專利名稱：一種圓柱狀鋰離子電池的制備方法
技術領域：
本發明涉及鋰離子電池制造技術領域，具體的說，涉及一種小型圓柱狀鋰離子電池，尤其是適合LED燈小電流放電條件下使用的小型圓柱狀鋰離子電池的低成本快速制備方法。
背景技術：
鋰離子電池是一種充電電池，它一般采用含有鋰元素的材料作為正極，主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。鋰離子電池是現代高性能電池的代表，也是目前手機、筆記本電腦等現代數碼產品中應用最廣泛的電池，與傳統的鎳氫、鎳鎘及鉛酸等充電電池相比，具有以下的優點1)高單體電壓。單體電池的工作電壓高達3. 7-3. 8V (磷酸鐵鋰3. 2V)，是Ni-Cd、 Ni-H電池的3倍。2)高比能量。目前能達到的實際比能量最高超過200Wh/kg，，3-4倍于Ni-Cd，2-3 倍于Ni-MH。3)循環壽命長。一般均可達到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰電池可以達到2000次以上。對于小電流放電的電器，電池的使用期限長，將倍增電器的競爭力。4)安全性能好，無公害，無記憶效應。Li離子電池中不含鎘、鉛、汞等對環境有污染的重金屬元素，對環境無污染，是一種綠色電池。同時鋰離子電池也不存在Ni-Cd電池普遍存在的“記憶效應”。5)自放電小。室溫下充滿電的鋰離子電池儲存1個月后的自放電率為2%左右， 大大低于 Ni-Cd 的 25-30 %，Ni、MH 的 30-35 %。6)可快速充放電。快速充電30分鐘容量可以達到標稱容量的80%以上，磷酸鐵鋰電池可以在10分鐘內充電到標稱容量的90%。7)工作溫度范圍高，工作溫度為-25-45 ，隨著電解液和正極的改進，期望能擴寬到-40-70 0C ο在很多小電流放電領域，對鋰離子電池的需求量也很大。如新能源領域的LED照明，近年的發展速度非常驚人。LED (Light-Emitting Diode發光二極管)是一種能夠將電能轉化為光能的半導體，它改變了白熾燈鎢絲發光與節能燈三基色粉發光的原理，而采用電場發光。據分析，LED的特點非常明顯，壽命長、光效高、無輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發光效率可超過1501m/W(2010年)。將LED與普通白熾燈、 螺旋節能燈及T5三基色熒光燈進行對比，結果顯示普通白熾燈的光效為121m/W，壽命小于2000小時，螺旋節能燈的光效為601m/ff,壽命小于8000小時，T5熒光燈則為961m/ff, 壽命大約為10000小時，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過1501m/W，壽命可大于 100000小時。由于LED照明功耗低，LED作為應急燈、手電筒、草坪燈等使用時，對配套使用的鋰離子電池，如使用18650電池，放電電流僅需要小至數十毫安到數百毫安(相當于0. 02C-0. 10C)，并不需要大電流放電能力，因此采用涂布工藝制造的可高倍率放電的電池，
顯得有些浪費。因此，本發明提供一種小型圓柱狀鋰離子電池，尤其是適合LED燈小電流放電條件下使用的小型圓柱狀鋰離子電池的快速制備方法。
發明內容
為克服現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種小型圓柱狀鋰離子電池，尤其是適合LED燈照明燈小電流放電條件下使用的小型圓柱狀鋰離子電池的快速制備方法。本發明所述的制備方法包括如下步驟1)正極的制備將正極粉料混合，攪拌均勻后加入乙醇或N-甲基吡咯烷酮(NMP)， 攪拌均勻，壓制成環狀或圓柱狀電極；其中，圓柱狀電極以導電棒為芯，導電棒位于圓柱狀電極的中心位置；2)負極的制備將負極粉料混合，攪拌均勻后加入乙醇或二甲基吡咯烷酮(NMP)， 攪拌均勻，壓制成與正極相配的圓柱狀或環狀電極；其中，圓柱狀電極以導電棒為芯，導電棒位于圓柱狀電極的中心位置；3)裝配將環狀電極裝入鋼殼，在圓柱狀電極的外側面包上隔膜，插入環狀電極的中間，直接組裝成電池。當然，步驟幻也可以如下進行在圓柱狀電極的外側面包上隔膜，插入環狀電極的中間，然后將環狀電極裝入鋼殼，直接組裝成電池。步驟1)和2、中，所述壓制可采用本領域常用的方法進行，優選采用打環機來實現。所述打環機是一種粉末成型設備，一般由壓力機和所需的模具組成，就本發明來說，采用環狀模具和圓柱狀模具以及常用的壓機組成。所述導電棒可選用本領域常用的材料，當正極為圓柱狀電極時，選用純鋁或鋁合金絲為導電棒；當負極為圓柱狀電極時，選用銅絲作為導電電棒；步驟3)中，還包括將所述鋼殼內噴涂石墨乳，以增加正極粉環或負極粉環與鋼殼的接觸，減少接觸電阻。另外，在步驟幻之后，本發明所述的方法還包括裝上正極和負極壓蓋后，滾槽封口，然后在圓柱狀電極上焊上彈簧狀極耳后與頂蓋或底蓋焊接，在烘箱中烘干后，注入電解液，待電解液吸收后機械封口，然后經過化成和分選后即可制成電池成品。步驟1)中，所述正極粉料包括LiCoO2 (鈷酸鋰)、LiMn2O4 (錳酸鋰)、LiNW2 (鎳酸鋰)、Li (Ni1/3C0l/3Mni/3) O2 (三元材料)、LiFePO4 (磷酸鐵鋰)等目前常用的所有鋰離子電池正極材料，其與導電劑的配比可采用本領域常用的配比，優選的，本發明提出采用下述重量百分比的正極粉料配比70% -98%的鋰離子電池正極粉末材料，2% -30%的導電炭黑或乙炔黑，0-8%的導電石墨以及0-2%的納米碳管；乙醇或二甲基吡咯烷酮(NMP)的加入量可根據所需的粉末粘度進行調整，優選加入正極粉料總重的5-20%，以利于正極粉料在拌粉過程中易于成型。步驟幻中，所述負極粉料包括天然石墨、天然改性石墨、人造石墨、中間相碳微球及各類金屬氧化物負極材料等目前常用的鋰離子電池負極材料，其與導電劑的配比可采用本領域常用的配比，優選的，本發明提出采用下述重量百分比的負極材料配比90% -100%的鋰離子電池負極粉末材料，0-10%的導電炭黑或乙炔黑，0-4%的導電石墨， 0-2%的納米碳管；乙醇或二甲基吡咯烷酮(NMP)的加入量可根據所需的粉末粘度進行調整，優選加入負極粉料總重的5-20%，以利于負極粉料在拌粉過程中易于成型。本發明所述的方法還包括電池經過封口后，常溫下擱置12-72小時，然后進行化成和分選處理。所述化成步驟如下進行①電池先以0.05C充電2小時，然后以0. IC充電到4. 2V(磷酸鐵鋰為3. 7V)；②初步充電后的電池在烘箱內擱置12-M小時，溫度為35_40°C ；③將電池從烘箱內取出，待冷至常溫后，以0. IC倍率放電至2. 5V(磷酸鐵鋰為 2. 0V)；④以0. 2C倍率恒流恒壓充電到4. 2V(磷酸鐵鋰為3. 7V)，然后以0. 2C放電至 1. OV ；⑤反復充放電2次，然后分選電池。其工藝流程示意圖如圖1所示本發明所述的方法制備的電池可為反極式或常規結構，采用頂部或底部滾槽封口，其結構形式見附圖2、3所示。小型圓柱電池可采用反極式結構(外殼帶正電)或傳統的電池結構(外殼帶負電)，采用反極式結構時，正極粉末材料采用打環機壓制成環狀，而負極材料則壓制成圓柱狀，而采用傳統結構時則相反。電池鋼殼內噴涂石墨乳，以增加正極粉環或負極粉環與鋼殼的接觸，減少接觸電阻。具體的說，本發明所述方法制備的電池包括電池外殼、正極、負極、隔膜、導電棒、 蓋帽、密封墊、負極壓蓋、正極壓蓋和底墊，其中，所述電池的負極或正極分別為圓柱狀電極或環形電極，環形電極位于電池外殼內，其內徑與圓柱狀電極外徑相配合、外徑與電池外殼相配合，橫截面為同心圓結構；圓柱狀電極位于電池的中心，圓柱狀電極和環形電極之間包括隔膜層。所述隔膜層為1-3層隔膜。所述所電池鋼殼內噴涂石墨乳，以增加正極粉環或負極粉環與鋼殼的接觸，減少接觸電阻。其中，所述正極和負極還分別包括極耳，所述極耳可選擇本領域常用的極耳，優選的，所述圓柱狀正極或負極的極耳采用螺旋狀金屬制成，反極式結構時，螺旋狀極耳采用純鋁或鋁合金制造；而采用傳統結構時，螺旋狀極耳則采用紫銅或純鋁制成。具體的，本發明所述的制備方法按以下步驟進行(1)正極粉末粉料包括LiCoO2 (鈷酸鋰)、LiMn2O4 (錳酸鋰)、LiNiO2 (鎳酸鋰)、 Li (Niv3Cov3Mrv3) O2 (三元材料)、LiFePO4 (磷酸鐵鋰)等目前常用的所有鋰離子電池正極材料，正極材料的配比為70-98% (重量比)正極粉末材料+ (2-30%)導電炭黑或乙炔黑 + (0-8% )導電石墨+ (0-2) %納米碳管，拌粉時添加正極粉料總重的5-30%的乙醇或N-甲基吡咯烷酮(NMP)，以利于正極粉料在拌粉過程中易于成型。(2)負極粉末材料包括天然石墨、天然改性石墨、人造石墨、中間相碳微球及各類金屬氧化物負極材料等目前常用的鋰離子電池負極材料。負極材料的配比為90-100% (重量比)負極粉末材料+(0-10%)導電炭黑或乙炔黑+(0-4%)導電石墨+(0-2)%納米碳管，拌粉時添加負極粉料總重的5-30%的乙醇或N-甲基吡咯烷酮(NMP)，以利于負極粉料在拌粉過程中易于成型。(3)攪拌均勻的正極物料或負極物料放入打環機，壓制出環或圓柱狀電極，然后將環狀電極裝入內表面噴涂石墨乳的電池鋼殼；(3)圓柱狀電極外包上1-3層隔膜后插入環狀電極的中間；(4)電池外殼滾槽，點蓋；(4)在電池中注入相當于電極總重量5-30%的電解液，電解液為常見鋰離子電池用電解液，封口，得到電池；(5)電池經過封口后，常溫下擱置M-72小時，然后進行化成和分選處理，篩選合格的電池。與目前傳統生產工藝不同，本發明所述的方法中，正極和負極均不采用在鋁箔或銅箔上涂布成型的方法制造，而是直接將正極粉末材料或負極粉末材料加上導電劑混合均勻后，用打環機先壓成環狀或圓柱狀，然后在其外包上隔膜后插入環狀電極的中間裝入鋼殼中直接組裝成電池，且正極和負極粉末材料在制造正極和負極時，均取消了各類提高電池內阻、降低電池比能量密度的各類粘接劑，而相應增加了導電劑的比例，可降低電池內阻，提高電池容量。本發明所述的小型圓柱狀鋰離子電池的快速制造方法，取消了傳統鋰離子電池和漿、涂布、對輥、分條、制片和卷繞等復雜的生產環節，而是采用固體粉末直接成型工藝制造正極或負極電極，簡化傳統鋰離子電池的復雜生產工藝，大幅度提高了生產效率，而且降低設備投資2/3以上，電池的生產和人工成本也大幅度降低1/2以上，適合于低成本快速制造適合LED燈等使用的小電流放電的各類鋰離子電池。
圖1為本發明所述方法的工藝流程圖。圖2為外殼為負極(反極式)的圓柱鋰離子電池結構示意圖；其中1-外殼
2-正極環3-隔膜層4-負極5-負極導電棒6-負極蓋帽7-密封墊8-正極壓蓋 9-負極壓蓋10-底墊。圖3為外殼為正極的圓柱鋰離子電池結構示意圖；其中1-外殼2’ -負極環
3-隔膜層4’-正極5’-正極導電棒6’-正極蓋帽7-密封墊8’-負極壓蓋9’-正極壓蓋10-底墊。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述。如無特別指明，本發明所用的原料均為市購。實施例1 18650型錳酸鋰電池的制備正極配比90% (重量比)LiMn204+8%乙炔黑+2導電石墨，干粉攪拌均勻，然后添加10%正極粉料總重的NMP，繼續攪拌均勻，電解液為lMLiPF6+EC+DME+DMC(l 1 1)。攪拌好的錳酸鋰粉料在自制的打環機中壓制成正極粉環，每節電池中加三個粉環，粉環的尺寸為外徑17. 5mm,內徑8. 0mm，高度為19. 0mm，每個粉環的重量為30. 0 士0. 5g ；負極棒外徑8. Omm,高度為58. 0mm，每個粉環的重量為14. 0 士0. 5g。在負極棒外包裹上2層20微米厚的聚丙烯隔膜，裝入正極粉環中，然后注入9. Og電解液，經滾槽封口后，常溫下擱置M小時，然后進行化成和分選處理。化成和分選的工藝為①電池先以0.05C充電2小時，然后以0. IC充電到4. 2V; ②初步充電后的電池在烘箱內擱置12、18、M小時，溫度為35-40°C ；③將電池從烘箱內取出，待冷至常溫后，以0. IC倍率放電至2. 5V ；④以0. 2C倍率恒流恒壓充電到4. 2V、，然后以 0. 2C放電至1. OV ；⑤反復充放電2次，然后分選電池。制備了 3節電池，結果如表1所示表 權利要求
1.一種圓柱狀鋰離子電池的制備方法，包括如下步驟1)正極的制備將正極粉料混合，攪拌均勻后加入乙醇或N-甲基吡咯烷酮，攪拌均勻， 壓制成環狀或圓柱狀電極，其中，圓柱狀電極以導電棒為芯，導電棒位于圓柱狀電極的中心位置；2)負極的制備將負極粉料混合，攪拌均勻后加入乙醇或N-甲基吡咯烷酮，攪拌均勻， 壓制成與正極相配的圓柱狀或環狀電極；其中，圓柱狀電極以導電棒為芯，導電棒位于圓柱狀電極的中心位置；3)裝配將環狀電極裝入鋼殼，在圓柱狀電極的外側面包上隔膜，插入環狀電極的中間，直接組裝成電池。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)和2、中，所述壓制采用打環機來實現。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟幻中，還包括將所述鋼殼內噴涂石墨乳。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟幻之后，所述方法還包括裝上正極壓蓋和負極壓蓋后，滾槽封口，然后在圓柱狀電極上焊上彈簧狀極耳后與頂蓋或底蓋焊接，在烘箱中烘干后，注入電解液，待電解液吸收后機械封口，然后經過化成和分選后即可制成電池成品。
5.根據權利要求1或4所述的方法，其特征在于，步驟1)中，所述正極粉料采用下述重量百分比的配比70% -98%的鋰離子電池正極粉末材料，2% -30%的導電炭黑或乙炔黑，0-8%的導電石墨以及0-2%的納米碳管；所述乙醇或二甲基吡咯烷酮的加入量為正極粉料總重的5-30%。
6.根據權利要求1、4或5任意一項所述的方法，其特征在于，步驟幻中，所述負極粉料采用下述重量百分比的配比90% -100%的鋰離子電池負極粉末材料，0-10%的導電炭黑或乙炔黑，0-4%的導電石墨，0-2%的納米碳管；所述乙醇或二甲基吡咯烷酮(NMP)的加入量為負極粉料總重的5-30%。
7.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述的方法還包括電池經過封口后，常溫下擱置12-72小時，然后進行化成和分選處理。
8.根據權利要求4或7所述的方法，其特征在于，所述化成步驟如下進行①電池先以0.05C充電2小時，然后以0. IC充電到4. 2V(磷酸鐵鋰為3. 7V)；②初步充電后的電池在烘箱內擱置12- 小時，溫度為35-40°C；③將電池從烘箱內取出，待冷至常溫后，以0.IC倍率放電至2. 5V(磷酸鐵鋰為2. 0V)；④以0.2C倍率恒流恒壓充電到4. 2V (磷酸鐵鋰為3. 7V)，然后以0. 2C放電至1. OV ；⑤反復充放電2次，然后分選電池。
9.根據權利要求1-8任意一項所述方法的應用，其特征在于，用于制備圓柱狀鋰離子電池；所述圓柱狀鋰離子電池優選為用于LED燈小電流放電條件下使用的小型圓柱狀鋰離子電池。
10.根據權利要求1-8任意一項所述方法制備的電池，包括電池外殼、正極、負極、隔膜、導電棒、蓋帽、密封墊、負極壓蓋、正極壓蓋和底墊，其特征在于，所述電池的負極或正極分別為圓柱狀電極或環形電極，環形電極置于圓柱狀電極外周，其內徑與圓柱狀電極外徑相配合、外徑與電池外殼內徑相配合，橫截面為同心圓結構；圓柱狀電極位于電池的中心， 圓柱狀電極和環形電極之間用隔膜隔開。
全文摘要
本發明涉及一種小型圓柱狀鋰離子電池，尤其是適合于LED燈小電流放電條件下使用的鋰離子電池快速制造方法。與目前傳統生產工藝中正極和負極均采用在鋁箔或銅箔上涂布成型的方法不同，本發明所述的制造方法是直接將正極粉末材料或負極粉末材料加上導電劑混合均勻后，用打環機先壓成環狀或圓柱狀，然后在其外包上隔膜后插入環狀電極的中間，然后裝入鋼殼中直接組裝成電池。本發明所述的方法，取消了傳統鋰離子電池和漿、涂布、對輥、分條、制片和卷繞等復雜的生產環節，簡化了生產工藝，大幅提高了生產效率，而且降低設備投資2/3以上，電池的生產和人工成本也大幅度降低1/2以上，適合于低成本快速制造適合LED燈等使用的小電流放電的各類鋰離子電池。
文檔編號H01M4/139GK102306842SQ20111026658
公開日2012年1月4日 申請日期2011年9月8日 優先權日2011年9月8日
發明者呂煥祥, 張立軍, 甘永平, 錢靈超, 陶新永 申請人:浙江吉能電池科技有限公司