專利名稱：一種具有250Wh/Kg比能量的鋰離子動力電池制造方法
技術領域：
本發明的技術方案涉及一種高比能量鋰離子動力電池的制造方法，具體說是一種以高電壓尖晶石型鎳錳酸鋰LiNia5MnuO4材料為正極，采用軟包裝連續疊片工藝制造的具有250Wh/Kg以上比能量的鋰離子電池制造工藝。
背景技術：
目前，鋰離子動力電池是電動汽車為代表的電動交通工具的主要動力源。前幾年市場一直看好磷酸鐵鋰電池，因其具有最好的安全性能。但是，磷酸鐵鋰電池比能量僅有100 130Wh/Kg，50KWh的電池重量將達到500公斤以上，客戶很難接受。目前，以三元材料作正極的鋰離子電池可以達到180Wh/Kg的能量密度，成本也降低到1.5元/Wh以下。因此從2012年起，電動車輛用電池開始向三元體系轉變。比較有代表性的引導性政策有國家2012年頒布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)》明確規定:“到2015年，動力電池模塊比能量達到150瓦時/公斤以上，成本降至2元/瓦時以下……到2020年，動力電池模塊比能量達到300瓦時/公斤以上，成本降至1.5元/瓦時以下。”。目前，采用523型三元正極材料(LiNia5Coa2Mna3O2)的鋰離子電池，一般只能達到180ffh/Kg的比能量(以26650鋼殼電池為例，容量可以達到4.5Ah，重量為90g，由此計算比能量為180Wh/Kg)。采用軟包電池可以提高比能量，但由于涂布面密度一般較低，也僅能達到200 210Wh/Kg的比能量。如何利用現有的技術大幅度提高電池的比能量，是一個普遍范圍的難題。從鋰離子電池的發展趨勢來看，大幅度提高能量密度，必須采用具有高比能量的正負極活性物質材料。但是，目前負極材料主要采用石墨類負極材料，比能量提高的余地已經不大，其重量比容量一般達到300 330mAh/g。目前主要靠提高正極材料的比能量來提高鋰離子電池的能量密度。提高正極材料比能量的技術方案有兩個，分別是提高材料比容量，或者提高材料的放電電壓。本發明主要涉及后者。近年來出現了一種放電電壓高達4.5V的尖晶石型鎳猛酸鋰材料LiNia5Mnh5Op專利CN102531071A采用液相球磨-噴霧干燥_高溫燒結法、專利CN102751470A采用共沉淀法制備了 LiNia5Mnh5O4材料。該材料是在錳酸鋰基礎上發展起來的，與錳酸鋰一樣具有三維鋰離子通道結構。在鎳錳酸鋰的結構中，鎳原子取代了部分錳原子的位置，整體依然呈現尖晶石結構。而鎳的電子結合能高于錳，且原子半徑比錳小，使得鎳錳酸鋰的結構更為穩定，在發生電化學反應時，為鋰離子的嵌入和脫出提供了更大的空間，使得放電容量有所提高。另一方面，錳酸鋰金屬離子摻雜后表現出5V平臺，金屬摻雜越多，5V平臺越長。LiNia5Mr^5O4表現出的電化學性能優良，其可逆放電電壓平臺達到4.7V (vs.Li/Li+)，比錳酸鋰約高20%，可逆容量可達130mAh/g (理論容量147mAh/g)，同樣比錳酸鋰高20%，比能量比一般三元材料高30%。由此具有比其它正極材料更高的比能量。更為關鍵的是，LiNia5Mnh5O4中Mn全部是+4價,杜絕了歧化反應和Jahn-Teller效應,循環性能,尤其是高溫下的循環性能和高倍率放電性能 優良，有可能是未來正極材料的替代者，可以廣泛應用于電動汽車領域。以LiNia5Mnh5O4為正極材料的動力電池具有以下優勢:(I)高電壓意味著高比能量，以及長的巡航里程；(2)高的工作電壓意味著后期電池組設計和組裝工作的簡化，大大降低Pack和BMS設計操作難度；(3)原料成本可控制在5萬以內，是三元材料的1/3左右，電池成本較低。目前方形軟包裝鋰離子電池一般采用的疊片式結構，由于在實際極片生產過程中，在經過涂布、干燥、壓實過程后需經剪切過程將極片剪成所需尺寸，一方面增加了電池組裝過程的復雜度，另一方面，剪切過程容易產生毛刺，如果處理不當，毛刺很容易刺穿隔膜，從而造成電池內部短路。
發明內容
本發明的目的為針對當前技術中存在的不足，提出一種利用高電壓LiNia5Mnh5O4材料為正極，人造石墨為負極，采用連續交錯疊片和復合鋁塑膜軟包裝封裝結構制造高比能量鋰離子電池的工藝方法。
本發明的技術方案為:一種具有250Wh/Kg比能量的鋰離子動力電池制造方法，包括以下步驟:(I)制造正極極片，正極極片的組成及質量配比為:
組成質量百分比
高電壓 LiNi0.5Mn1.5O4 材料45-75%
粘結劑:0.5~2%
導電劑0.5 2%
純凈水20~55%其中，粘結劑為水溶性羧甲基纖維素(CMC)，導電劑為乙炔黑、導電石墨或導電碳
里.
制造方法是:將以上成分在制漿機內混合均勻，通過涂布機在厚度為10 20微米厚的鋁箔表面按涂布區-露箔區-涂布區間隔涂布，雙面涂布，露箔區寬度為5 8mm，在80 110°C流動空氣中干燥好后；10 30Mpa壓力下壓實，按工藝要求分切，在鋁箔的一端點焊好鋁極耳，在極耳處貼好常規高溫保護膠帶；涂布干燥后，使雙面干物質面密度為400 500g/m2 ；(2)制造負極極片:負極極片的組成及質量配比為:
組成質量百分比
人造石墨45 75%
粘結劑0.5 2%
導電劑0-5 2%
純凈水20-55%
其中，粘結劑為水溶性羧甲基纖維素(CMC)或丁苯橡膠，導電劑為乙炔黑、導電石墨或導電碳黑；制造方法是:將以上成分在制漿機內混合均勻，通過涂布機在厚度為8 12微米厚的銅箔表面按涂布區-露箔區-涂布區間隔涂布，雙面涂布，露箔區寬度為5 8mm，在80 110°C流動空氣中干燥好后，10 30Mpa下壓實，按工藝要求分切，在銅箔的一端點焊好鎳極耳，在極耳處貼好常規高溫保護膠帶；涂布干燥后，使雙面干物質面密度為180 220g/m2 ；(3)將電池極片連續交錯疊片:將正極片按順序首先從第一個從露箔區處先正向折疊180°，再從第二個露箔區反向折疊180°，再從第三個露箔區正向折疊180°，以此類推組成連續疊片結構；負極疊片的制作方式同正極；極片組裝采用連續交錯疊片結構，將正極極片和負極極片互成90°交錯疊片，正極和負極極片之間均加有一個隔膜，形成負極一隔膜一正極的順序分布的電芯結構；疊好片的電芯結構壓平；其中隔膜為市售的聚乙烯或聚丙烯薄膜，尺寸同負極的涂布區，疊片前與負極緊密貼合；·(4)用復合鋁塑膜封裝，注液，化成:疊好片的電芯放入復合鋁塑膜，注入電解液，通入小電流化成；化成后用吸管抽出多余的電解液，抽真空再次熱封，得到本發明所述的高比能量鋰離子電池。所述的電解液為LiPF6溶液，其中LiPF6濃度為lmol/L，溶劑為EC (碳酸乙烯酯)、EMC(碳酸甲乙酯)和DMC(碳酸二甲酯)的混合溶液，其中體積比EC(碳酸乙烯酯):EMC(碳酸甲乙酷):DMC (碳酸_■甲酷)=1: 1:1。所述的涂布區的尺寸為:長160 190mm，寬150 180mm。本發明的有益效果是:本發明采用極片連續交錯疊片結構，極片不需剪切，只需將其依次從露箔區處折疊180°后，正負極交叉疊合，既可大大簡化電池組裝過程，提高生產效率，降低生產成本；又可避免毛刺引起的電池短路問題。根據本發明制造的鋰離子電池還具有結構穩定，極片連續性好，正負極區定位精確，短路率低，可靠性高等優點，比能量可達到252Wh/Kg。因此，本發明的高比能量電池可以廣泛應用于電動汽車、電動自行車等領域。利用本發明制造的鋰離子電池具有4.5V以上的放電電壓平臺。比能量將達到250ffh/Kg 以上。
附圖1為傳統方形電池極片疊片結構示意圖。附圖2為本發明正極極片示意圖。附圖3為本發明負極極片示意圖。附圖4為本發明正負極極片疊片結構示意圖(4a.正極片疊片結構，4b.負極片疊片結構)。附圖5為本發明正負極極片連續疊片形成電芯結構示意圖。
附圖6為高比能量電池外觀示意圖。其中，I為鋁箔，2為正極涂布區，3為鋁箔露箔區，4為銅箔，5為負極涂布區，6為銅箔露箔區，7為正極片，8為負極片。
具體實施例方式圖1為目前方形軟包裝鋰離子電池一般采用的疊片式結構，在實際極片生產過程中，在經過涂布、干燥、壓實過程后需經剪切過程將極片剪成所需尺寸，一方面增加了電池組裝過程的復雜度，另一方面，剪切過程容易產生毛刺，如果處理不當，毛刺很容易刺穿隔膜，從而造成電池內部短路。實施例1本實施例所采用的具體工藝方法是:1、制造正極極片:首先制備正極漿料，其配方是(重量百分比):高電壓LiNitl.^n1.504 材料:47Kg水溶性羧甲基纖維素(CMC):0.5Kg乙炔黑:0.5Kg純凈水:48Kg其中，所用的高電壓LiNia` 5MnL 504材料為專利CN1801508A所述的采用高溫固相法制備的LiNia5Mnh5O4材料。將以上成分在制漿機內混合均勻，通過涂布機在厚度為10微米厚，寬度為500mm的鋁箔I表面進行雙面涂布，其中涂布區2長度為170mm，露箔區3尺寸8mm。在80°C流動空氣中干燥好后。壓實(壓力IOMpa)后，分切成寬度為160_尺寸的極片條，此時每個涂布區2的尺寸為(長170mm，寬160mm)，每個涂布區2對應的電池容量為1383mAh。選10個涂布區分為一組，切斷，可用于制造13830mAh電池。在鋁箔I的一端點焊好鋁極耳，在極耳處貼好常規高溫保護膠帶。涂布干燥后，極片雙面干物質(干燥壓實的正極漿料)面密度為400g/m2。2、制造負極極片:制備負極漿料，其配方是:人造石墨:21Kg水溶性羧甲基纖維素(CMC):0.5Kg導電石墨:0.7Kg純凈水:20Kg制造方法是:將以上成分在制漿機內混合均勻，通過涂布機在厚度為8微米厚、寬度為550mm的銅箔4表面進行雙面涂布，其中涂布區5長度為172臟，露箔區6尺寸8mm。在80°C流動空氣中干燥好后。壓實(壓力IOMPa)后，分切成寬度為162mm尺寸的極片條，此時，每個涂布區5的尺寸為(長172mm，寬162mm)，選11個涂布區5分為一組，切斷，在銅箔4的一端點焊好鎳極耳，在極耳處貼好常規高溫保護膠帶。涂布干燥后，極片雙面干物質(干燥壓實的負極漿料)面密度為180g/m2。3、將電池極片連續交錯疊片:
將正極片按順序首先從第一個從露箔區處先正向折疊180°，再從第二個露箔區反向折疊180°，再從第三個露箔區正向折疊180°，以此類推組成連續疊片結構如圖4a;負極疊片的制作方式同正極如圖4b所示；極片組裝采用連續交錯疊片結構，將正極疊片7和負極疊片8交叉插入，并互成90°交錯疊片，負極極片的每個涂布區均緊密貼合一個隔膜，形成負極一隔膜一正極的順序分布的電芯結構；疊好片的電芯結構壓平；如圖5所示。其中隔膜為市售的聚乙烯薄膜，尺寸同負極涂布區5，為172mmX162mm，疊片前與負極緊密貼合；由上面可以看出，本發明采用極片連續交錯疊片結構，極片不需剪切，只需將其依次從露箔區處折疊180°組成的結構，這樣既可大大簡化電池組裝過程，提高生產效率，降低生產成本；又可避免毛刺引起的電池短路問題。4、用復合鋁塑膜封裝，注液，化成:疊好片的電芯放入復合鋁塑膜，注入電解液，所述的電解液為LiPF6溶液，其中LiPF6濃度為lmol/L，溶劑為EC (碳酸乙烯酯)、EMC (碳酸甲乙酯)和DMC (碳酸二甲酯)的混合溶液，其中體積比EC(碳酸乙烯酯):EMC(碳酸甲乙酯):DMC(碳酸二甲酯)=1:1:1。通入0.1C的小電流化成。化成后用吸管抽出多余的電解液，抽真空再次熱封，得到本發明所述的高比能量鋰離子電池。
此電池能量為229.1Wh (47/48X400X 130X4.5)，重量為 893.08g (其中鋁箔26.88g，銅箔71.2g，電解液200g，鋁塑膜15g)，比能量為256.6Wh/Kg。實施例2本實施例所采用的具體工藝方法是:1、制造正極極片:首先制備正極漿料，其配方是:高電壓LiNia5Mnh5O4 材料:66Kg水溶性羧甲基纖維素(CMC):lKg導電碳黑:IKg純凈水:32.5Kg制造方法是:將以上成分在制漿機內混合均勻，通過涂布機在厚度為16微米厚，寬度為IOOOmm的鋁箔I表面進行雙面涂布，其中涂布區2長度為190mm，露箔區3尺寸5mm。在110°C流動空氣中干燥好后。壓實(壓力30Mpa)后，分切成寬度為180mm尺寸的極片條，此時每個涂布區2的尺寸為(長190mm，寬180mm)，每個涂布區2對應的電池容量為2158mAh(66/68X 19X 18X500X 130/10000)。選20個涂布區分為一組，切斷，可用于制造43.15Ah電池。在鋁箔I的一端點焊好鋁極耳，在極耳處貼好常規高溫保護膠帶。涂布干燥后，雙面干物質面密度為500g/m2。2、制造負極極片:首先制備負極漿料，其配方是(重量百分比):人造石墨:27.8Kg丁苯橡膠:0.7Kg乙炔黑:0.8Kg純凈水:30Kg
制造方法是:將以上成分在制漿機內混合均勻，通過涂布機在厚度為12微米厚，600毫米寬的銅箔表面進行雙面涂布，其中涂布區5長度為192mm，露箔區6尺寸5mm。在110°C流動空氣中干燥好后。壓實(壓力30Mpa)后，分切成寬度為182mm尺寸的極片條，此時，每個涂布區5的尺寸為(長192mm，寬182mm)，選21個涂布區5分為一組，切斷，在銅箔4的一端點焊好鎳極耳，在極耳處貼好常規高溫保護膠帶。涂布干燥后，雙面干物質面密度為 210g/m2。3、將電池極片連續交錯疊片:將正極片按順序首先從第一個從露箔區處先正向折疊180°，再從第二個露箔區反向折疊180°，再從第三個露箔區正向折疊180°，以此類推組成連續疊片結構如圖4a;負極疊片的制作方式同正極如圖4b所示；極片組裝采用連續交錯疊片結構，將正極疊片7和負極疊片8交叉插入，并互成90°交錯疊片，負極極片的每個涂布區均緊密貼合一個隔膜，形成負極一隔膜一正極的順序分布的電芯結構；疊好片的電芯結構壓平；如圖5所示。
其中隔膜為市售的聚丙烯薄膜，尺寸同負極涂布區5，為192mmX182mm，疊片前與負極緊密貼合；4、用復合鋁塑膜封裝，注液，化成:疊好片的電芯放入復合鋁塑膜，注入電解液，所述的電解液為LiPF6溶液，其中LiPF6濃度為lmol/L，溶劑為EC (碳酸乙烯酯)、EMC (碳酸甲乙酯)和DMC (碳酸二甲酯)的混合溶液，其中體積比EC(碳酸乙烯酯):EMC(碳酸甲乙酯):DMC(碳酸二甲酯)=1:1:1。通入0.1C小電流化成。化成后用吸管抽出多余的電解液，抽真空再次熱封，得到本發明所述的高比能量鋰離子電池。此電池能量為283.9Wh(66/68X500X130X4.5)，重量為 1099.8g(其中鋁箔 43g，銅箔106.8g，電解液240g，鋁塑膜20g),比能量為258.lWh/Kg。實施例3本實施例所采用的具體工藝方法是:1、制造正極極片:首先制備正極漿料，其配方是:高電壓LiNitl.5MnL 504 材料:74Kg水溶性羧甲基纖維素(CMC):1.5Kg導電碳黑:1.5Kg純凈水:53.2Kg制造方法是:將以上成分在制漿機內混合均勻，通過涂布機在厚度為20微米厚，寬度為600mm的鋁箔I表面進行雙面涂布，其中涂布區2長度為180mm，露箔區3尺寸6mm。在105°C流動空氣中干燥好后。壓實(壓力20Mpa)，分切成寬度為170mm尺寸的極片條，此時每個涂布區2的尺寸為(長180mm，寬170mm)，每個涂布區對應的電池容量為1383mAh。選I個涂布區分為一組，切斷，可用于制造1383mAh電池。在鋁箔I的一端點焊好鋁極耳，在極耳處貼好常規高溫保護膠帶。涂布干燥后，雙面干物質面密度為450g/m2。2、制造負極極片:首先制備負極漿料，其配方是(重量百分比):人造石墨:32Kg
丁苯橡膠:IKg乙炔黑:IKg純凈水:35.3Kg制造方法是:將以上成分在制漿機內混合均勻，通過涂布機在厚度為8微米，寬度為600mm的銅箔4表面進行雙面涂布，其中涂布區5長度為182mm，露箔區6尺寸6mm。在105°C流動空氣中干燥好后。壓實(壓力20Mpa)后，分切成寬度為172mm尺寸的極片條，此時，每個涂布區5的尺寸為(長182mm，寬172mm)，選2個涂布區5分為一組，切斷，在銅箔4的一端點焊好鎳極耳，在極耳處貼好常規高溫保護膠帶。涂布干燥后，雙面干物質面密度為195g/m2。3、將電池極片連續交錯疊片:將正極片按順序首先從第一個從露箔區處先正向折疊180°，再從第二個露箔區反向折疊180°，再從第三個露箔區正向折疊180°，以此類推組成連續疊片結構如圖4a;負極疊片的制作方式同正極如圖4b所示；極片組裝采用連續交錯疊片結構，將正極疊片7和負極疊片8交叉插入，并互成90°交錯疊片，負極極片的每個涂布區均緊密貼合一個隔膜，形成負極一隔膜一正極的順序分布的電芯結構；疊好片的電芯結構壓平；如圖5所示。其中隔膜為市售的聚乙烯薄膜，尺寸同負極涂布區5，為182mmX172mm，疊片前與負極緊密貼合；4、用復合鋁塑膜封裝，注液，化成:疊好片的電芯放入復合鋁塑膜，注入電解液，所述的電解液為LiPF6溶液，其中LiPF6濃度為lmol/L，溶劑為EC (碳酸乙烯酯)、EMC (碳酸甲乙酯)和DMC (碳酸二甲酯)的混合溶液，其中體積比EC(碳酸乙烯酯):EMC(碳酸甲乙酯):DMC(碳酸二甲酯)=1:1:1。通入電流化成。化成后用吸管抽出多余的電解液，抽真空再次熱封，得到本發明所述的高比能量鋰離子電池。此電池能量為252.99Wh(74/77 X 450 X 130X4.5)，重量為 998.2g(其中鋁箔 54g，銅箔71.2g,電解液210g，鋁塑膜18g)，比能量為253.45Wh/Kg。本發明的實施例僅用于詳細說明本發明，并不視為對本發明權利要求保護范圍的限制。本發明未 述及之處適用于現有技術。
權利要求
1.一種具有250Wh/Kg比能量的鋰離子動力電池制造方法，其特征為包括以下步驟: (O制造正極極片，正極極片的組成及質量配比為: 組成質量百分比高電j玉 LiNi0.5Mm.5O4 材料45 75%粘結劑:0.5 2% 導電劑0.5~2% 純凈水20~55% 其中，粘結劑為水溶性羧甲基纖維素(CMC)，導電劑為乙炔黑、導電石墨或導電碳黑； 制造方法是:將以上成分在制漿機內混合均勻，通過涂布機在厚度為10 20微米厚的鋁箔表面按涂布區-露箔區-涂布區間隔涂布，雙面涂布，露箔區寬度為5 8mm，在80 110°C流動空氣中干燥好后；10 30Mpa壓力下壓實，按工藝要求分切，在鋁箔的一端點焊好鋁極耳，在極耳處貼好常規高溫保護膠帶；涂布干燥后，使雙面干物質面密度為400 500g/m2 ； (2)制造負極極片:負極極片的組成及質量配比為:組成質量百分比人造石墨45 75 %粘結劑0.5 2%導電劑0.5~2%純凈水20-55% 其中，粘結劑為水溶性羧甲基纖維素(CMC)或丁苯橡膠，導電劑為乙炔黑、導電石墨或導電碳黑； 制造方法是:將以上成分在制漿機內混合均勻，通過涂布機在厚度為8 12微米厚的銅箔表面按涂布區-露箔區-涂布區間隔涂布，雙面涂布，露箔區寬度為5 8mm，在80 110°C流動空氣中干燥好后，10 30Mpa下壓實，按工藝要求分切，在銅箔的一端點焊好鎳極耳，在極耳處貼好常規高溫保護膠帶；涂布干燥后，使雙面干物質面密度為180 220g/m2； (3)將電池極片連續交錯疊片: 將正極片按順序首先從第一個從露箔區處先正向折疊180°，再從第二個露箔區反向折疊180°，再從第三個露箔區正向折疊180°，以此類推組成連續疊片結構；負極疊片的制作方式同正極；極片組裝采用連續交錯疊片結構，將正極極片和負極極片互成90°交錯疊片，正極和負極極片之間均加有一個隔膜，形成負極一隔膜一正極的順序分布的電芯結構；疊好片的電芯結構壓平； 其中隔膜為市售的聚乙烯或聚丙烯薄膜，尺寸同負極的涂布區，疊片前與負極緊密貼合； (4)用復合鋁塑膜封裝，注液，化成: 疊好片的電芯放入復合鋁塑膜，注入電解液，通入小電流化成；化成后用吸管抽出多余的電解液，抽真空再次熱封，得到本發明所述的高比能量鋰離子電池。
2.如權利要求1所述的具有250Wh/Kg比能量的鋰離子動力電池制造方法，其特征為所述的電解液為LiPF6溶液，其中LiPF6濃度為lmol/L，溶劑為EC(碳酸乙烯酯)、EMC(碳酸甲乙酯)和DMC(碳酸二甲酯)的混合溶液，其中體積比EC(碳酸乙烯酯):EMC(碳酸甲乙酷):DMC (碳酸_■甲酷)=1:1:1。
3.如權利要求1所述的具有250Wh/Kg比能量的鋰離子動力電池制造方法，其特征為所述的涂布區的 尺寸為:長160 190_，寬150 180_。
全文摘要
本發明涉及一種具有250Wh/Kg比能量的鋰離子動力電池制造方法，該方法提出一種利用高電壓的LiNi0.5Mn1.5O4材料為正極，人造石墨為負極，采用連續交錯疊片和復合鋁塑膜軟包裝封裝結構制造高比能量鋰離子電池的工藝方法。本發明具有結構穩定，極片連續性好，正負極區定位精確，短路率低，可靠性高等優點，并且由于采用極片連續交錯疊片結構，極片不需剪切，只需將其依次從露箔區處折疊180°后，正負極交叉疊合，既可大大簡化電池組裝過程，提高生產效率，降低生產成本；又可避免毛刺引起的電池短路問題。
文檔編號H01M10/0583GK103236564SQ201310134140
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月17日 優先權日2013年4月17日
發明者梁廣川, 王麗, 歐秀芹 申請人:河北工業大學