一种高能量锂离子电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种高能量锂离子电池及其制备方法，本发明通过在金属锂表面涂覆了一层纳米锂快离子导体陶瓷层，不仅阻止了金属锂与电解液在充放电期间的副反应，而且抑制了金属锂枝晶的形成与生长，同时减小了保护膜对锂离子迁移的阻力，大幅减缓保护膜对电池阻抗的增加，从而能在保证了电池的循环安全性、提高电池使用寿命的同时，实现高能量密度输出，满足电动车续航里程的能量需求。
【专利说明】
一种高能量锂离子电池及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种高能量锂离子电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着科技进步，各种电器的小型化、超薄化发展趋势需要，人们迫切需要一种高能量密度电池。常规锂离子电池的负极使用石墨为负极，石墨不仅理论容量低(只有372mAh/g)，而且首次不可逆容量损失大，无法成为高能量密度电池。而金属锂的理论容量达3860mAh/g，且锂电极的交换电流密度大、极化小，是理想的电池材料。但锂电极的实际应用中还存在一些需要解决的问题，枝晶问题以及与电解液的相容性问题。
[0003]金属锂与普通电解液的反应活性高，往往在锂负极表面形成针状枝晶，如果枝晶过度生长并与正极接触，则会发生内部短路，引发安全问题，严重影响了金属锂电池的循环寿命，抑制了高能量密度金属锂电池的实际应用。为了使高能量密度金属锂电池得到理想的循环寿命，必须降低金属锂与电解液的反应活性，但又不能彻底钝化金属锂，致使不能实现高的放电电流密度。
[0004]对于金属锂负极的改性中也有涉及表面涂覆保护层的实例，但多为没有锂离子导电性的保护层，虽然改善了金属锂负极的表面形貌，但极大的增大了电池内部阻抗，影响了电池性能发挥，限制了金属锂负极在锂离子电池中的实际应用。
[0005]因此，现有技术还有待于改进和发展。
【发明内容】
[0006]鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池及其制备方法，旨在解决现有锂离子电池仍然难以满足实际需要、电池内部阻抗大和循环寿命短的问题。
[0007]本发明的技术方案如下:
一种高能量锂离子电池的制备方法，其中，包括步骤:
A、将纳米锂快离子导体陶瓷粉、粘接剂按照85?90:10?15质量比例加入到有机溶剂中充分混合均匀成负极浆料，将负极浆料于惰性气氛中涂于锂箔上，烘干后、碾压得表面覆有纳米锂快离子导体陶瓷层的负极极片；
B、将正极材料、导电剂、粘结剂按照80?85:5?10:7?12的质量比例加入到溶剂中充分混合均匀成正极浆料，将正极浆料涂于铝箔上，烘干后、碾压得正极极片；
C、将正极、负极极片按照不同的电芯设计裁剪成相应尺寸，真空干燥除去溶剂和水分，备用;
D、将备用的正极、负极极片、隔膜和电解液组装锂离子电池，静置8?1h;
E、对锂离子电池进行化成，所述化成工步为0.0lO0.03C小电流充电至3.2-3.6V，
0.0500.IC充至3.8?4.0V，以0.卜0.3C放电至2.8-3.2V，充放循环2?4次；
F、对化成好的锂离子电池静置5?9天，进行容量、倍率、循环寿命测试，电压测试范围3.0V-4.2Vo
[0008]所述的高能量锂离子电池的制备方法，其中，步骤A中，所述纳米锂快离子导体陶瓷粉为 LiiQGeP2S12、Li3N、LaQ.5Li().5Ti03 Ji7P3S11^i1QSnPShLi11Si2PS12 中的一种。
[0009]所述的高能量锂离子电池的制备方法，其中，步骤A中，所述纳米锂快离子导体陶瓷粉颗粒粒度为10-200nm。
[0010]所述的高能量锂离子电池的制备方法，其中，步骤A中，负极极片表面的纳米锂快离子导体陶瓷层厚度为1?10μπι。
[0011 ]所述的高能量锂离子电池的制备方法，其中，步骤B中，将正极材料、导电剂、粘结剂按照82:8:10的质量比例加入到溶剂中。
[0012]所述的高能量锂离子电池的制备方法，其中，步骤B中，所述溶剂为NMP溶剂。
[0013]所述的高能量锂离子电池的制备方法，其中，步骤D中，所述隔膜为Celgard 2400。
[0014]所述的高能量锂离子电池的制备方法，其中，步骤D中，所述电解液为LiPF6/EC-EMC-DMC、LiAsF6/PC-EMC-DMC、LiBF4/MPC-EMC-DMC 中的一种。
[0015]所述的高能量锂离子电池的制备方法，其中，步骤E中，所述化成工步为0.02C小电流充电至3.4V，0.1C充至3.0V。
[0016]—种高能量锂离子电池，其中，采用如上任一所述的高能量锂离子电池的制备方法制备而成。
[0017]有益效果:本发明将纳米锂快离子导体陶瓷粉涂覆、粘接在金属锂表面，形成纳米锂快离子导体陶瓷层，抑制了金属锂和电解液之间的非法拉第反应，从而提高金属锂的耐腐蚀性能；同时纳米锂快离子导体陶瓷层减少了锂离子迀移的阻力，减少了电池充放过程中的极化阻抗。
【具体实施方式】
[0018]本发明提供一种高能量锂离子电池及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]本发明的一种高能量锂离子电池的制备方法，其中，包括步骤:
A、将纳米锂快离子导体陶瓷粉、粘接剂按照85?90:10?15质量比例加入到有机溶剂中充分混合均匀成负极浆料，将负极浆料于惰性气氛中涂于锂箔上，烘干后、碾压得表面覆有纳米锂快离子导体陶瓷层的负极极片；
所述步骤A中，通过在金属锂负极表面涂覆一层纳米锂快离子导体陶瓷层，使得金属锂负极可在常规电解液环境下安全、高效的发挥作用。优选地，本发明所述纳米锂快离子导体陶瓷粉可以为 LiiQGeP2S12、Li3N、LaQ.5Li().5Ti03 Ji7P3S11^i1QSnPShLi11Si2PS12 中的一种。
[0020]优选地，所述纳米锂快离子导体陶瓷粉颗粒粒度为10?200nm。更优选地，所述纳米锂快离子导体陶瓷粉颗粒粒度为20?50nm。
[0021]优选地，负极极片表面的纳米锂快离子导体陶瓷层厚度为I?ΙΟμπι。更优选地，负极极片表面的纳米锂快离子导体陶瓷层厚度为2?6μπι。
[0022]B、将正极材料、导电剂、粘结剂按照80?85:5?10:7?12的质量比例加入到溶剂中充分混合均匀成正极浆料，将正极浆料涂于铝箔上，烘干后、碾压得正极极片； 优选地，将正极材料、导电剂、粘结剂按照82:8:10的质量比例加入到溶剂中。其中，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP )。
[0023]C、将正极、负极极片按照不同的电芯设计裁剪成相应尺寸，真空干燥除去溶剂和水分，备用；
D、将备用的正极、负极极片、隔膜和电解液组装锂离子电池，静置8?1h;
优选地，步骤D中，所述隔膜为Celgard 2400。所述电解液为LiPF6/EC-EMC_DMC、LiAsF6/PC-EMC-DMC、LiBF4/MPC-EMC-DMC 中的一种。
[0024]E、对锂离子电池进行化成，所述化成工步为0.0lO0.03C小电流充电至3.2-3.6V，0.05 00.1C充至3.8?4.0V，以0.I?0.3C放电至2.8-3.2V，充放循环2~4次；
优选地，步骤E中，所述化成工步为0.02C小电流充电至3.4V，0.1C充至3.0V。
[0025]F、对化成好的锂离子电池静置5?9天，进行容量、倍率、循环寿命测试，电压测试范围3.0V-4.2V。
[0026]本发明通过在金属锂表面涂覆了一层纳米锂快离子导体陶瓷层，不仅阻止了金属锂与电解液在充放电期间的副反应，而且抑制了金属锂枝晶的形成与生长，同时减小了保护膜对锂离子迀移的阻力，大幅减缓保护膜对电池阻抗的增加，从而能在保证了电池的循环安全性、提高电池使用寿命的同时，实现高能量密度输出，满足电动车续航里程的能量需求。
[0027]本发明还提供一种高能量锂离子电池，其中，采用如上任一所述的高能量锂离子电池的制备方法制备而成。本发明锂离子电池不仅具有高的电池循环安全性和电池使用寿命，同时具有高的电池能量密度，满足电动车续航里程的能量需求。
[0028]下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明。
[0029]实施例1
将050为0.19711的纳米锂快离子导体陶瓷粉1^必、粘结剂按照90:10质量比例，分别称取，加入到有机溶剂NMP中充分混合均匀成负极浆料，将成负极浆料于惰性气氛他中涂于锂箔上，挥发掉溶剂，碾压后得表面覆有纳米锂快离子导体陶瓷层的金属锂负极;将正极材料磷酸铁锂、导电剂、粘结剂按照82:8:10的质量比例加入到匪P溶剂中充分混合均匀成正极浆料，将正极浆料涂于铝箔上，烘干、碾压后得正极极片;将正极、负极极片按照不同的电芯设计裁剪成相应尺寸，本实施例1电芯尺寸设计为8(T)X34(W)X50(H)mm<a20°C真空干燥除去溶剂和水分，备用；以Celgard 2400为隔膜，lmol/L的LiPF6/EC-EMC_DMC(体积比为1:1:1)为电解液，组装锂离子电池，静置8h。
[0030]对电池进行化成，所述的化成工步为0.02C小电流充电至3.4V，0.08C充至4.0V，以
0.1C放电至3.0V，充放循环3次;对化成好的电池静置7天，进行容量、倍率、循环寿命测试，电压测试范围3.0V-4.2V。
[0031 ] 测试结果:5C充放，电池容量为145mAh/g ；循环500次，容量保持率为83%。
[0032]实施例2
将D50为0.103μ的纳米锂快离子导体陶瓷粉Li1OGeP2S12、粘结剂按照85:15质量比例，分别称取，加入到有机溶剂NMP中充分混合均匀成负极浆料，将负极浆料于惰性气氛中涂于锂箔上，挥发掉溶剂，碾压后得表面覆有纳米锂快离子导体陶瓷层的金属锂负极;将正极材料磷酸铁锂、导电剂、粘结剂按照82:8:10的质量比例加入到NMP溶剂中充分混合均匀成正极浆料，将正极浆料涂于铝箔上，烘干、碾压后得正极极片;将正极、负极极片按照不同的电芯设计裁剪成相应尺寸，本实施例2电芯尺寸设计为SG’XSMW’XSCKmmnuWOr真空干燥除去溶剂和水分，备用；以Celgard 2400为隔膜，lmol/L的LiBFjMPC-EMC-DMC(体积比为
I: 1:1)为电解液，组装锂离子电池，静置Sh。
[0033]测试条件同实施例1，测试结果:5C充放，电池容量为149mAh/g ；循环500次，容量保持率为87%。
[0034]实施例3
将D50为0.05μ的纳米锂快离子导体陶瓷粉LaQ.5L1.5Ti03、粘结剂按照90:10质量比例，分别称取，加入到NMP溶剂中充分混合均匀成负极浆料，将负极浆料于惰性气氛中涂于锂箔上，挥发掉溶剂，碾压后得表面覆有纳米锂快离子导体陶瓷层的金属锂负极;将正极材料磷酸铁锂、导电剂、粘结剂按照82:8:10的质量比例加入到NMP溶剂中充分混合均匀成正极浆料，将正极浆料涂于铝箔上，烘干、碾压后得正极极片;将正极、负极极片按照不同的电芯设计裁剪成相应尺寸，本实施例3电芯尺寸设计为8(1')\34(胃)\50(!1)111111。120°(:真空干燥除去溶剂和水分，备用；以Celgard 2400为隔膜，Imo VL的LiBF^EC-EMC-DMC(体积比为1:1:1)为电解液，组装锂离子电池，静置8h。
[0035]测试条件同实施例1，测试结果为:5C充放，电池容量为146mAh/g ；循环500次，容量保持率为81%。
[0036]实施例4
将D50为0.02μ的纳米锂快离子导体陶瓷粉Li7P3Sn、粘结剂按照85:15质量比例，分别称取，加入到NMP溶剂中充分混合均匀成负极浆料，将负极浆料于惰性气氛中涂于锂箔上，挥发掉溶剂，碾压后得表面覆有纳米锂快离子导体陶瓷层的金属锂负极;将正极材料磷酸铁锂、导电剂、粘结剂按照82:8:10的质量比例加入到NMP溶剂中充分混合均匀成正极浆料，将正极浆料涂于铝箔上，烘干、碾压后得正极极片；将正极、负极极片按照不同的电芯设计裁剪成相应尺寸，本实施例4电芯尺寸设计为8(1')\34(胃)\50(!1)111111。120°(:真空干燥除去溶剂和水分，备用；以Celgard 2400为隔膜，lmol/L的LiPF6/EC-EMC_DMC(体积比为1:1:1)为电解液，组装锂离子电池，静置8h。
[0037]测试条件同实施例1，测试结果为:5C充放，电池容量为141mAh/g ；循环500次，容量保持率为82.7%。
[0038]对比例I
以金属锂箔为负极;将正极材料、导电剂、粘结剂按照82:8:10的质量比例加入到NMP溶剂中充分混合均匀成正极浆料，将正极浆料磷酸铁锂涂于铝箔上，烘干、碾压后得正极极片；将正极、负极极片按照不同的电芯设计裁剪成相应尺寸，本对比例I电芯尺寸设计为8(T)\34(胃)\50(!1)111111。120°(:真空干燥除去溶剂和水分，备用；以Celgard 2400为隔膜，lmol/L的LiPF6/EC-EMC-DMC(体积比为1:1:1)为电解液，组装锂离子电池，静置8h。
[0039]测试条件同实施例1，测试结果为:5C充放，电池容量为147mAh/g ；循环500次，容量保持率为62.1%。
[0040]综上所述，本发明提供的一种高能量锂离子电池及其制备方法，本发明通过在金属锂表面涂覆了一层纳米锂快离子导体陶瓷层，不仅阻止了金属锂与电解液在充放电期间的副反应，而且抑制了金属锂枝晶的形成与生长，同时减小了保护膜对锂离子迀移的阻力，大幅减缓保护膜对电池阻抗的增加，从而能在保证了电池的循环安全性、提高电池使用寿命的同时，实现高能量密度输出，满足电动车续航里程的能量需求。
[0041]应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种高能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括步骤: A、将纳米锂快离子导体陶瓷粉、粘接剂按照85?90:10?15质量比例加入到有机溶剂中充分混合均匀成负极浆料，将负极浆料于惰性气氛中涂于锂箔上，烘干后、碾压得表面覆有纳米锂快离子导体陶瓷层的负极极片； B、将正极材料、导电剂、粘结剂按照80?85:5-10:7?12的质量比例加入到溶剂中充分混合均匀成正极浆料，将正极浆料涂于铝箔上，烘干后、碾压得正极极片； C、将正极、负极极片按照不同的电芯设计裁剪成相应尺寸，真空干燥除去溶剂和水分，备用; D、将备用的正极、负极极片、隔膜和电解液组装锂离子电池，静置8?1h; E、对锂离子电池进行化成，所述化成工步为0.0lO0.03C小电流充电至3.2-3.6V，0.05 00.1C充至3.8?4.0V，以0.I?0.3C放电至2.8-3.2V，充放循环2~4次； F、对化成好的锂离子电池静置5?9天，进行容量、倍率、循环寿命测试，电压测试范围3.0V-4.2Vo2.根据权利要求1所述的高能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述纳米锂快离子导体陶瓷粉为 Li1()GeP2S12、Li3N、La().5L1.ST1hLi7P3Snai1QSnPShLi11Si2PS12中的一种。3.根据权利要求1所述的高能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述纳米锂快离子导体陶瓷粉颗粒粒度为10?200nm。4.根据权利要求1所述的高能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤A中，负极极片表面的纳米锂快离子导体陶瓷层厚度为I?ΙΟμπι。5.根据权利要求1所述的高能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤B中，将正极材料、导电剂、粘结剂按照82:8:10的质量比例加入到溶剂中。6.根据权利要求1所述的高能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤B中，所述溶剂为NMP溶剂。7.根据权利要求1所述的高能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤D中，所述隔膜为Celgard 240008.根据权利要求1所述的高能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤D中，所述电解液为 LiPF6/EC-EMC-DMC、LiAsF6/PC-EMC-DMC、LiBF4/MPC-EMC-DMC 中的一种。9.根据权利要求1所述的高能量锂离子电池的制备方法，其特征在于，步骤E中，所述化成工步为0.02C小电流充电至3.4V，0.1C充至3.0V。10.—种高能量锂离子电池，其特征在于，采用如权利要求1?9任一所述的高能量锂离子电池的制备方法制备而成。
【文档编号】H01M4/62GK105932334SQ201610283425
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】刘立君, 宋翠环
【申请人】深圳市力为锂能科技有限公司