專利名稱：正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及鋰離子電池，特別是一種使用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電 池。
背景技術：
鋰離子電池具有高電壓、高容量的重要優點，并且循環壽命長、安全性能好，從而 使其在便攜式電子設備、電動汽車、空間技術、國防工業等多方面具有廣闊的應用前景，近 幾年成為廣為關注的研究熱點。目前，便攜式數碼電器、高性能電動工具以及智能玩具等的市場競爭日益激烈，它 們對于電池的大電流放電性能、持續工作時間的要求也日益提高，使得能夠提供高能量密 度和高工作電壓的鋰離子電池具備一定的競爭優勢。但是，現有用電產品對于電池的大電 流放電要求較高，例如電池在電動工具、電動汽車上使用時，其放電電流一般在10A-20A，甚 至更高。傳統的圓柱電池一般不能滿足如此高倍率的放電要求。因此，對于電池的安全性 和整體設計提出了更高要求。
發明內容
為了達到上述高倍率及高安全性的要求，本發明的目的是提供一種以改性LiMn2O4 為正極活性材料、以小粒徑人造石墨為負極活性材料的高倍率及高安全性的圓柱形鋰離子 電池。本發明的目的是通過采用以下技術方案來實現的正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池，包括正極片、負極片、隔膜、非 水電解液和外殼，正極片和負極片分別設有正極耳和負極耳，所述正極片采用的活性物質 材料是改性LiMn2O4，粘結劑采用油性聚偏氟乙烯(PVDF)；所述負極片采用的活性材料是小粒徑人造石墨，平均粒徑為1-5 μ m,粘結劑采用 水性丁苯橡膠(SBR)，增稠劑采用水性羧甲基纖維素鈉(CMC)。作為本發明的優選技術方案，所述正極片集流體為鋁箔，厚度為15-30 μ m，正極耳 采用鋁極耳，厚度為0. 07-0. 2mm。作為本發明的優選技術方案，所述負極集流體為銅箔，厚度為10-30 μ m，負極耳采 用銅或鎳極耳，厚度為0. 07-0. 2mm。作為本發明的優選技術方案，所述正極片和負極片分別設有兩個極耳，正極片的 兩個正極耳分別位于正極片集流體的中部和內側；負極片的兩個負極耳分別位于負極片的兩端。作為本發明的優選技術方案，所述正極片厚度范圍是90-120 μ m;負極片厚度范 圍是 80-100 μ m。作為本發明的優選技術方案，所述隔膜是高孔率單層聚乙烯隔膜，隔膜的孔隙率 是45-50% ；隔膜厚度范圍是16-30 μ m。
作為本發明的優選技術方案，所述非水電解液的鹽濃度是1. 1M-1. 4M。作為本發明的優選技術方案，所述外殼是圓柱形金屬殼體，金屬殼體上設有電池蓋。本發明的有益效果相對于現有技術，本發明采用摻雜鎳的改性錳酸鋰作正極材 料，負極采用小粒徑的人造石墨，并在電池結構上加以優化，使得本發明既能滿足現有用電 產品對電池高倍率的放電要求，又能達到高安全性的要求。
下面結合附圖與具體實施例對本發明作進一步說明圖1是現有電池極片和極耳的結構示意圖；圖加是本發明四極耳的結構示意圖之一；圖2b是本發明四極耳的結構示意圖之二 ；圖2c是本發明四極耳的結構示意圖之三；圖3是本發明電池與傳統電池20C放電性能的曲線比較圖。
具體實施例方式本發明的電池制造方法和現有技術相似，所不同的是在于電池設計之初，以提高 電池的倍率放電性能和安全性能為目的，對正負極材料的選擇、正負極片的設計結構進行 優化。一是正極采用摻雜部分鎳的比鈷酸鋰及三元材料安全性能更高的改性錳酸鋰，而其 比容量及壓實密度又高于傳統的錳酸鋰，負極采用適合水性配料體系的小粒徑人造石墨； 二是降低電子阻抗，從而提高高倍率放電性能，主要包括集流體和極耳的優化，對集流體的 優化體現在選取厚度更厚的銅鋁箔；對極耳的優化體現在極耳材質、數目及其在極片中所 處的位置等；三是降低離子阻抗，主要包括正負極片涂層厚度、隔膜孔隙率和電解液成分的 優化。傳統的錳酸鋰其比容量及壓實密度都較低，而通過摻雜鎳10% -30%后的改性錳 酸鋰無論在比容量、還是壓實密度等方面都有很大的提高，從而在相同的容量水平下，其正 極片可以做得更薄，進一步提高高倍率放電性能；傳統的人造石墨其平均粒徑在12-25 μ m 之間，涂布時的極片厚度不可能做到非常薄，而經過特殊工藝制成的小粒徑人造石墨，其平 均粒徑在1-5 μ m之間，可以非常容易將極片涂布到很薄的水平，從而得到較高倍率的放電 性能。目前，成熟的鋰離子電池的正負集流體分別采用銅箔和鋁箔，根據R= P XL/ (WXT)，其中R為集流體電阻，P為集流體材料的電阻率，L為集流體長度，W為集流體寬 度，T為集流體厚度。一般來講，對于已確定型號大小的鋰離子電池，其所用集流體的長度 L和寬度W便隨之確定了，因此，通過增加集流體厚度可以減小集流體電阻。但另一方面， 在有限的空間內，若銅鋁箔厚度過大勢必會降低電池容量。為此，將銅鋁箔厚度的范圍定為 15-30 μ m0極耳在電池中起著連通集流體和外部電路的作用，因此，極耳材質、數目和在極片 中的位置均會影響電池內阻，從而影響電池的倍率放電性能。從理論上講，極耳的數目越 多，電池內阻越小，但是隨著極耳數目的增加，勢必會占去更多空間，導致電池容量降低，且極耳數目越多，批量生產的復雜性越大，從而增加電池的制造成本。本發明采用傳統的鎳極 耳，基于傳統電池正負極各設一個極耳的結構(如圖1所示)引入四極耳結構，圖加、圖2b 和圖2c所示是幾種典型結構。考慮到批量生產的簡單性并在保證高倍率放電性能的前提 下，優先采用如圖加所示的結構。為適合電池高倍率放電的要求，本發明涂布面密度進行優化設計；在滿足相同容 量設計的前提下，涂布面密度越低，正負極片的厚度越薄，其倍率放電性能越佳。本發明 中正極片厚度在90-120 μ m,負極片厚度在80-100 μ m, 二者均低于傳統的電極設計厚度 140-170 μ m,該設計的目的是縮短離子遷移距離，增加離子在電極中的擴散能力，從而大幅 度提高電池的高倍率放電性能。電池隔膜的孔率越大，電池的倍率放電性能越好，本發明所用隔膜為高孔率單層 聚乙烯隔膜，其厚度在16-25 μ m之間，孔隙率在45% -50%之間。本發明所用電解液中鋰離子鹽濃度在1. 15M-1.4M，提高了離子導電率，從而更有 利于電池的大電流放電性能。實施例以改性錳酸鋰(摻雜鎳20% )作為正極活性材料，乙炔黑為導電劑，聚偏氟乙烯 (PVDF)為粘接劑。按95 3 2的比例將三者混合均勻并加入70份的N-甲基咯烷酮 (NMP)，充分攪拌均勻后，均勻涂覆在20 μ m厚的鋁箔上并烘干，最后碾壓成103 μ m,裁剪成 55 X 827mm的長條形，得到正極片。以集流體為準，將一正極耳焊接在極片的中間位置，另一 正極耳焊接在極片頭部，并粘貼好保護膠帶。將負極活性物質水性人造石墨、導電劑(Super-P)、粘接劑丁苯橡膠(SBR)和增稠 劑羧甲基纖維素鈉(CMC)按94 :2:2: 2的比例混合均勻，加入125份的NMP調勻成糊 狀，均勻涂在15 μ m厚的銅箔上并烘干，最后碾壓成94 μ m,裁剪成57 X 869mm的長條形，得 到負極片，以集流體為準，將兩負極耳分別焊接在負極片的兩頭，并粘貼好保護膠帶。然后采用20 μ m厚的高孔率隔膜，按隔膜/正極/隔膜/負極的順序卷繞成18650 型卷芯。將上述卷芯放入圓柱形金屬鋼殼中，滾槽、底部電阻焊、頂部激光焊、注入非水電 解液、封口，最終裝配成18650圓柱形鋰離子電池。比較例與實施例不同之處在于正極采用尖晶石錳酸鋰，在保證電芯松緊度相同的前 提下，最后正極片碾壓成119μπι，裁剪成55X752mm的長條形；負極片碾壓成91μπι， 57X794mm的長條形；極耳焊接時，將一正極鋁極耳焊接在正極片的一端并粘貼好保護膠 帶，將一負極鎳極耳焊接在負極片一端并粘貼好保護膠帶。電池性能測試首先對用上述方法制作的兩種電池進行化成和后處理，并采用1000HZ的交流電 阻測試儀測定電池的內阻，然后進行大倍率放電和安全性能測試。測試方法如下IC恒流充電到4. 2V，4. 2V恒壓充電至截止電流20mA，擱置lOmin，然后用5C、10C、 20C放電到3. OV。安全測試3C/10V過充測試和針刺、擠壓、短路、重物沖擊實驗。
表1是本發明實施例和比較例電池性能比較，表中明顯表明，采用本發明制作的 電池容量比傳統設計的電池容量高15%左右，且內阻只有傳統設計電池內阻40%左右，電 池的倍率放電性能遠遠優于傳統電池，從測試數據可以看出，本發明制作的電池即使在20C 放電的情況下，依然可以放出IC容量的93.3%，而傳統設計的電池僅放出55.5%。如圖3所示，本發明電池與傳統電池20C放電性能的曲線比較，其優勢非常明顯； 本發明實施例所述的電池通過了各項安全測試，電池性能優良。表1本發明實施例和比較例電池性能比較表
權利要求
1.一種正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池，包括正極片、負極片、隔膜、 非水電解液和外殼，正極片和負極片分別設有正極耳和負極耳，其特征是所述正極片采用 的活性物質材料是改性LiMn2O4，粘結劑采用油性聚偏氟乙烯；所述負極片采用的活性材料是小粒徑人造石墨，平均粒徑為1-5 μ m，粘結劑采用水性 丁苯橡膠，增稠劑采用水性羧甲基纖維素鈉。
2.根據權利要求1所述的正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池，其特征 是所述正極片集流體為鋁箔，厚度為15-30 μ m,正極耳采用鋁極耳，厚度為0. 07-0. 2mm。
3.根據權利要求1所述的正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池，其 特征是所述負極集流體為銅箔，厚度為10_30μπι，負極耳采用銅或鎳極耳，厚度為 0. 07-0. 2mm。
4.根據權利要求1、2或3所述的正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池，其 特征是所述正極片和負極片分別設有兩個極耳，正極片的兩個正極耳分別位于正極片集 流體的中部和內側；負極片的兩個負極耳分別位于負極片的兩端。
5.根據權利要求1所述的正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池，其特征 是所述正極片厚度范圍是90-120 μ m ；負極片厚度范圍是80-100 μ m。
6.根據權利要求1所述的正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池，其特 征是所述隔膜是高孔率單層聚乙烯隔膜，隔膜的孔隙率是45-50% ；隔膜厚度范圍是 16-30 μm0
7.根據權利要求1所述的正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池，其特征 是所述非水電解液的鹽濃度是1. 1M-1. 4M。
8.根據權利要求1所述的正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池，其特征 是所述外殼是圓柱形金屬殼體，金屬殼體上設有電池蓋。
全文摘要
本發明涉及正極采用改性錳酸鋰的高倍率圓柱形鋰離子電池，包括正極片、負極片、隔膜、非水電解液和外殼，所述正極片采用的活性物質材料是改性LiMn2O4，粘結劑采用油性聚偏氟乙烯；負極片的活性材料是小粒徑人造石墨，平均粒徑為1-5μm，粘結劑采用水性丁苯橡膠。正極片集流體為鋁箔，厚度15-30μm，正極耳采用鋁，厚度0.07-0.2mm；負極集流體為銅箔，厚度10-30μm，負極耳采用銅或鎳，厚度0.07-0.2mm；正極片和負極片分別設有兩個極耳。本發明正極采用摻雜鎳的改性錳酸鋰，并在電池結構上加以優化，使得本發明既能滿足現有用電產品對電池高倍率的放電要求，又能達到高安全性的要求。
文檔編號H01M4/38GK102117931SQ200910214418
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者徐延銘, 李俊義, 楊萬光 申請人:珠海光宇電池有限公司