℃以下低温环境中的工作性能很差，主要表现为充放电容量低、充放电时间长、以及充电温升高，安全稳定性难以控制。影响锂离子电池低温性能下降的主要原因是Li+在电极中以及电极与电解液界面之间的运输速度变慢，电子在电极中以及电极和电极与电解液界面之间的迁移扩散速度减慢；其次是电解液在低温下粘度增加，Li+电导率下降。除此之外，电极的孔隙率、孔径、比表面积、电极密度、压实、电极与电解液在低温下的润湿性、以及电解液的低温流动性等均影响着锂离子电池的低温性能。目前改善电子迁移的方法通常采用向电极活性材料中添加导电剂(导电碳粉，碳纳米管，石墨烯,碳纳米线等)。但仅从改善电子迁移方面来改善低温电化学性能的程度有限。中国专利201110055390.9通过在正极中加入锂离子导体添加剂-钙钛矿型氧化物来改善锂离子半电池的低温-20oC电化学放电容量。中国专利201210134320.7则是通过调整正负极片孔隙率以及电解液组成实现电解液稳定性的保持、低温电导率的提高，以及电池在低温-20oC环境下电压平台和放电容量的提升。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了弥补现有技术的不足，提供一种快速充放电且安全的低温锂离子电池的制备方法。技术方案：一种快速充放电且安全的低温锂离子电池，所述低温为-45℃；所述快速充电的倍率分别为3C和5C，所述快速放电的倍率分别为1C和10C；所述电池主要由正极片、负极片、陶瓷隔膜、电解液、电池壳这五部份组成，经“正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜”如此重复的顺序依次层叠后放入电池壳、注入电解液、化成、封口、分容制成。其特征在于，所述陶瓷隔膜（130）位于正极片（110）与负极片（120）之间；所述正极片（110）包括纳米微孔覆碳铝网（7），纳米微孔覆碳铝网（7）的表面设置有正极涂层（1）；所述负极片（120）包括纳米微孔铜网（4），纳米微孔铜网（4）的表面设置有负极涂层（5）；所述正极涂层（1）和负极涂层（5）的外侧表面均设置有高温绝缘胶带（3），高温绝缘胶带（3）表面设置有高分子胶（6）。所述正极片：将“粒径在200nm以下的一次纳米粒子”构成“粒径在2～3um的二次微米颗粒”的活性正极材料、正极电子导电添加剂加入适当大分子增塑剂，通过粘结剂涂布在纳米微孔覆碳铝网上形成正极涂层；并通过烘干和辊压后，借助IPA把大分子增塑剂从正极片涂层内萃取出来，得到纳米微孔正极片。所述负极片：将“粒径在100nm以下的一次纳米粒子”构成“粒径在13～17um的二次微米颗粒”的活性负极材料、负极电子导电添加剂加入适当大分子增塑剂，通过粘结剂涂布在纳米微孔铜网上形成负极涂层；并通过烘干和辊压后，借助IPA把大分子增塑剂从负极片涂层内萃取出来，得到纳米微孔负极片。所述陶瓷隔膜：在隔膜的表面涂上纳米氧化铝涂层，在借助真空烘烤箱除去氧化铝涂层内的溶剂，得到低温环境中具有高孔隙率和高润湿性的多孔陶瓷隔膜。所述电解液：将“多量的低粘度、低熔点（-48.8℃）的碳酸丙烯酯PC和少量的相对较高熔点（35℃）的碳酸乙烯酯EC配成的溶剂”与“低温环境下高电导率离子的锂盐-溶剂组合”混合后，得到低温电解液。所述纳米微孔覆碳铝网：为表面喷涂有Super-P、PAA的多孔铝材质网片。所述纳米微孔铜网：为多孔铜材质网片。优选，采用方型铝材质壳体作为电池壳。所述正极涂层的一侧与纳米微孔覆碳铝网对齐，另一侧则比纳米微孔覆碳铝网短，将正极涂层与铝网对齐的一侧浅浸在高分子胶中使该侧为高分子胶所包裹；所述负极涂层的一侧与纳米微孔铜网对齐，另一侧则比纳米微孔铜网短，将负极涂层与铜网片对齐的一侧浅浸在高分子胶中使该侧为高分子胶所包裹。所述活性正极材料为磷酸亚铁锂；所述活性负极材料为中间相碳微球、人造石墨、天然石墨、钛酸锂、硅碳负极中的一种或多种的混合；所述正极电子导电添加剂为Ks6或碳纳米管或VGCF或石墨烯或Super-P；所述负极电子导电添加剂为Ks6或碳纳米管或VGCF或石墨烯或Super-P；所述大分子增塑剂为DBP或PTP或DOP或DIDP；所述粘结剂为可溶于丙酮类的聚偏氟乙烯共聚物PVDF-HFP、聚丙烯晴、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氧化乙烯中的至少一种的混合。所述陶瓷隔膜机械强度高、热稳定性强，其制作方法为静电纺丝法，厚度为6～40um；所述“陶瓷隔膜表面的纳米氧化铝涂层”比“正/负极片表面的活性材料涂层”的面积大。所述高温绝缘胶带（3）包括基材和胶层两层结构，基材为聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚和聚醚酮中的至少一种的混合，胶层为硅胶；整体厚度在10～60um,其热稳定性大于200℃；所述高分子胶为PVDF、PAN中的至少一种的混合。所述低粘度、低熔点的溶剂由两种溶剂混合形成，其中一种为碳酸酯，另外一种为酯类。所述碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯中一种或多种的混合；所述酯类为γ-丁内酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯中一种或多种的混合；所述锂盐-溶剂组合为高纯锂盐和多元碳酸酯组成的溶液,所述锂盐为LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiBC2O4F2中的一种或多种的混合，锂盐的浓度为0.7M～2M；所述碳酸酯包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、单氟代碳酸乙烯酯、γ-丁内酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯中的至少两种的混合。上述锂离子电池的制备方法，它包括如下步骤：A、干电芯按“正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜”如此重复的顺序依次层叠，在层叠过程中，用高温绝缘胶带以“U”型包裹正极片涂布的起始端和末端，比活性物质正极涂层稍长多余出来的集流体铝网片部分在后续经过层叠而聚集在一起形成多重正极极耳；用高温绝缘胶带以“U”型包裹负极片涂布的起始端和末端，比活性物质负极涂层稍长多余出来的集流体铜网片部分在后续经过层叠而聚集在一起形成多重负极极耳；将多重正极极耳和多重负极极耳通过与平面金属薄片集流体焊接在一起形成全极耳。B、电池组装将层叠好的干电芯在一定温度下施加一定压力使正极片、负极片、陶瓷隔膜这三者的接触更加密实，然后将干电芯放入电池壳，并加入电解液后按照常规的方型电池的制作工艺制作，最终得到所述的快速充放电且安全的低温锂离子电池。本专利技术具备如下有益效果：1.通过选择正极材料为粒径在200nm以下的一次纳米粒子构成粒径在2～3um的二次微米颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速充放电且安全的低温锂离子电池，所述低温为-45℃；所述快速充电的倍率分别为3C和 5C，所述快速放电的倍率分别为1C和10C；所述电池主要由正极片、负极片、陶瓷隔膜、电解液、电池壳这五部份组成，经“正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜”如此重复的顺序依次层叠后放入电池壳、注入电解液、化成、封口、分容制成；其特征在于，所述陶瓷隔膜（130）位于正极片（110）与负极片（120）之间；所述正极片（110）包括纳米微孔覆碳铝网（7），纳米微孔覆碳铝网（7）的表面设置有正极涂层（1）；所述负极片（120）包括纳米微孔铜网（4），纳米微孔铜网（4）的表面设置有负极涂层（5）；所述正极涂层（1）和负极涂层（5）的外侧表面均设置有高温绝缘胶带（3）；/n所述正极片：将“粒径在200nm以下的一次纳米粒子”构成“粒径在2～3um的二次微米颗粒”的活性正极材料、正极电子导电添加剂加入适当大分子增塑剂，通过粘结剂涂布在纳米微孔覆碳铝网上形成正极涂层；并通过烘干和辊压后，借助IPA把大分子增塑剂从正极片涂层内萃取出来，得到纳米微孔正极片；/n所述负极片：将“粒径在100nm以下的一次纳米粒子”构成“粒径在13～17um的二次微米颗粒”的活性负极材料、负极电子导电添加剂加入适当大分子增塑剂，通过粘结剂涂布在纳米微孔铜网上形成负极涂层；并通过烘干和辊压后，借助IPA把大分子增塑剂从负极片涂层内萃取出来，得到纳米微孔负极片；/n所述陶瓷隔膜：在隔膜的表面涂上纳米氧化铝涂层，在借助真空烘烤箱除去氧化铝涂层内的溶剂，得到低温环境中具有高孔隙率和高润湿性的多孔陶瓷隔膜；/n所述电解液：将“多量的低粘度、低熔点（-48.8℃）的碳酸丙烯酯PC和少量的相对较高熔点（35℃）的碳酸乙烯酯EC配成的溶剂”与“低温环境下高电导率离子的锂盐-溶剂组合”混合后，得到低温电解液；/n所述纳米微孔覆碳铝网：为表面喷涂有Super-P、PAA的多孔铝材质网片；/n所述纳米微孔铜网：为多孔铜材质网片。/n...

【技术特征摘要】
1.一种快速充放电且安全的低温锂离子电池，所述低温为-45℃；所述快速充电的倍率分别为3C和5C，所述快速放电的倍率分别为1C和10C；所述电池主要由正极片、负极片、陶瓷隔膜、电解液、电池壳这五部份组成，经“正极片-陶瓷隔膜-负极片-陶瓷隔膜”如此重复的顺序依次层叠后放入电池壳、注入电解液、化成、封口、分容制成；其特征在于，所述陶瓷隔膜（130）位于正极片（110）与负极片（120）之间；所述正极片（110）包括纳米微孔覆碳铝网（7），纳米微孔覆碳铝网（7）的表面设置有正极涂层（1）；所述负极片（120）包括纳米微孔铜网（4），纳米微孔铜网（4）的表面设置有负极涂层（5）；所述正极涂层（1）和负极涂层（5）的外侧表面均设置有高温绝缘胶带（3）；
所述正极片：将“粒径在200nm以下的一次纳米粒子”构成“粒径在2～3um的二次微米颗粒”的活性正极材料、正极电子导电添加剂加入适当大分子增塑剂，通过粘结剂涂布在纳米微孔覆碳铝网上形成正极涂层；并通过烘干和辊压后，借助IPA把大分子增塑剂从正极片涂层内萃取出来，得到纳米微孔正极片；
所述负极片：将“粒径在100nm以下的一次纳米粒子”构成“粒径在13～17um的二次微米颗粒”的活性负极材料、负极电子导电添加剂加入适当大分子增塑剂，通过粘结剂涂布在纳米微孔铜网上形成负极涂层；并通过烘干和辊压后，借助IPA把大分子增塑剂从负极片涂层内萃取出来，得到纳米微孔负极片；
所述陶瓷隔膜：在隔膜的表面涂上纳米氧化铝涂层，在借助真空烘烤箱除去氧化铝涂层内的溶剂，得到低温环境中具有高孔隙率和高润湿性的多孔陶瓷隔膜；
所述电解液：将“多量的低粘度、低熔点（-48.8℃）的碳酸丙烯酯PC和少量的相对较高熔点（35℃）的碳酸乙烯酯EC配成的溶剂”与“低温环境下高电导率离子的锂盐-溶剂组合”混合后，得到低温电解液；
所述纳米微孔覆碳铝网：为表面喷涂有Super-P、PAA的多孔铝材质网片；
所述纳米微孔铜网：为多孔铜材质网片。


2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极涂层的一侧与纳米微孔覆碳铝网对齐，另一侧则比纳米微孔覆碳铝网短，将正极涂层与铝网对齐的一侧浅浸在高分子胶中使该侧为高分子胶所包裹；所述负极涂层的一侧与纳米微孔铜网对齐，另一侧则比纳米微孔铜网短，将负极涂层与铜网片对齐的一侧浅浸在高分子胶中使该侧为高分子胶所包裹。


3.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述活性正极材料为磷酸亚铁锂；所述活性负极材料为中间相碳微球、人造石墨、天然石墨、钛酸锂、硅碳负极中的一种或多种的混合；所述正极电子导电添加剂为Ks6或碳纳米管或VGCF或石墨烯或Supe...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄耀泽，黄碧英，唐天文，萨多威R唐纳德，
申请(专利权)人：隆能科技南通有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32