本發(fā)明涉及一種鋰離子電池，尤其是涉及一種高倍率鋰離子電池正極及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度大和循環(huán)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，近年在移動(dòng)電子設(shè)備、電動(dòng)工具和電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到廣泛使用。隨著用戶需求的不斷提升，如無(wú)人機(jī)、汽車備用點(diǎn)火電源對(duì)電池的高倍率放電的要求，電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池快速充電的要求，迫切需要開(kāi)發(fā)能夠進(jìn)行快速充放電的高倍率型鋰離子電池。
提高電極導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力是高倍率電池的設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵因素。鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)為石墨，具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。而正極活性物質(zhì)主要為鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰等嵌鋰化合物，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能相對(duì)較差，當(dāng)電池在高倍率下充放電時(shí)，大電流的通過(guò)容易導(dǎo)到電極發(fā)熱，并且由于導(dǎo)熱能力差容易產(chǎn)生電池內(nèi)部溫度分布不均，從而顯著影響電池的放電性能、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性能。因此，提高正極的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力對(duì)于開(kāi)發(fā)高倍型鋰離子電池具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種高倍率鋰離子電池正極及其制備方法和應(yīng)用，通過(guò)在正極活性物質(zhì)表面涂敷炭層，使正極增加一個(gè)額外的電子導(dǎo)電涂層和導(dǎo)熱涂層，從而顯著提升電池高倍率特性。
本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極；所述高倍率鋰離子電池正極包括集流體、正極活性物質(zhì)涂層以及炭涂層；所述正極活性物質(zhì)涂層均勻附著在集流體表面，所述炭涂層均勻附著在正極活性物質(zhì)涂層表面，所述集流體、正極活性物質(zhì)涂層、炭涂層構(gòu)成集流體/正極活性物質(zhì)涂層/炭涂層的高倍率鋰離子電池正極。
本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極；所述的炭涂層為含石墨烯的涂層。
作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極；所述含石墨烯的炭涂層的厚度為1-5μm。
本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極；所述含石墨烯的炭涂層以質(zhì)量百分比計(jì)包括下述組分：
粘劑結(jié) 5-10％，
導(dǎo)電劑1 5％－50％，
導(dǎo)電劑2 45％－90％；
所述導(dǎo)電劑1為石墨烯；所述導(dǎo)電劑2選自導(dǎo)電碳黑、乙炔黑、碳纖維、碳納米管中的至少一種。
本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極；所述粘接劑為聚偏氟乙烯(PVDF)。
本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極的制備方法，包括下述步驟：
步驟一正極活性物質(zhì)涂層漿料的配制
按質(zhì)量比，正極活性物質(zhì)：導(dǎo)電劑：聚偏氟乙烯(PVDF)＝85-98：1-10：1-10、優(yōu)選為90-94:3-5:3-5，配取正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、聚偏氟乙烯(PVDF)，將配取的正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、聚偏氟乙烯(PVDF)與氮甲基吡咯烷酮(NMP)、混合均勻，得到氮甲基吡咯烷酮(NMP)質(zhì)量百分濃度為25％-60％的正極活性物質(zhì)涂層漿料；所述正極活性物質(zhì)選自鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷鋁酸鋰、錳酸鋰中的至少一種；所述導(dǎo)電劑選自導(dǎo)電碳黑、乙炔黑、碳纖維、碳納米管.中的至少一種；
步驟二含石墨烯的炭涂層漿料的配制
按質(zhì)量比，導(dǎo)電劑1:導(dǎo)電劑2:粘劑結(jié)＝2-95：0-90：2-20、優(yōu)選為5-50：45-90：5-10，配取粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑1、導(dǎo)電劑2，并將配取的粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑1、導(dǎo)電劑2和氮甲基吡咯烷酮混合均勻得到炭涂層漿料；所述炭涂層漿料中，氮甲基吡咯烷酮的質(zhì)量百分濃度為50％-70％；
步驟三涂覆
將正極活性物質(zhì)涂層漿料涂覆于集流體上，烘烤至正極活性物質(zhì)涂層漿料中NMP的含量下降至5wt％－8wt％，再涂覆炭涂層漿料；烘烤至正極活性物質(zhì)涂層漿料以及炭涂層漿料中的氮甲基吡咯烷酮(NMP)完全脫除后，得到所述高倍率鋰離子電池正極。
作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極的制備方法，步驟三中，制備高倍率鋰離子電池正極時(shí)，按下述階段進(jìn)行：
階段一涂單面
將正極集流體的正反兩面分別定義為A面和B面，將正極活性物質(zhì)涂層漿料涂敷在正極集流體的A面上，烘烤，烘烤至正極活性物質(zhì)涂層漿料中氮甲基吡咯烷酮(NMP)的含量下降至5wt％－8wt％，得到A面有正極活性物質(zhì)涂層的集流體，然后在正極活性物質(zhì)涂層涂上涂覆炭涂層漿料，烘烤，烘烤至正極活性物質(zhì)涂層漿料以及炭涂層漿料中的氮甲基吡咯烷酮(NMP)完全脫除后得到A面帶有正極活性物質(zhì)涂層和炭涂層的集流體；
階段二涂雙面
在正極集流體的B面上涂覆正極活性物質(zhì)涂層漿料，烘烤，烘烤至正極活性物質(zhì)涂層漿料中氮甲基吡咯烷酮(NMP)的含量下降至5wt％－8wt％，然后在正極活性物質(zhì)涂層涂覆炭涂層漿料，烘烤，烘烤至正極活性物質(zhì)涂層漿料以及炭涂層漿料中的氮甲基吡咯烷酮(NMP)完全脫除后，得到A面和B面均涂覆有正極活性物質(zhì)涂層和含石墨烯的炭涂層的高倍率鋰離子電池正極。
在工業(yè)化應(yīng)用時(shí)，將雙面涂敷了正極料層和炭涂層的正極按設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行軋膜、分切得到表面敷炭正極片。
作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極的制備方法，所述集流體為鋁箔。
本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極的應(yīng)用，包括將所述高倍率鋰離子電池正極用于高倍率鋰離子電池。
本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極的應(yīng)用，所述高倍率鋰離子電池在10分鐘內(nèi)充入大于85％的電量，電池以30C持續(xù)放電的容量大于1C放電容量的90％。
本發(fā)明一種高倍率鋰離子電池正極的應(yīng)用，所述高倍率鋰離子電池的結(jié)構(gòu)為疊片結(jié)構(gòu)或多極耳卷繞結(jié)構(gòu)。
所述高倍率鋰離子電池的制備包括表面敷炭正極片制備、負(fù)極片制備、組裝、加注電解液、電池活化、分選步驟。其中負(fù)極片制備、組裝、加注電解液、電池活化、分選等步驟可為常規(guī)步驟。
積極效果
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下積極效果：
(1)通過(guò)在正極活性物質(zhì)表面涂敷炭層，使正極表面增加了一個(gè)連續(xù)的電子導(dǎo)電和導(dǎo)熱的涂層，起到類似于集流體的作用，相當(dāng)于增加了一個(gè)額外的電子導(dǎo)電涂層和導(dǎo)熱涂層，有利于降低大電流下正極的阻抗、減小發(fā)熱，并且利用其優(yōu)良的導(dǎo)熱性使極片和電池內(nèi)部溫度分布更均勻，防止局部溫度過(guò)高引起電池性能的衰退或發(fā)生安全問(wèn)題，將從而顯著提升電池高倍率特性、循環(huán)性能和安全性。
(2)炭涂層中加入石墨烯和其它導(dǎo)電炭材料，實(shí)現(xiàn)利用二維結(jié)構(gòu)的石墨烯與其他粒狀、線型結(jié)構(gòu)導(dǎo)電炭的協(xié)同作用，既形成二維導(dǎo)電和導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，雙保證與表層活性物質(zhì)表面及顆粒間的充分接觸。
(3)涂敷炭層漿料前，正極漿料不進(jìn)行充分烘干，使料層中NMP的含量保持約5％－8％，然后將炭涂層漿料噴涂到正極料層的表面，有利于使炭涂層與活性物質(zhì)涂層形成部分相互滲透而結(jié)合更緊密，以及形成更好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。
通過(guò)上述方式，利用本發(fā)明所制備的高倍率鋰離子電池可在10分鐘內(nèi)充入大于85％的電量，電池以30C持續(xù)放電的容量大于1C放電容量的90％。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)高倍率鋰離子電池正極的結(jié)構(gòu)示意圖
圖1中，1為集流體鋁箔2為正極活性物質(zhì)涂層3為炭涂層。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1
正極漿料配制：將鎳鈷錳酸鋰、導(dǎo)電劑super-P、聚偏氟乙烯(PVDF)按比例為92：4：4與氮甲基吡咯烷酮(NMP)混合并攪拌均勻，配制成含NMP為30wt％的正極漿料；
炭涂層漿料配制：將石墨烯、導(dǎo)電劑super-P、聚偏氟乙烯(PVDF)按比例為50：45：5與氮甲基吡咯烷酮(NMP)混合并攪拌均勻，配制成含NMP為70wt％的炭涂層漿料；
涂單面：將正極漿料涂敷在正極集流體鋁箔其中一面，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)1將正極漿料烘干到NMP的含量下降至5wt％；然后將炭涂層漿料噴涂到正極料層的表面(控制炭涂層的厚度約為5um)，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)2將正極料層和炭涂層中的NMP全部烘干；
涂雙面：將正極漿料涂敷在正極集流體鋁箔的另一面，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)1將第二面的正極漿料烘干到NMP的含量下降至5wt％，然后將炭涂層漿料噴涂到剛涂敷的正極料層的表面(控制炭涂層的厚度約為5um)，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)2將正極料層和炭涂層中的NMP全部烘干；
制片：將雙面涂敷了正極料層和炭涂層的正極進(jìn)行軋膜、分切得到疊片式表面敷炭正極片。
負(fù)極片制備：以石墨化中間相碳微球?yàn)殇囯x子電池負(fù)極活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑super-P，粘結(jié)劑PVDF，溶劑NMP配制成石墨負(fù)極漿料。然后將負(fù)極漿料涂覆在銅箔上經(jīng)烘干、輥軋、分切得到疊片式負(fù)極片。
電池制作：將表面敷炭正極片、負(fù)極片、隔膜(PP膜)經(jīng)疊片組裝、加注電解液(1.1mol/L LiPF6的EC-DEC-EMC溶液)、電池活化、分選等工序制備出可快速充放電的鋰離子電池。
制作的電池型號(hào)為1265130PL(厚度12.0mm，寬度65mm，長(zhǎng)度130mm)，標(biāo)稱容量7500mAh。所得電池在室溫下1C放電容量為7600mAh，以30C倍率放電容量為6855mAh，是1C放電容量的90.2％。室溫下以6C電流恒流恒壓充電10min充入電量6550mAh，充入電量為86.2％。
作為對(duì)比，采用普通技術(shù)(正極表面未涂敷炭層，其它電池制作工藝與參數(shù)相同)技術(shù)制備的同型號(hào)鋰離子電池在室溫下1C放電容量為7520mAh，以30C倍率放電容量?jī)H為2350mAh。室溫下以6C電流恒流恒壓充電10min充入電量?jī)H為2560mAh。
實(shí)施例2
正極漿料配制：將鈷酸鋰、導(dǎo)電劑super-P、聚偏氟乙烯(PVDF)按比例為93：4：3與氮甲基吡咯烷酮(NMP)混合并攪拌均勻，配制成含NMP為25wt％的正極漿料；
炭涂層漿料配制：將石墨烯、導(dǎo)電劑super-P、碳纖維、聚偏氟乙烯(PVDF)按比例為5：60：30：5與氮甲基吡咯烷酮(NMP)混合并攪拌均勻，配制成含NMP為50wt％的炭涂層漿料；
涂單面：將正極漿料涂敷在正極集流體鋁箔其中一面，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)1將正極漿料烘干到NMP的含量下降至8wt％；然后將炭涂層漿料噴涂到正極料層的表面(控制炭涂層的厚度約為1um)，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)2將正極料層和炭涂層中的NMP全部烘干；
涂雙面：將正極漿料涂敷在正極集流體鋁箔的另一面，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)1將第二面的正極漿料烘干到NMP的含量下降至8wt％，然后將炭涂層漿料噴涂到剛涂敷的正極料層的表面(控制炭涂層的厚度約為1um)，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)2將正極料層和炭涂層中的NMP全部烘干；
制片：將雙面涂敷了正極料層和炭涂層的正極進(jìn)行軋膜、分切得到多極耳結(jié)構(gòu)表面敷炭正極片。
負(fù)極片制備：以人造石墨作為鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)，與CMC、SBR(丁苯橡膠)、Super-P和去離子水混合配制成石墨負(fù)極漿料。然后將負(fù)極漿料涂覆在銅箔上經(jīng)烘干、輥軋、分切得到多極耳結(jié)構(gòu)負(fù)極片。
電池制作：將表面敷炭正極片、負(fù)極片、隔膜(PP/PE復(fù)合膜)經(jīng)疊片組裝、加注電解液(1.2mol/L LiPF6的EC-DME-EMC溶液)、電池活化、分選等工序制備出可快速充放電的鋰離子電池。
制作的電池型號(hào)為458580PL(厚度8.5mm，寬度85mm，長(zhǎng)度80mm)，標(biāo)稱容量2500mAh。所得電池在室溫下1C放電容量為2550mAh，以30C倍率放電容量為2335mAh，是1C放電容量的91.5％。室溫下以6C電流恒流恒壓充電10min充入電量2216mAh，充入電量為87.0％。
實(shí)施例3
正極漿料配制：將磷酸酸鋰、導(dǎo)電劑super-P、聚偏氟乙烯(PVDF)按比例為90：5：5與氮甲基吡咯烷酮(NMP)混合并攪拌均勻，配制成含NMP為60wt％的正極漿料；
炭涂層漿料配制：將石墨烯、導(dǎo)電劑super-P、碳納米管、聚偏氟乙烯(PVDF)按比例為20：60：10：10與氮甲基吡咯烷酮(NMP)混合并攪拌均勻，配制成含NMP為60wt％的炭涂層漿料；
涂單面：將正極漿料涂敷在正極集流體鋁箔其中一面，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)1將正極漿料烘干到NMP的含量下降至6wt％；然后將炭涂層漿料噴涂到正極料層的表面(控制炭涂層的厚度約為2um)，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)2將正極料層和炭涂層中的NMP全部烘干；
涂雙面：將正極漿料涂敷在正極集流體鋁箔的另一面，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)1將第二面的正極漿料烘干到NMP的含量下降至6wt％，然后將炭涂層漿料噴涂到剛涂敷的正極料層的表面(控制炭涂層的厚度約為2um)，進(jìn)入涂布機(jī)的烘干區(qū)2將正極料層和炭涂層中的NMP全部烘干；
制片：將雙面涂敷了正極料層和炭涂層的正極進(jìn)行軋膜、分切得到多極耳結(jié)構(gòu)表面敷炭正極片。
負(fù)極片制備：以石墨化中間相碳微球?yàn)殇囯x子電池負(fù)極活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑super-P，粘結(jié)劑PVDF，溶劑NMP配制成石墨負(fù)極漿料。然后將負(fù)極漿料涂覆在銅箔上經(jīng)烘干、輥軋、分切得到疊片式負(fù)極片。
電池制作：將表面敷炭正極片、負(fù)極片、隔膜(PE復(fù)合膜)經(jīng)疊片組裝、加注電解液(1.1mol/L LiPF6的EC-EMC溶液)、電池活化、分選等工序制備出可快速充放電的鋰離子電池。
制作的電池型號(hào)為1080120PL(厚度10mm，寬度80mm，長(zhǎng)度120mm)，標(biāo)稱容量5000mAh。所得電池在室溫下1C放電容量為5105mAh，以30C倍率放電容量為2598mAh，是1C放電容量的90.1％。室溫下以6C電流恒流恒壓充電10min充入電量4350mAh，充入電量為85.2％。