一种超低温高倍率锂离子电池及其制备方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池技术领域，具体为一种超低温高倍率锂离子电池及其制备方法。


背景技术：

2.锂电池是一种使用金属锂或锂合金、锂合金金属氧化物作为正负极材料、并使用非水电解质作为电解液的电池，一般分为锂金属电池和锂离子电池两类，其中使用锂合金金属氧化物为锂离子电池，也是目前市场上应用最广泛的锂电池。
3.锂电池相比于铅酸电池，具有能量密度高、无记忆效应等优点，因而被广泛应用于车用动力电池，根据乘联会的数据，自2016年以来，乘用车中混动、纯电动等新能源车型销量占比逐年增长，对动力电池的的需求量不断增加，而且未来还会继续增加。
4.电动汽车相对于燃油车在排放、能耗和驾乘体验上具有极大优势，但是其续航短等缺点也广为人所诟病，主要是因为锂电池在低温环境中放电容量大幅降低，导致续航下降，尤其是在高纬度或高海拔地区，冬季低至
‑
30℃、平均
‑
15℃的气温使动力电池的充电容量和放电容量均出现大幅缩水，限制了电动汽车在这些地区的推广。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：提供一种超低温高倍率锂离子电池及其制备方法，以解决锂离子电池在低温环境下充放电容量大幅降低的问题。
6.本发明采用的技术方案如下：一种超低温高倍率锂离子电池，按重量比计，其正极浆料包括95～97%的正极活性物质、1～2%的正极导电剂、2～3%的正极粘结剂，其负极浆料包括92.5～96.2%的负极活性材料、1～3%的负极导电剂、2.8～4.5%的负极粘结剂、0.1%～0.5%的负极增稠剂；所述正极活性物质为lifepo4、limn2o4、licoo2中的一种或几种,所述正极导电剂包括导电炭黑、碳纳米管，所述正极粘结剂由粘结剂a和粘结剂b组成，所述粘结剂a为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯，所述粘结剂b为n
‑
甲基吡咯烷酮；所述负极活性物质为石墨，所述负极导电剂包括导电炭黑、碳纳米管，所述负极粘结剂包括n
‑
甲基吡咯烷酮、聚丙烯酸；所述负极增稠剂为羧甲基纤维素纳。
7.优选的，所述碳纳米管的表面负载磁性纳米颗粒，且所述碳纳米管的外表面磁极极性相同。
8.优选的，按重量比计，所述正极粘结剂中，粘结剂a的比例为10%～90%。
9.优选的，所述碳纳米管的长度不小于15μm，所述碳纳米管为单壁管。
10.本发明还提供了一种超低温高倍率锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：（1）将正极活性物质、正极导电剂、正极粘结剂按比例混合，制成正极浆料；（2）将负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂、负极增稠剂按比例混合，加入适量溶剂，制成负极浆料；
（3）将步骤（1）得到的正极浆料涂布在铝箔集流体上，干燥后辊压，冲切至指定大小，然后除尘，得到正极片；（4）将步骤（2）的到的负极浆料涂布在铜箔集流体上，干燥后辊压，冲切至指定大小，然后除尘，得到负极片；（5）取步骤（3）得到的正极片、步骤（4）得到的负极片，在正极片、负极片之间加入隔膜纸，经过叠压、卷绕，制成电芯；（6）将电芯放入外壳中进行预封装，然后放入真空烤箱中进行烘烤；（7）使用注液机注入电解液，然后静置一定时间，在真空条件下进行封装；（8）对封装后的电池进行化成并分容；（9）分容后放入老化室进行老化，老化完成后静置冷却，即可得到成品电池。
11.优选的，步骤（3）中，涂布密度为150～300g/m2，辊压后的压实密度为3.0～3.5g/cm3。
12.优选的，步骤（4）中，涂布密度为100～200g/m2，辊压后的压实密度为1.1～1.6g/cm3。
13.优选的，步骤（6）中，烘烤温度为80～85℃，烘烤时间为1～2h。
14.优选的，步骤（7）中，所述电解液包括lipf6、乙酸乙酯、碳酸丙烯酯、溴化钠、氟磺酰基异氰酸酯。
15.优选的，步骤（9）中，老化温度为40～50℃，老化时间为30～50h。
16.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：（1）本发明在正极浆料及负极浆料中加入了一定长度的碳纳米管，以增强电极材料在低温条件下的导电性，并通过在碳纳米管的表面负载磁性纳米颗粒，使其表面呈同极性，利用同极性磁极之间的排斥使碳纳米管在浆料中呈直线展开，使碳纳米管的两端有一定概率贯通正负极的浆料涂层，从而增强碳纳米管在正负极涂层中的导电作用；（2）本发明使用的碳纳米管为单壁管，其内径尺寸相对于多壁管更大，能够使li
＋
离子沿着碳纳米管的内部空腔迅速穿透涂层，提高li
＋
离子在正负极涂层中的扩散速度，缩短li
＋
离子迁移路径，降低电极的阻抗，从而起到提高锂电池低温性能的作用；（3）本发明使用的电解液中添加了溴化钠作为抗冻剂，可显著降低电解液的凝点，提高电解液的低温流动性，有助于低温环境下li
＋
离子在电解液中迁移，以增强锂电池的低温性能；（4）本发明使用的电解液中添加了氟磺酸基异氰酸酯，在电极表面可产生sei膜，抑制溶剂在负极表面的分解，使电解液与电极交界处的阻抗显著降低，从而提高锂电池的低温性能。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.实施例1本实施例提供一种超低温高倍率锂离子电池的正极浆料，其组成如下：取95kg的
lifepo4、1kg导电炭黑、1kg磁性碳纳米管、2kg聚四氟乙烯、1kg的n
‑
甲基吡咯烷酮，加入100kg去离子水并搅拌均匀即得。
19.实施例2本实施例提供一种超低温高倍率锂离子电池的正极浆料，其组成如下：取96kg的limn2o4、1kg导电炭黑、2kg聚四氟乙烯、1kg的n
‑
甲基吡咯烷酮，加入100kg去离子水并搅拌均匀即得。
20.实施例3本实施例提供一种超低温高倍率锂离子电池的正极浆料，其组成如下：取97kg的licoo2、0.5kg导电炭黑、0.5kg磁性碳纳米管、0.5kg聚偏氟乙烯、1kg的n
‑
甲基吡咯烷酮，加入100kg去离子水并搅拌均匀即得。
21.实施例4本实施例提供一种超低温高倍率锂离子电池的负极浆料，其组成如下：取92.5kg的石墨、2kg导电炭黑、1kg磁性碳纳米管、2kg的n
‑
甲基吡咯烷酮、2kg聚丙烯酸、0.5kg羧甲基纤维素钠，加入100kg去离子水并搅拌均匀即得。
22.实施例5本实施例提供一种超低温高倍率锂离子电池的负极浆料，其组成如下：取94kg的石墨、2kg导电炭黑、2kg的n
‑
甲基吡咯烷酮、1.7kg聚丙烯酸、0.3kg羧甲基纤维素钠，加入100kg去离子水并搅拌均匀即得。
23.实施例6本实施例提供一种超低温高倍率锂离子电池的负极浆料，其组成如下：取96.2kg的石墨、1kg导电炭黑、1kg磁性碳纳米管、0.7kg的n
‑
甲基吡咯烷酮、1kg聚丙烯酸、0.1kg羧甲基纤维素钠，加入100kg去离子水并搅拌均匀即得。
24.实施例1～6使用的磁性碳纳米管采用长度不低于15μm的单壁碳纳米管作为原料，在其表面负载磁性纳米颗粒，并使碳纳米管的外表面磁极极性相同。
25.实施例7本实施例提供一种超低温高倍率锂离子电池的电解液，其组成如下：取12kg的lipf6、41kg乙酸乙酯、45kg碳酸丙烯酯、1kg溴化钠、1kg氟磺酰基异氰酸酯，搅拌均匀即得。
26.实施例8本实施例提供一种超低温高倍率锂离子电池的电解液，其组成如下：取12kg的lipf6、43kg乙酸乙酯、43kg碳酸丙烯酯、2kg溴化钠，搅拌均匀即得。
27.实施例9本实施例提供一种超低温高倍率锂离子电池的电解液，其组成如下：取12kg的lipf6、45kg乙酸乙酯、41kg碳酸丙烯酯、2kg氟磺酰基异氰酸酯，搅拌均匀即得。
28.实施例10本实施例提供一种超低温高倍率锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：（1）将正极活性物质、正极导电剂、正极粘结剂按比例混合，制成正极浆料；（2）将负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂、负极增稠剂按比例混合，加入适量溶剂，制成负极浆料；（3）将步骤（1）得到的正极浆料涂布在铝箔集流体上，涂布密度为250g/m2，干燥后
辊压，压实密度为3.2g/cm3，冲切至指定大小，然后除尘，得到正极片；（4）将步骤（2）的到的负极浆料涂布在铜箔集流体上，涂布密度为150g/m2，干燥后辊压，压实密度为1.3g/cm3，冲切至指定大小，然后除尘，得到负极片；（5）取步骤（3）得到的正极片、步骤（4）得到的负极片，在正极片、负极片之间加入隔膜纸，经过叠压、卷绕，制成电芯；（6）将电芯放入外壳中进行预封装，然后放入真空烤箱中进行烘烤，烘烤温度80～85℃，烘烤时间持续1.5h；（7）使用注液机注入电解液，所使用的电解液的成分包括lipf6、乙酸乙酯、碳酸丙烯酯、溴化钠、氟磺酰基异氰酸酯，然后静置一定时间，在真空条件下进行封装；（8）对封装后的电池进行化成并分容；（9）分容后放入老化室进行老化，老化温度为40℃，老化时间为36h，老化完成后静置冷却，即可得到成品电池。
29.取实施例1～9中制得的正极浆料、负极浆料、电解液，按照实施例10中的方法制备锂电池，进行正交试验，如下表1。
30.表1使用实施例1～9中制得的正极浆料、负极浆料、电解液制备锂电池的正交试验表：对表1中试验号1～9制得的锂电池性能进行测试，见下表2。
31.表2实验号1～9锂电池性能测试表：
从表2的数据可知，在正/负极浆料中提高炭黑和磁性碳纳米管的含量，在电解液中加入适量溴化钠及氟磺酰基异氰酸酯，可显著降低锂电池的内阻，在
‑
20℃条件下1c充电容量可达到额定容量的97.53%，1c放电容量可达到额定容量的95.58%；在
‑
45℃条件下1c充电容量可达到额定容量的88.75%，1c放电容量可达到额定容量的86.98%，本发明的超低温高倍率锂离子电池充/放电容量在
‑
45℃的低温环境中仍可达到额定容量的86%以上，具有良好的低温充/放电性能。
32.实施例11取实施例1制得的正极浆料、实施例4制得的负极浆料、实施例7制得的电解液，按照实施例10提供的超低温高倍率锂离子电池的制备方法制备锂电池，调整涂布密度及烘烤、老化条件，如下表3所示。
33.表3锂电池制备条件：对表3中的电池a～d的充/放电性能进行测试，如下表4所示。
34.表4电池a～d的充/放电性能：
由表4可知，锂电池正极/负极浆料的涂布密度对其内阻影响较为明显，继而影响到了其低温充/放电性能，编号为a的锂电池在
‑
45℃的条件下，1c充电容量达到了额定容量的90.53%，1c放电容量达到了额定容量的88.72%，低温充/放电容量损失较小。
35.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。