專利名稱：一種磷酸鐵鋰電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池制造領(lǐng)域，尤其涉及一種磷酸鐵鋰電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
環(huán)境污染和能源危機(jī)是現(xiàn)在和未來一段時(shí)期內(nèi)人類面臨的兩大課題，而汽車的大 量普及又是造成環(huán)境和能源問題的主要原因之一?；旌蟿?dòng)力車(HEV)的出現(xiàn)可部分解決上 述問題，因而受到政府、汽車制造商和科技工作者的高度重視。世界各國(guó)積極支持HEV的研 發(fā)，電池廠商、汽車制造商紛紛提出HEV商品或概念車，逐步形成了 HEV新市場(chǎng)。鎳氫電池為目前HEV電池市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，主要由于它是目前綜合性能較好的 電池，除了能滿足HEV所要求的高能量、高功率、長(zhǎng)壽命和足夠?qū)挼墓ぷ鳒囟确秶?，還具 有內(nèi)在的耐過充、過放機(jī)制，比較容易進(jìn)行串并聯(lián)組合；電池容量可大可小，由30mAh到 250Ah ;較好的高低溫性能；比較簡(jiǎn)單易行的電子監(jiān)控電池管理系統(tǒng)。目前，鋰離子電池在HEV領(lǐng)域處于研究改進(jìn)和試用階段，這是由于它具有潛在的 優(yōu)勢(shì)，它具有較高比能量，可使電池做得更小、更輕；具有較好的充放電效率和低的自 放電率，可提高HEV電池的能量效率，具有較大的潛在降價(jià)空間，正在逐漸替代鎳氫電池。鋰離子電池是迄今所有商業(yè)化使用的二次化學(xué)電源中性能最為優(yōu)秀的電池，首 先，無論是體積比能量，還是重量比能量，鋰離子電池均比鉛蓄電池高出三倍以上，由此決 定了鋰離子電池體積更小、重量更輕，其市場(chǎng)消費(fèi)感覺很好；其次，鋰離子電池用于電動(dòng)助 力車的循環(huán)壽命一般在800次以上，采用磷酸鐵鋰正極材料的鋰離子電池可以達(dá)到2000次 左右，超出鉛蓄電池1. 5倍至5倍以上，這大大降低了鋰離子電池的使用成本；再次，具有快 充能力，在需要時(shí)，可以使充電時(shí)間控制在20 60min，充電效率達(dá)到95%以上。最重要的 是，鋰離子電池的倍率放電性能好，這一特性非常有利于HEV技術(shù)的發(fā)展。鋰離子電池根據(jù)正極材料不同，可分為鈷酸鋰、錳酸鋰、鈷鎳錳酸鋰、磷酸鐵鋰等 多種。鈷酸鋰由于鈷價(jià)高昂和安全性差而不適合；錳酸鋰相較于磷酸鐵鋰，在安全性和使用 壽命方面不高；在可預(yù)見的將來，磷酸鐵鋰將成為HEV鋰離子電池的主要正極材料。雖然磷酸鐵鋰電池的性能與其它類型的電池相比具有一定優(yōu)勢(shì)，但是仍然不能滿 足高倍率充放電的嚴(yán)苛使用要求。因此，找出磷酸鐵鋰電池存在問題的原因，采取正確 有效的措施改進(jìn)磷酸鐵鋰電池的制造技術(shù)，提高磷酸鐵鋰電池的性能，對(duì)于工業(yè)的發(fā) 展至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種安全性能高，體積小，能夠高倍率充放電 的磷酸鐵鋰電池。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種磷酸鐵鋰電池，包括正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)，所述正極活性物質(zhì)的原 料由固體部分A和溶劑A組成，所述固體部分A的質(zhì)量百分比組成為
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活性碳材90~ 92% ；碳納米管3 4%;導(dǎo)電碳材0. 5 1% ；粘合劑3 6%。鋰離子電池中正極活性物質(zhì)占有較大比例(正負(fù)極活性物質(zhì)的質(zhì)量比為2 1 4 1),正極活性物質(zhì)的性能直接影響著鋰離子電池的性能,其成本也直接決定電池的成 本高低，本發(fā)明選用磷酸鐵鋰作為主要的正極活性物質(zhì)，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性高、價(jià)格 低廉、無毒性、無污染的優(yōu)勢(shì)，較之錳酸鋰等其它正極材料制作的混合動(dòng)力車用電池具有更 高的安全性和循環(huán)性能。鋰離子電池負(fù)極的主要活性物質(zhì)有石墨化碳材料、無定形碳材料、氮化物、硅基材 料、新型合金等材料。本發(fā)明中負(fù)極的活性碳材采用石墨材料，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電 性好，結(jié)晶度較高，更有利于鋰離子的脫/嵌，所述活性碳材為人造石墨、天然石墨、改性石 墨中的至少一種。所述的改性石墨是指在石墨表面采取氧化、鍍銅、包覆聚合物熱解碳或錫 的氧化物等非碳材料等方法對(duì)石墨進(jìn)行改性處理，能夠明顯改善其充放電循環(huán)性能，并可 進(jìn)一步提高石墨材料的比容量，達(dá)到實(shí)用要求。所述導(dǎo)電炭材為石墨導(dǎo)電劑、炭黑導(dǎo)電劑中至少一種。石墨導(dǎo)電劑的特點(diǎn)是由直 徑為納米或微米級(jí)的粒子團(tuán)聚成聚集體，可分散到活性物質(zhì)周圍形成多支鏈狀的導(dǎo)電網(wǎng) 絡(luò)，減小內(nèi)阻，提高電子導(dǎo)電性，在負(fù)極中，它不僅可以提高電極的導(dǎo)電性，而且可以提高負(fù) 極的容量；炭黑導(dǎo)電劑的特點(diǎn)是粒徑小，比表面積大，導(dǎo)電性特別好，并且在電池中也可以 起到吸液保液的作用。粘合劑是鋰離子電池中的輔助材料，它是用來將電極活性物質(zhì)粘附在電極集流體 上的高分子化合物。對(duì)于在充放電過程中體積會(huì)膨脹收縮的鋰離子蓄電池正負(fù)極來說，要 求粘合劑對(duì)此能夠起到一定的緩沖作用，因此選擇一種合適的粘合劑很重要。作為優(yōu)選，所述粘合劑為聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氧化乙烯 (PE0)、羧甲基纖維素鈉(CMC)、丁苯橡膠(SBR)、明膠中的一種或幾種。進(jìn)一步優(yōu)選，所述粘 合劑為PVDF，具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性，是鋰離子電池粘合劑的理想 選擇。N-甲基吡咯烷酮(NMP)是良好的有機(jī)溶劑，能較快溶解常用的有機(jī)粘合劑PVDF 等，但NMP比較昂貴，作為優(yōu)選，所述的N-甲基吡咯烷酮與混合正極材料的質(zhì)量比為0. 9 1.5 1 ;所述去離子水或N-甲基吡咯烷酮與混合負(fù)極材料的質(zhì)量比為0.9 1.6 1。本發(fā)明還公開了所述磷酸鐵鋰電池的制備方法，包括如下步驟(1)將正極活性物質(zhì)的原料按比例充分混合，制成混合正極漿料，再將混合正極漿 料經(jīng)涂布機(jī)涂布在鋁箔或鋁網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓機(jī)加熱壓延制成正極片；將負(fù)極活性物質(zhì) 的原料按比例充分混合，制成混合負(fù)極漿料，再將混合負(fù)極漿料經(jīng)涂布機(jī)涂布在銅箔或銅 網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓機(jī)加熱壓延制成負(fù)極片；(2)將正極片、負(fù)極片與隔離膜卷繞或?qū)盈B成電芯；(3)將一個(gè)或若干個(gè)電芯經(jīng)并聯(lián)后組裝在一起；(4)將一個(gè)或并聯(lián)后電芯與電池外殼端子或極柱連接且鎖緊；(5)將入殼電芯注液后密封，經(jīng)化成、檢測(cè)制作成電池。
本發(fā)明選用合適比例的正負(fù)極活性物質(zhì)，并引入了碳納米管來改善電極材料的導(dǎo) 電性，提高了高倍率放電條件下正負(fù)極活性物質(zhì)的循環(huán)穩(wěn)定性，提高放電平臺(tái)，改善了鋰電 池的高倍率放電性能。本發(fā)明制備得到的磷酸鐵鋰電池具有大電流充放電能力，且具有較 好的低溫性能，在-20°C條件下放電能力達(dá)75%以上。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1一種磷酸鐵鋰電池，包括正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)，正極活性物質(zhì)的原料由 固體部分A和溶劑A組成，其中固體部分A的質(zhì)量百分比組成為磷酸鐵鋰92 %;碳納米管2%;導(dǎo)電碳材3%;粘合劑3%；溶劑A為N-甲基吡咯烷酮，溶劑A質(zhì)量為固體部分A總質(zhì)量的1倍；負(fù)極活性物質(zhì)的原料由固體部分B和溶劑B組成，其中固體部分B的質(zhì)量百分比 組成為活性碳材93 %;碳納米管2. 5%;導(dǎo)電碳材0. 5% ；粘合劑4.0%;所述溶劑B為N-甲基吡咯烷酮，溶劑B質(zhì)量為固體部分B總質(zhì)量的1倍。將上述正極活性物質(zhì)充分混合，制成混合正極漿料，再將混合正極漿料經(jīng)涂布機(jī) 涂布在鋁箔或鋁網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓機(jī)加熱壓延制成正極片；將負(fù)極活性物質(zhì)的原料充分 混合，制成混合負(fù)極漿料，再將混合負(fù)極漿料經(jīng)涂布機(jī)涂布在銅箔或銅網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓 機(jī)加熱壓延制成負(fù)極片；然后將正極片、負(fù)極片與隔離膜卷繞或?qū)盈B成電芯；將若干個(gè)電 芯經(jīng)并聯(lián)后組裝在一起；最后將電芯與電池外殼端子或極柱連接且鎖緊，注液后密封，經(jīng)化 成、檢測(cè)，得到磷酸鐵鋰電池。采用上述方法制備的磷酸鐵鋰電池，安全性能高，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)3C的大電流充電， 15C的大電流放電，循環(huán)達(dá)到2200次，且在_20°C條件下，放電性能達(dá)到75%。實(shí)施例2一種磷酸鐵鋰電池，包括正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)，正極活性物質(zhì)的原料由 固體部分A和溶劑A組成，其中，固體部分A的質(zhì)量百分比組成為磷酸鐵鋰90 %;碳納米管5%;導(dǎo)電碳材1.0%;粘合劑4.0%;溶劑A為N-甲基吡咯烷酮，溶劑A質(zhì)量為固體部分A總質(zhì)量的1. 2倍；負(fù)極活性物質(zhì)的原料由固體部分B和溶劑B組成，其中固體部分B的質(zhì)量百分比 組成為
活性碳材92 %;碳納米管3%;導(dǎo)電碳材0.5%;粘合劑4.5%;溶劑B為N-甲基吡咯烷酮，溶劑B質(zhì)量為固體部分B總質(zhì)量的1. 2倍。將上述正極活性物質(zhì)充分混合，制成混合正極漿料，再將混合正極漿料經(jīng)涂布機(jī) 涂布在鋁箔或鋁網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓機(jī)加熱壓延制成正極片；將負(fù)極活性物質(zhì)的原料充分 混合，制成混合負(fù)極漿料，再將混合負(fù)極漿料經(jīng)涂布機(jī)涂布在銅箔或銅網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓 機(jī)加熱壓延制成負(fù)極片；然后將正極片、負(fù)極片與隔離膜卷繞或?qū)盈B成電芯；將若干個(gè)電 芯經(jīng)并聯(lián)后組裝在一起；最后將電芯與電池外殼端子或極柱連接且鎖緊，注液后密封，經(jīng)化 成、檢測(cè)，得到磷酸鐵鋰電池。采用上述方法制備的混合電動(dòng)車用磷酸鐵鋰電池，安全性能高，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)5C的 大電流充電，20C的大電流放電，循環(huán)達(dá)到2000次，且在_20°C條件下，放電性能達(dá)到78%。實(shí)施例3一種磷酸鐵鋰電池，包括正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)，正極活性物質(zhì)的原料由 固體部分A和溶劑A組成，其中固體部分A的質(zhì)量百分比組成為磷酸鐵鋰88 %;碳納米管6%;導(dǎo)電碳材3%;粘合劑3%；溶劑A為N-甲基吡咯烷酮，溶劑A質(zhì)量為固體部分A總質(zhì)量的0. 9倍；負(fù)極活性物質(zhì)的原料由固體部分B和溶劑B組成，其中固體部分B的質(zhì)量百分比 組成為活性碳材90 %;碳納米管4% ;導(dǎo)電碳材2%;粘合劑4%;溶劑B為去離子水，溶劑B質(zhì)量為固體部分B總質(zhì)量的0. 9倍。將上述正極活性物質(zhì)充分混合，制成混合正極漿料，再將混合正極漿料經(jīng)涂布機(jī) 涂布在鋁箔或鋁網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓機(jī)加熱壓延制成正極片；將負(fù)極活性物質(zhì)的原料充分 混合，制成混合負(fù)極漿料，再將混合負(fù)極漿料經(jīng)涂布機(jī)涂布在銅箔或銅網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓 機(jī)加熱壓延制成負(fù)極片；然后將正極片、負(fù)極片與隔離膜卷繞或?qū)盈B成電芯；將若干個(gè)電 芯經(jīng)并聯(lián)后組裝在一起；最后將電芯與電池外殼端子或極柱連接且鎖緊，注液后密封，經(jīng)化 成、檢測(cè)，得到磷酸鐵鋰電池。采用上述方法制備的混合電動(dòng)車用磷酸鐵鋰電池，安全性能高，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)4C的 大電流充電，30C的大電流放電，循環(huán)達(dá)到1800次，且在_20°C條件下，放電性能達(dá)到80%。實(shí)施例4一種磷酸鐵鋰電池，包括正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)，正極活性物質(zhì)的原料由 固體部分A和溶劑A組成，其中固體部分A的質(zhì)量百分比組成為
磷酸鐵鋰95 %;碳納米管0.5%;導(dǎo)電碳材0. 5% ；粘合劑4%；溶劑A為N-甲基吡咯烷酮，溶劑A質(zhì)量為固體部分A總質(zhì)量的1. 5倍；負(fù)極活性物質(zhì)的原料由固體部分B和溶劑B組成，所述固體部分B的質(zhì)量百分比 組成為活性碳材95 %;碳納米管0.5%;導(dǎo)電碳材0. 5% ；粘合劑4%；溶劑B為去離子水，溶劑B質(zhì)量為固體部分B總質(zhì)量的1. 5倍。將上述正極活性物質(zhì)充分混合，制成混合正極漿料，再將混合正極漿料經(jīng)涂布機(jī) 涂布在鋁箔或鋁網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓機(jī)加熱壓延制成正極片；將負(fù)極活性物質(zhì)的原料充分 混合，制成混合負(fù)極漿料，再將混合負(fù)極漿料經(jīng)涂布機(jī)涂布在銅箔或銅網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓 機(jī)加熱壓延制成負(fù)極片；然后將正極片、負(fù)極片與隔離膜卷繞或?qū)盈B成電芯；將若干個(gè)電 芯經(jīng)并聯(lián)后組裝在一起；最后將電芯與電池外殼端子或極柱連接且鎖緊，注液后密封，經(jīng)化 成、檢測(cè)，得到磷酸鐵鋰電池。采用上述方法制備的混合電動(dòng)車用磷酸鐵鋰電池，安全性能高，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)2. 5C 的大電流充電，25C的大電流放電，循環(huán)達(dá)到2600次，且在-20°C條件下，放電性能達(dá)到 77%。對(duì)比例一種磷酸鐵鋰電池，包括正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)，正極活性物質(zhì)的原料由 固體部分A和溶劑A組成，其中固體部分A的質(zhì)量百分比組成為磷酸鐵鋰92 %;導(dǎo)電碳材3%;粘合劑5%；溶劑A為N-甲基吡咯烷酮，溶劑A質(zhì)量為固體部分A總質(zhì)量的1倍；負(fù)極活性物質(zhì)的原料由固體部分B和溶劑B組成，其中固體部分B的質(zhì)量百分比 組成為活性碳材93 %;導(dǎo)電碳材3%;粘合劑4%;所述溶劑B為N-甲基吡咯烷酮，溶劑B質(zhì)量為固體部分B總質(zhì)量的1倍。將上述正極活性物質(zhì)充分混合，制成混合正極漿料，再將混合正極漿料經(jīng)涂布機(jī) 涂布在鋁箔或鋁網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓機(jī)加熱壓延制成正極片；將負(fù)極活性物質(zhì)的原料充分 混合，制成混合負(fù)極漿料，再將混合負(fù)極漿料經(jīng)涂布機(jī)涂布在銅箔或銅網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓 機(jī)加熱壓延制成負(fù)極片；然后將正極片、負(fù)極片與隔離膜卷繞或?qū)盈B成電芯；將若干個(gè)電 芯經(jīng)并聯(lián)后組裝在一起；最后將電芯與電池外殼端子或極柱連接且鎖緊，得到磷酸鐵鋰電池。 采用上述方法制備的磷酸鐵鋰電池，充放電能力較低(1C充電，10C放電)，且 在-20°C條件下，放電性能僅為50%。
權(quán)利要求
1.一種磷酸鐵鋰電池，包括正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)，其特征在于，所述正極活性物質(zhì)的原料由固體部分A和溶劑A組成，所述固體部分A的質(zhì)量百分比組成為 磷酸鐵鋰88 95% ; 碳納米管0. 5 6% ； 導(dǎo)電碳材0. 5 3% ； 粘合劑3 5% ; 所述溶劑A為N-甲基吡咯烷酮，溶劑A質(zhì)量為固體部分A總質(zhì)量的O. 9 I. 5倍； 所述負(fù)極活性物質(zhì)的原料由固體部分B和溶劑B組成，所述固體部分B的質(zhì)量百分比組成為 活性碳材90 96% ; 碳納米管0. 5 4% ； 導(dǎo)電碳材0. 5 2% ； 粘合劑3 6% ; 所述溶劑B為去離子水或N-甲基吡咯烷酮，溶劑B質(zhì)量為固體部分B總質(zhì)量的O. 9 I.6 倍。
2.如權(quán)利要求I所述的磷酸鐵鋰電池，其特征在于，所述固體部分A的質(zhì)量百分比組成為 磷酸鐵鋰90 95% ; 碳納米管:0· 5 2% ; 導(dǎo)電碳材1 3% ; 粘合劑3 5% ; 所述固體部分B的質(zhì)量百分比組成為 活性碳材:92 96% ; 碳納米管0. 5 2% ; 導(dǎo)電碳材0. 5 2% ； 粘合劑3 6%。
3.如權(quán)利要求I所述的磷酸鐵鋰電池，其特征在于，所述固體部分A的質(zhì)量百分比組成為 磷酸鐵鋰88 90% ; 碳納米管3 6% ; 導(dǎo)電碳材0. 5 2% ； 粘合劑3 5% ; 所述固體部分B的質(zhì)量百分比組成為 活性碳材90 -92% ； 碳納米管3 4% ; 導(dǎo)電碳材0. 5 1% ； 粘合劑3 6%。
4.如權(quán)利要求I所述的磷酸鐵鋰電池，其特征在于，所述活性碳材為人造石墨、天然石墨、改性石墨中的至少一種。
5.如權(quán)利要求I所述的磷酸鐵鋰電池，其特征在于，所述導(dǎo)電炭材為石墨導(dǎo)電劑、炭黑導(dǎo)電劑中的至少一種。
6.如權(quán)利要求I所述的磷酸鐵鋰電池，其特征在于，所述粘合劑為聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯、羧甲基纖維素鈉、丁苯橡膠、明膠中的一種或幾種。
7.如權(quán)利要求6所述的磷酸鐵鋰電池，其特征在于，所述粘合劑為聚偏氟乙烯。
8.如權(quán)利要求I 6任一項(xiàng)所述的磷酸鐵鋰電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)將正極活性物質(zhì)的原料按比例充分混合，制成混合正極漿料，再將混合正極漿料經(jīng)涂布機(jī)涂布在鋁箔或鋁網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓機(jī)加熱壓延制成正極片；將負(fù)極活性物質(zhì)的原料按比例充分混合，制成混合負(fù)極漿料，再將混合負(fù)極漿料經(jīng)涂布機(jī)涂布在銅箔或銅網(wǎng)上，烘干后經(jīng)輥壓機(jī)加熱壓延制成負(fù)極片； (2)將正極片、負(fù)極片與隔離膜卷繞或?qū)盈B成電芯； (3)將一個(gè)或若干個(gè)電芯經(jīng)并聯(lián)后組裝在一起； (4)將一個(gè)或并聯(lián)后電芯與電池外殼端子或極柱連接且鎖緊； (5)將入殼電芯注液后密封，經(jīng)化成、檢測(cè)制作成電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磷酸鐵鋰電池，包括正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)，正極活性物質(zhì)的原料由固體部分A和溶劑A組成，溶劑A質(zhì)量為固體部分A總質(zhì)量的0.9～1.5倍；負(fù)極活性物質(zhì)的原料由固體部分B和溶劑B組成，溶劑B質(zhì)量為固體部分B總質(zhì)量的0.9～1.6倍。本發(fā)明還公開了該磷酸鐵鋰電池的制備方法，將正/負(fù)極活性物質(zhì)制成混合漿料，經(jīng)涂布機(jī)涂布在集流體上，烘干后經(jīng)輥壓機(jī)加熱壓延制成正/負(fù)極片；將正/負(fù)極片與隔離膜卷繞或?qū)盈B成電芯；將若干個(gè)電芯經(jīng)并、串聯(lián)后組裝在一起；將電芯與電池外殼端子或極柱連接且鎖緊即可。本發(fā)明磷酸鐵鋰電池具有大電流充放電能力，且具有較好的低溫性能，在-20℃條件下放電能力達(dá)75％以上。
文檔編號(hào)H01M4/62GK102956886SQ20121043178
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者施利勇, 李福林, 劉文法, 張慧, 施寅, 何英, 錢亮 申請(qǐng)人:浙江天能能源科技有限公司