一種高能量密度的鋰離子電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋰離子電池領(lǐng)域，尤其涉及一種高能量密度及循環(huán)性能兼顧的高能量密度的鋰離子電池。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子動力電池在電動汽車領(lǐng)域及大型儲能設備等動力能源領(lǐng)域的巨大應用前景，引起了眾多科學工作者及企業(yè)單位的關(guān)注。作為新一代的綠色能源產(chǎn)品，鋰離子動力電池發(fā)展迅速，對其在電動汽車等新能源領(lǐng)域的應用提出了新的要求，高能量密度將是未來動力電池發(fā)展的趨勢。目前，現(xiàn)有的鋰離子電池負極材料多以石墨為主，石墨的理論克容量為372 mAh/g，與鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元等正極材料配合，電池的能量密度最高能達到200wh/kg，要追求更高能量密度則需要容量更高的正負極材料體系。純硅基負極理論克容量可高達4200mAh/g，但用作鋰離子的負極，由于體積效應，電池膨脹、粉化十分嚴重，于是，人們考慮將硅碳材料復合，形成硅碳負極材料，可以很大程度上提高材料的克容量，同時可以在一定程度上降低硅基材料的體積效應。
[0003]目前，應用在鋰離子電池中的硅碳負極材料大多數(shù)采用物理方式將硅和碳結(jié)合，以這種方式制備的硅碳負極，當硅含量超過10%以上，體積效應仍十分明顯，循環(huán)較差，遠不能達到鋰離子動力電池的要求。
[0004]中國專利公開號CN 1529382 A，公開日2004年9月15日，名稱為大功率塑料鋰離子電池的發(fā)明專利，該申請案公開了一種大功率塑料鋰離子電池，包括正極片、負極片、電介質(zhì)膜材料、電解液材料、軟復合包裝材料和塑料外殼，正極片包括正極材料、黏結(jié)劑、DBP、碳黑、鋁網(wǎng)，負極片包括負極材料、黏結(jié)劑、DBP、碳黑、銅網(wǎng)，電解質(zhì)膜材料包括黏結(jié)劑、二氧化硅、DBP，正極片、負極片和電解質(zhì)膜通過加熱復合制成單元電芯，將單元電芯疊合，采用復合膜材料包裝后，形成組合電池，引出極耳，使組合電池的正、負極通過極耳材料與正、負極端子連接，將組合電池置于塑料和體內(nèi)，使蓋與盒體通過超聲波融合，形成完整的大功率塑料鋰離子電池。其不足之處在于，負極材料采用石墨類碳材料，首次充放電效率低、過充時容易析鋰。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于為了解決動力電池能量密度低而導致的電動汽車續(xù)航里程短，進而解決采用硅基負極制備的鋰離子動力電池在循環(huán)過程中出現(xiàn)的體積膨脹、粉化現(xiàn)象而導致的電池循環(huán)性能差的缺陷，而提供一種高能量密度及循環(huán)性能兼顧的鋰離子動力電池。
[0006]為了實現(xiàn)上述目地，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種高能量密度的鋰離子電池，包括正極片、負極片、隔膜、電解液和外包裝，所述的正極片、負極片分別由正、負集流體和涂覆在正、負極集流體上的正、負極材料組成，正極材料包括正極活性物質(zhì)、正極導電劑與正極粘結(jié)劑，負極材料包括負極活性物質(zhì)、負極導電劑、增稠劑與負極粘結(jié)劑，所述正極活性物質(zhì)采用鎳鈷鋁三元正極材料或鎳鈷錳三元正極材料，負極活性物質(zhì)采用碳源包覆硅源的硅碳材料。在本技術(shù)方案中，負極體系采用高容量硅碳材料，且該娃碳材料由碳素包覆S1合成,娃源以S1形式存在。與常規(guī)的碳與金屬娃以物理方式結(jié)合制備的硅碳負極不同，以碳素包覆S1形式制備硅碳負極，碳包覆在S1表面可以有效抑制硅金屬的體積膨脹，從而從根本上解決硅碳負極體積效應導致的循環(huán)性能差的問題；負極采用彈性粘結(jié)劑聚酰亞胺(PI)，兩者的協(xié)同效應，可以有效解決電池在循環(huán)過程中硅碳負極出現(xiàn)體積膨脹、粉化等現(xiàn)象，有效的提高了電池的循環(huán)壽命，與高容量正極材料、隔膜及電解液配合制作的鋰離子動力電池能量密度高達250wh/kg，滿足動力電池的高能量密度及循環(huán)壽命的要求，有效解決動力電池能量密度低而導致的電動汽車續(xù)航里程短這一技術(shù)瓶頸，為實現(xiàn)鋰離子動力電池在電動汽車的大規(guī)模應用提供了必要的條件。
[0007]作為優(yōu)選，鎳鈷錳三元正極材料為Ni7CoMn2、Ni3CoMru Ni5Co2Mn30
[0008]作為優(yōu)選，所述導電劑的各組分的質(zhì)量份數(shù)為:25-30份石墨烯、10-15份聚乙二醇、100-160份溶劑、0.5-1份碳化鈦。在本技術(shù)方案中，選用聚乙二醇是為了提高石墨烯在溶劑中的分散均勻性，解決石墨烯部分分散困難的問題；碳化鈦的加入主要是為了提高電池的穩(wěn)定性，從而提高電池的安全性能。
[0009]作為優(yōu)選，所述石墨烯導電劑是由以下步驟制備而成的:
O將石墨烯與一半的溶劑混合，超聲分散10-25min,得到預混液A ；
2)將聚乙二醇與剩下的溶劑混合，在30-45°C下攪拌30-60min，得到預混液B；
3)將步驟I)得到的預混液A與步驟2)得到的預混液B攪拌混合并加入碳化鈦，得到鋰離子電池石墨烯導電劑。
[0010]作為優(yōu)選，步驟3)中加入碳化鈦的同時施加強度為3000-4500GS的磁場；待碳化鈦完全加入后，將磁場強度提高至5000-5500GS，并攪拌15_20min，然后在超聲波條件下超聲分散30-45min。
[0011]作為優(yōu)選，負極活性物質(zhì)采用納米碳管包覆S1的硅碳材料，負極粘結(jié)劑為聚酰亞胺。在本技術(shù)方案中，本發(fā)明以S1為硅源，采用高溫固相法制備納米碳管包覆S1的硅碳負極材料，納米碳管均勻包覆在S1表面，該結(jié)構(gòu)可以有效抑制硅循環(huán)過程中的粉化，提高娃碳負極的循環(huán)性能，采用該娃碳負極容量450mAh/g ;聚酰亞胺粘結(jié)劑時彈性材料,彈性材料具有很好的延展性，可以承受活性材料較大的體積變化，在循環(huán)充放電過程中，可以承受硅碳負極材料的反復膨脹和收縮，有效抑制硅碳負極活性材料的體積效應導致的活性材料與集流體脫落現(xiàn)象。
[0012]作為優(yōu)選，納米碳管與S1的質(zhì)量比為9-12:1。
[0013]作為優(yōu)選，所述負極活性物質(zhì)有以下步驟制備而成:
a)將納米碳管、S1與錳或鑰球磨15-30h，得到混料；
b)將步驟a)得到的混料在惰性氣體氛圍下反應25-30h，反應溫度為1150-1200°C，得到娃碳-金屬混合粉末；
c)將步驟b)得到的硅碳-金屬混合粉末進行酸洗，得到納米碳管包覆S1的硅碳材料。
[0014]作為優(yōu)選，錳或鑰的加入量為納米碳管與S1總質(zhì)量的1.5-3倍。
[0015]作為優(yōu)選，正極片輥壓后的厚度為120?280 μ m,壓實密度為2.5?3.3g/cm3 ；負極片輥壓后的厚度為60?200 μ m，壓實密度為1.3?2.0g/cm3 ;制備正極漿料的粘度為1000-3000 mPa.S，攪拌均勻后過篩，100-120目；制備負極漿料的粘度為2800-4000mPa.s,攪拌均勻后過篩，100-120目。
[0016]本發(fā)明的有益效果是
1)本發(fā)明采用高容量的硅碳材料作為負極，實際克容量為450-500mAh/g,比常規(guī)石墨負極300-350 mAh/g容量有大幅度提高了，正極采用高容量的NCA或高鎳NCM，實際克容量達到170mAh/g以上，這種體系配合制備的鋰離子動力電池能量密度可以高達25(T300wh/kg ；
2)本發(fā)明負極采用納米碳管包覆S1形式制備硅碳負極，硅源以S1形式存在，同時納米碳管包覆在S1表面可以有效抑制硅金屬的體積膨脹，從而從根本上解決硅碳負極體積效應導致的循環(huán)性能差的問題；負極采用彈性粘結(jié)劑聚酰亞胺(PI)，兩者的協(xié)同效應，可以有效解決電池在循環(huán)過程中硅碳負極出現(xiàn)體積膨脹、粉化等現(xiàn)象，有效的提高了電池的循環(huán)壽命。
【附圖說明】
[0017]圖1是實施例1的循環(huán)測試圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進一步的解釋:
本發(fā)明所用石墨烯購自寧波墨西科技有限公，其余原料均可從市場購得。
[0019]制備石墨烯導電劑:1)將25g石墨烯與50g的水混合,超聲分散1min,得到預混液A ;超聲頻率為50KHz ；
2)將1g聚乙二醇與50g的水混合，在30°C下攪拌30min，得到預混液B；
3)將步驟I)得到的預混液A與步驟2)得到的預混液B攪拌混合并加入0.5g碳化鈦，加入碳化鈦的同時施加強度為3000GS的磁場，待碳化鈦完全加入后，將磁場強度提高至5000GS，并攪拌15min，然后在超聲波條件下超聲分散30min ;超聲頻率為50KHz，得到石墨烯導電劑。
[0020]實施例1
原材料:PVDF(聚四氟乙烯)，石墨烯導電劑、NMP(N-甲基吡咯烷酮)、NCA正極材料、硅碳負極、CMC (羧甲基纖維素鈉)、聚酰亞胺(PI)膠液以及去離子水、涂層隔膜(涂層隔膜采用PE基材，AL203涂層)、硅基電解液；
正極漿料制備:首先將PVDF溶于的NMP有機溶劑中，攪拌3-4小時，制備成固含量為7%的膠液，再將石墨烯導電劑加入膠液中攪拌I小時，隨即加入正極NCA，持續(xù)高速攪拌2小時，調(diào)節(jié)粘度達到1000 mPa.S，完成攪拌后過篩得到所需正極漿料；