專利名稱：一種高功率鋰離子電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，尤其是使用無定形碳作為陽極材料的高功率鋰離子電池。
背景技術(shù)：
鋰離子電池相對于鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池具有更高的能量密度、自放電小、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，當前已廣泛應(yīng)用于消費電子領(lǐng)域。許多應(yīng)用場合，如HEV，在車輛啟動時需要很大的啟動電流、剎車時需要在很短的時間內(nèi)回收能量，對于電池的要求為功率要高。從結(jié)構(gòu)上看，鋰離子電池包括正極、負極、隔膜、電解液及外包裝。其工作原理為充電時，電子從正極材料流經(jīng)外電路進入負極，鋰離子先從正極材料顆粒內(nèi)部擴散到顆粒表面，然后在液相電解液中電遷移到負極材料表面，穿過SEI膜，在負極材料顆粒內(nèi)部擴散；放電時，則是一個反向過程。在此過程中鋰離子在電極材料顆粒內(nèi)部的擴散是速率限制步驟。常用的正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、 三元材料等。鈷酸鋰為二維層狀結(jié)構(gòu)，鈷氧層間距約0. 7nm, LiMn2O4為立方尖晶石結(jié)構(gòu)，具有三維鋰離子通道。而鋰離子電池最常使用的石墨材料的層間距為0. 338nm,由此可看出， 石墨陽極材料為鋰離子傳輸?shù)乃俾氏拗撇襟E。當前對于高功率鋰離子電池陽極材料研究較多的是鈦酸鋰及其復(fù)合材料。申請?zhí)枮?200610014789. 1,200810230097. X,201010127600. 6,201010184114. 8,201020135554. X 的中國專利使用鈦酸鋰或鈦酸鋰/碳復(fù)合材料作為負極制作高功率鋰離子電池。但是鈦酸鋰的平臺電位為1.5V Vs.Li+/Li，全電池的平臺電壓約2.3V，能量密度較低。另外，應(yīng)用時組裝成I^ack組，將使得串聯(lián)電芯數(shù)量增加，會增加組裝復(fù)雜度及平衡電路的成本。對于使用無定形碳材料作為陽極的鋰離子電池，申請?zhí)枮?6114275. 8、 96114133.6的專利使用無定形碳作為陽極，制備了鋰離子電池，其碳材料的可逆儲鋰容量達到了 536mAh/g，此時陽極電位很接近析鋰電位，較大倍率充電時，很容易析鋰，對高功率鋰離子電池的應(yīng)用存在巨大的安全隱患，故不能作為高功率鋰離子電池使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供了一種使用無定形碳作為陽極材料的高功率鋰離子電池。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種高功率鋰離子電池，其包括過渡金屬嵌鋰氧化物的正極、無定形碳作為陽極材料的負極、隔膜、電解液及外包裝，所述的無定形碳的石墨微晶簇的石墨片層的堆疊厚度為 1. 2 4. 8nm。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明使用無定形碳作為陽極材料，制備得到高功率鋰離子電池。其中的無定形碳材料的特點為石墨片層的堆疊厚度為1. 2 4. 8nm，此無定形碳材料的石墨微晶簇尺寸小，簇之間提供了大量的鋰離子的傳輸通道，利于鋰離子在無定形碳內(nèi)部的擴散，當較大倍率充電時，極化小，不容易析鋰，大大提高了高功率鋰離子電池應(yīng)用的安全性，同時微晶的層間距較大(0. 35 0. 38nm)，也利于鋰離子在無定形碳內(nèi)部的擴散，使得鋰離子電池能夠應(yīng)用于大倍率、高功率的場合。作為本發(fā)明高功率鋰離子電池的一種改進，所述石墨片層的堆疊厚度為2 4. 6nm，采用此堆疊厚度使得本發(fā)明具有良好的綜合性能，尤其是功率密度更高。作為本發(fā)明高功率鋰離子電池的一種改進，所述石墨片層的堆疊厚度為3. 72nm。作為本發(fā)明高功率鋰離子電池的一種改進，所述無定形碳的石墨微晶的層間距 d(002)為0. 340 0. 385nm，微晶的層間距較大，利于鋰離子在無定形碳內(nèi)部的擴散，因此對鋰離子傳輸影響較大的因素(鋰離子在無定形碳顆粒內(nèi)部的擴散)得以改善，使得鋰離子電池能夠應(yīng)用于大倍率、高功率的場合。作為本發(fā)明高功率鋰離子電池的一種改進，所述石墨微晶的層間距d(002)為
0.35 0. 38nm。作為本發(fā)明高功率鋰離子電池的一種改進，所述無定形碳的D50為5 15μπι，如果大于15 μ m會影響鋰離子從電解液本體向無定形碳顆粒內(nèi)部的傳遞速度，小于5 μ m會因比表面大，與電解液的接觸更多，發(fā)生副反應(yīng)，使得性能變差，所述的D50指一個樣品的累計粒度分布百分數(shù)達到50%時所對應(yīng)的粒徑。它的物理意義是粒徑大于它的顆粒占50%， 小于它的顆粒也占50%，D50也叫中位徑或中值粒徑。作為本發(fā)明高功率鋰離子電池的一種改進，所述無定形碳的比表面積為0. 5 5m2/g，大于5m2/g會與電解液的接觸更多，發(fā)生副反應(yīng)，使得性能變差。小于0. 5m2/g會影響鋰離子從電解液本體向無定形碳顆粒內(nèi)部的傳遞速度。作為本發(fā)明高功率鋰離子電池的一種改進，所述無定形碳的比表面積為3 4m2/作為本發(fā)明高功率鋰離子電池的一種改進，所述無定形碳的振實密度為0. 7
1.2g/cm3，無定形碳材料的石墨微晶簇尺寸大小，影響簇之間鋰離子的傳輸通道的數(shù)量，采用此振實密度能合理確認石墨微晶簇尺寸大小。作為本發(fā)明高功率鋰離子電池的一種改進，所述負極包括集流體、附著在集流體上的無定形碳、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，其中，導(dǎo)電劑為Super P(導(dǎo)電碳)或者導(dǎo)電炭黑，粘結(jié)劑為PVDF(聚偏氟乙烯)、SBR(丁苯橡膠)或者CMC(羧甲基纖維素鈉)，無定形碳導(dǎo)電劑 粘結(jié)劑為85 95 10 2 5 3。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明及其有益效果作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1 在9μπι的銅箔上涂布陽極漿料(無定形碳Super P PVDF = 92 3 5，溶劑為NMP)，涂布重量為4. 5mg/cm2，經(jīng)過涂布機的烘箱后得到干燥后的極片，其中所使用的無定形碳的參數(shù)為石墨微晶的層間距d(002)為0. 349nm，石墨片層的堆疊厚度為4. 54nm, D50為12. 4μ m，比表面積為3. 39m2/g，振實密度為0. 86g/cm3。在16 μ m的鋁箔上涂布陰極漿料(錳酸鋰導(dǎo)電碳PVDF = 94 4 2，溶劑為NMP)，涂布重量為11. Omg/cm2，經(jīng)過涂布機的烘箱后得到干燥后的極片。然后極片分別進行冷壓，再使極片通過高溫烘箱進行二次干燥，再依次通過分條、 裁片制備出待卷繞的極片。將此極片進行卷繞，然后經(jīng)過封裝、注液等工序制備出IAh的鋰離子電池。常溫下的HPPC功率密度(50% SOC)為4735W/kg，其能量密度為80Wh/kg，常溫下5C/5C循環(huán)3000圈后其容量保持率為87%。作為對比的鋰離子電池，其陽極采用石墨，常溫下的HPPC功率密度(50% SOC)為 2200W/kg。通過此對比，可以看出本實例所描述的使用無定形碳作為陽極的鋰離子電池具有很高的功率密度，適于應(yīng)用在高功率的應(yīng)用場合。實施例2 在9μπι的銅箔上涂布陽極漿料(無定形碳Super P PVDF = 92 3 5，溶劑為NMP)，涂布重量為4. 5mg/cm2，經(jīng)過涂布機的烘箱后得到干燥后的極片，其中所使用的無定形碳的參數(shù)為石墨微晶的層間距d(002)為0. 354nm，石墨片層的堆疊厚度為3. 72nm, D50為14. 1 μ m,比表面積為1. 65m2/g，振實密度為0. 77g/cm3。在16 μ m的鋁箔上涂布陰極漿料(錳酸鋰導(dǎo)電碳PVDF = 94 4 2，溶劑為 NMP)，涂布重量為11. Omg/cm2，經(jīng)過涂布機的烘箱后得到干燥后的極片。然后極片分別進行冷壓，再使極片通過高溫烘箱進行二次干燥，再依次通過分條、 裁片制備出待卷繞的極片。將此極片進行卷繞，然后經(jīng)過封裝、注液等工序制備出IAh的鋰離子電池。常溫下的HPPC功率密度(50% SOC)為4018W/kg，其能量密度為80Wh/kg，常溫下5C/5C循環(huán)3000圈后其容量保持率為76%。作為對比的鋰離子電池，其陽極采用石墨，常溫下的HPPC功率密度(50% SOC)為 2200W/kg。通過此對比，可以看出本實例所描述的使用無定形碳作為陽極的鋰離子電池具有很高的功率密度，適于應(yīng)用在高功率的應(yīng)用場合。實施例3 在9μπι的銅箔上涂布陽極漿料(無定形碳Super P CMC SBR = 93 3 2 2，溶劑為去離子水)，涂布重量為4. 5mg/cm2，經(jīng)過涂布機的烘箱后得到干燥后的極片，其中所使用的無定形碳的參數(shù)為石墨微晶的層間距d(002)為0. 349nm，石墨片層的堆疊厚度為4. 54nm, D50為11.4ym,比表面積為4. 71m2/g，振實密度為0. 89g/cm3。在16 μ m的鋁箔上涂布陰極漿料(錳酸鋰導(dǎo)電碳PVDF = 94 4 2，溶劑為 NMP)，涂布重量為11. Omg/cm2，經(jīng)過涂布機的烘箱后得到干燥后的極片。然后極片分別進行冷壓，再使極片通過高溫烘箱進行二次干燥，再依次通過分條、 裁片制備出待卷繞的極片。將此極片進行卷繞，然后經(jīng)過封裝、注液等工序制備出IAh的鋰離子電池。常溫下的HPPC功率密度(50% SOC)為3516W/kg，其能量密度為78Wh/kg，常溫下5C/5C循環(huán)3000圈后其容量保持率為85%。作為對比的鋰離子電池，其陽極采用石墨，常溫下的HPPC功率密度(50% SOC)為 2200W/kg。通過此對比，可以看出本實例所描述的使用無定形碳作為陽極的鋰離子電池具有很高的功率密度，適于應(yīng)用在高功率的應(yīng)用場合。實施例4 在9μπι的銅箔上涂布陽極漿料(無定形碳SuperP PVDF = 94 3 3，溶劑為NMP)，涂布重量為4. %ig/cm2，經(jīng)過涂布機的烘箱后得到干燥后的極片，其中所使用的無定形碳的參數(shù)為石墨微晶的層間距d(002)為0. 379nm，石墨片層的堆疊厚度為1. 23nm,D50 為10. 1 μ m,比表面積為0. 74m2/g，振實密度為0. 91g/cm3。在16 μ m的鋁箔上涂布陰極漿料(錳酸鋰導(dǎo)電碳PVDF = 94 4 2，溶劑為 NMP)，涂布重量為11. Omg/cm2，經(jīng)過涂布機的烘箱后得到干燥后的極片。然后極片分別進行冷壓，再使極片通過高溫烘箱進行二次干燥，再依次通過分條、 裁片制備出待卷繞的極片。將此極片進行卷繞，然后經(jīng)過封裝、注液等工序制備出IAh的鋰離子電池。常溫下的HPPC功率密度(50% SOC)為3096W/kg，其能量密度為69Wh/kg，常溫下5C/5C循環(huán)3000圈后其容量保持率為71%。作為對比的鋰離子電池，其陽極采用石墨，常溫下的HPPC功率密度(50% SOC)為 2200W/kg。通過此對比，可以看出本實例所描述的使用無定形碳作為陽極的鋰離子電池具有很高的功率密度，適于應(yīng)用在高功率的應(yīng)用場合。實施例5 在9μπι的銅箔上涂布陽極漿料(無定形碳SuperP PVDF = 86 9 5，溶劑為NMP)，涂布重量為4. 8mg/cm2，經(jīng)過涂布機的烘箱后得到干燥后的極片，其中所使用的無定形碳的參數(shù)為石墨微晶的層間距d(002)為0. 356nm，石墨片層的堆疊厚度為2. 15nm,D50 為6. 5 μ m，比表面積為1. 84m2/g，振實密度為1. 13g/cm3。在16 μ m的鋁箔上涂布陰極漿料(錳酸鋰導(dǎo)電碳PVDF = 94 4 2，溶劑為 NMP)，涂布重量為11. Omg/cm2，經(jīng)過涂布機的烘箱后得到干燥后的極片。然后極片分別進行冷壓，再使極片通過高溫烘箱進行二次干燥，再依次通過分條、 裁片制備出待卷繞的極片。將此極片進行卷繞，然后經(jīng)過封裝、注液等工序制備出IAh的鋰離子電池。常溫下的HPPC功率密度(50% SOC)為3968W/kg，其能量密度為82Wh/kg，常溫下5C/5C循環(huán)3000圈后其容量保持率為72%。作為對比的鋰離子電池，其陽極采用石墨，常溫下的HPPC功率密度(50% SOC)為 2200W/kg。通過此對比，可以看出本實例所描述的使用無定形碳作為陽極的鋰離子電池具有很高的功率密度，適于應(yīng)用在高功率的應(yīng)用場合。根據(jù)上述說明書的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式
，對本發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術(shù)語，但這些術(shù)語只是為了方便說明，并不對本發(fā)明構(gòu)成任何限制。
權(quán)利要求
1.一種高功率鋰離子電池，包括使用過渡金屬嵌鋰氧化物的正極、使用無定形碳作為陽極材料的負極、隔膜及電解液，其特征在于所述的無定形碳的石墨微晶簇的石墨片層的堆疊厚度為1. 2 4. 8nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率鋰離子電池，其特征在于所述石墨片層的堆疊厚度為2 4. 6nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高功率鋰離子電池，其特征在于所述石墨片層的堆疊厚度為3. 72nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率鋰離子電池，其特征在于所述無定形碳的石墨微晶的層間距d(002)為0. 340 0. 385nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高功率鋰離子電池，其特征在于所述石墨微晶的層間距 d(002)為 0. 35 0. 38nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率鋰離子電池，其特征在于所述無定形碳的D50 為5 15 μ m0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率鋰離子電池，其特征在于所述無定形碳的比表面積為0. 5 5m2/g。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率鋰離子電池，其特征在于所述無定形碳的比表面積為3 4m2/go
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率鋰離子電池，其特征在于所述無定形碳的振實密度為0. 7 1. 2g/cm3。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率鋰離子電池，其特征在于所述負極包括集流體、附著在集流體上的無定形碳、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑；所述的無定形碳導(dǎo)電劑粘結(jié)劑為85 95 10 2 5 3 ；所述的導(dǎo)電劑為Super P或者導(dǎo)電炭黑；所述的粘結(jié)劑為PVDF、SBR或者CMC ；所述石墨微晶的層間距d(002)為0. 35 0. 38nm ；所述無定形碳的D50為5 15 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，尤其是使用無定形碳作為陽極材料的高功率鋰離子電池，此高功率鋰離子電池包括使用過渡金屬嵌鋰氧化物的正極、使用無定形碳作為陽極材料的負極、隔膜、電解液及外包裝，此無定形碳材料的特點為石墨微晶的層間距d(002)為0.340～0.385nm，石墨片層的堆疊厚度為1.2～4.8nm，D50為5～15μm，比表面積為0.5～5m2/g，振實密度為0.7～1.2g/cm3。此電池具有高的功率密度，在常溫下的HPPC功率密度(50％SOC)可達到4700W/kg，適于高功率的應(yīng)用場合。
文檔編號H01M4/62GK102332604SQ201110055398
公開日2012年1月25日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者付成華, 許瑞, 韓昌隆 申請人:東莞新能源電子科技有限公司, 東莞新能源科技有限公司, 寧德新能源科技有限公司