專利名稱：鋰離子二次電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型專利涉及二次電池，更詳細(xì)地是大容量鋰離子二次電池。
鋰離子二次電池是在鋰二次電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型電池體系。由于它既保持了鋰電池的高比能量、高工作電壓、無(wú)環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)，又比鋰二次電池更安全可靠，循環(huán)壽命更長(zhǎng)，因此成為攝像機(jī)、移動(dòng)電話、筆記本電腦以及便攜式測(cè)量?jī)x器等電子裝置理想的輕型高能電源。
目前，鋰離子二次電池正在向大容量的方向發(fā)展，如電動(dòng)汽車用的動(dòng)力電池以及航天航空用大容量電池等。這些應(yīng)用都共同要求電池的容量要大、大電流充放電的性能要好?，F(xiàn)有的鋰離子二次電池普遍采用卷繞式結(jié)構(gòu)，即電池的正負(fù)極都只有一個(gè)極片，成型時(shí)正負(fù)極極片以隔膜相隔后一起圍繞轉(zhuǎn)心(即卷繞模具)旋轉(zhuǎn)，卷繞好后退出轉(zhuǎn)芯即可得到電池的電芯。采用這種結(jié)構(gòu)的鋰離子電池雖然電流分布均勻，但是散熱慢，不利于大容量鋰離子電池在大電流充放電時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生熱量的排散，降低和限制了電池容許的最大充放電電流密度。而且當(dāng)制備的鋰離子電池的容量很大時(shí)(如作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源的動(dòng)力電池等)，采用這種卷繞式結(jié)構(gòu)就要求電池的極片必須非常長(zhǎng)，這樣就給極片的制備和卷繞都增加了難度；另外，卷繞式結(jié)構(gòu)的極片的極耳是焊接在極片上的，極片過(guò)長(zhǎng)，則必須在極片頂端的極耳的基礎(chǔ)上再在極片的中部也焊接極耳，極片中部的極耳會(huì)影響與其相鄰的隔膜和極片層的平整，在卷繞時(shí)還容易戳穿電池的隔膜，造成短路。因此，大容量的鋰離子電池不適宜采用卷繞式的結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型專利的目的在于提供一種鋰離子二次電池。其電池極片采用方形層疊式結(jié)構(gòu)，避免大容量卷繞式結(jié)構(gòu)鋰離子二次電池在極片過(guò)長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)上述的種種難題，易于調(diào)整電池的容量，使電池的散熱性能、大電流充放電性能都更好。
本實(shí)用新型的鋰離子二次電池由電池極片、電解液及其電池殼構(gòu)成，電池殼內(nèi)方形電池極片層疊排布，電池極片間用隔膜相隔，電池極片兩端由不銹鋼板或銅板或鎳板聯(lián)接和固定，電解液基本充滿電池殼，隔膜采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜與聚丙烯膜疊層的隔膜。
本實(shí)用新型的工作原理如下鋰離子電池以高電位的過(guò)渡金屬氧化物為正極，貯鋰碳材料為負(fù)極，通過(guò)鋰離子在正、負(fù)極之間的嵌、脫來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的貯存和釋放。其基本反應(yīng)如下其中MCo或Ni或Mn X與M相關(guān)的函數(shù)，小于等于1
電池極片的制造及電池的裝配如下正極材料采用LiCoO2或LiMn2O4，將正極材料與乙炔黑、聚偏氟乙烯(PVDF)膠粘劑按80-90∶1-10∶1-10的比例在N-甲基吡咯烷酮(NMP)或二甲基乙酰胺中混合制成漿液，將漿液均勻地涂覆于鋁箔的兩面，在80-150℃下干燥后，碾壓、裁分得到正極極片。
負(fù)極材料采用MCMB(碳小球中間相)或石墨，將負(fù)極材料與乙炔黑、PVDF膠粘劑按80-90∶1-10∶1-10的比例在N-甲基吡咯烷酮或二甲基乙酰胺中混合制成漿液，將漿液均勻地涂覆于銅箔的兩面，在60-150℃下干燥后，碾壓、裁分得到負(fù)極極片。
裝配電池時(shí)，用聚丙烯隔膜或聚丙烯和聚乙烯疊層的隔膜將電池正、負(fù)極極片隔開并對(duì)齊，按層疊式進(jìn)行排布，極片頂端的極耳也相應(yīng)排列整齊，然后將排布好的極片兩端以不銹鋼板或銅板或鎳板加不銹鋼釘或銅釘或鎳釘?shù)裙潭?，排布整齊的正、負(fù)極的極耳也分別用不銹鋼片、鎳板或銅片加不銹鋼釘或銅釘緊固后連接外導(dǎo)線。將固定好的極片放入電池殼，在80-100℃下干燥40-100小時(shí)后，在干燥箱中注入適量的電解液，再將電池殼完全密封好。
本實(shí)用新型專利與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、采用方形層疊式結(jié)構(gòu)的大容量電池不必把電池的極片做的很長(zhǎng)，可以在極片尺寸一定的前提下，通過(guò)增加或減少極片的數(shù)目來(lái)方便地調(diào)整電池的容量，而且每片極片的頂端都預(yù)留有極耳，這樣極耳與極片自成一體，減少了極耳戳穿隔膜引起短路的可能性。
2、方形層疊式結(jié)構(gòu)的大容量蓄電池在大電流充放電時(shí)可以通過(guò)每個(gè)電池極片的邊緣來(lái)散熱，有利于電池大電流充放電時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生熱量的散失，從而提高電池容許的最大充放電電流密度，而卷繞式結(jié)構(gòu)的大容量蓄電池由于整個(gè)電極只是一個(gè)極片，極片的尺寸很長(zhǎng)，卷繞后只能通過(guò)極片的上下端散熱，散熱性能相應(yīng)較差，也影響了電池的大電流充放電性能。
3、方形層疊式的電池結(jié)構(gòu)可以通過(guò)兩端固定螺釘?shù)乃删o度來(lái)方便地調(diào)整電池極片間的距離，能夠方便地更大限度地減少電池極片的間距，從而降低電池的濃差極化和離子擴(kuò)散距離，有利于實(shí)現(xiàn)電池的大電流快速充放電。
4、采用方形層疊式的電池結(jié)構(gòu)，可以更方便地調(diào)整電池的形狀，電池可以做成截面很大(即電池極片的面積很大)而厚度卻很薄(即電池組裝所用的極片數(shù)目很少)的形狀以滿足特殊的使用要求，這是卷繞式的電池結(jié)構(gòu)做達(dá)到的。
下面通過(guò)實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。


圖1是本實(shí)用新型鋰離子二次電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中的電池極片形狀示意圖。
實(shí)施例1如圖1所示，鋰離子二次電池由電池極片1、電解液2及其電池殼3構(gòu)成，電池殼3內(nèi)方形電池極片1層疊排布，電池極片間用隔膜4相隔，電池極片1兩端由不銹鋼板或銅板或鎳板5和不銹鋼釘或銅釘或鎳釘6聯(lián)接和固定，電解液2基本充滿電池殼3，隔膜4采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜與聚丙烯膜疊層的隔膜。
如圖2所示，極片呈方形，由工作物質(zhì)1(1)和極耳1(2)構(gòu)成。
以5Ah(安時(shí))鋰離子二次電池為例正極極片的制備將120gLiCoO2、5.4g乙炔黑、175ml的PVDF溶液(30gPVDF溶解于400mlNMP中制得)打漿混合均勻，在涂布機(jī)上將漿料均勻地涂覆于鋁箔的兩面，在120℃下干燥，去除溶利后，經(jīng)碾壓機(jī)碾壓成0.22mm厚的極片，頂端一側(cè)為極耳，整個(gè)極片裁成方形，尺寸為5.2×4.5cm，共45片。
負(fù)極極片的制備將60gMCMB、1.5g乙炔黑、150ml的PVDF溶液(30gPVDF溶解于400mlNMP中制得)打漿混合均勻，在涂布機(jī)上將漿料均勻地涂覆于銅箔的兩面，在80℃下干燥，去除溶劑后，經(jīng)碾壓機(jī)碾壓成0.20mm厚的極片，頂端一側(cè)為極耳，整個(gè)極片裁成方形，尺寸為5.2×4.5cm，共45片。
電池的裝配將上述的正、負(fù)極極片各45片以聚丙烯膜與聚乙烯膜疊層的隔膜相隔后層疊排布，正負(fù)極的極耳分別排列整齊，將層疊堆積好的極片兩端以不銹鋼板加不銹鋼釘固定，各電極極片的極耳也用不銹鋼片和不銹鋼釘緊固后連接外導(dǎo)線。將固定好的極片放入電池殼，預(yù)留注液口后將電池殼密封，然后再在80-100℃下真空干燥100小時(shí)，在相對(duì)濕度小于5％的真空干燥箱中注入1MLiPF6的EC/DMC(1∶1)(1摩爾的六氟磷酸鋰溶成1升的體積比為1∶1的乙烯碳酸酯與二甲基碳酸酯的混合液中配置而得)的電解液，將電池殼的預(yù)流注液口在干燥箱中完全密封好后取出即為已裝配完畢的電池。
實(shí)施例225Ah鋰離子二次電池極片尺寸7.2×5.4cm，正負(fù)極極片的數(shù)目各為50片，所用正極活性物質(zhì)為L(zhǎng)iMn2O4，負(fù)極活性物質(zhì)為石墨，膠粘劑PVDF溶液采用22.4g的PVDF溶解于400ml的二甲基乙酰胺中制得，電池的極片的兩端用鎳板和鑷釘固定，電極極片的極耳用鎳片和鑷釘固定后聯(lián)接外導(dǎo)線，隔膜用聚丙稀隔膜，電解液、正負(fù)極活性物質(zhì)等均實(shí)施例1。
實(shí)施例350Ah鋰離子二次電池極片尺寸7.2×5.4cm，正負(fù)極極片的數(shù)目各為100片，電池的極片兩端用銅板和銅釘固定，電極極片的極耳用銅片和銅釘固定后聯(lián)接外導(dǎo)線，電解液、隔膜、正負(fù)極活性物質(zhì)等同實(shí)施例1。
實(shí)施例4實(shí)施例1、2、3的5Ah、25Ah、50Ah電池性能的測(cè)試1、鋰離子二次電池的耐過(guò)充過(guò)放電性能鋰離子二次電池對(duì)過(guò)充過(guò)放電比較敏感。當(dāng)其過(guò)充電時(shí)容易引起鋰離子在電池負(fù)極的還原，而電解液則會(huì)在電池正極氧化分解為小分子氣體，增大電池內(nèi)壓。當(dāng)過(guò)放電時(shí)，正負(fù)極物質(zhì)將被強(qiáng)制氧化或還原，電極結(jié)構(gòu)被改變，嚴(yán)重影響著電池的性能，甚至?xí)?dǎo)致電池的完全失效。大容量的鋰離子電池在使用中常會(huì)遇到過(guò)充或過(guò)放電的情況，因此我們研究了不同容量的鋰離子二次電池的耐受過(guò)充電過(guò)放電性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
鋰離子二次電池的正常充放電電壓區(qū)間為2.7-4.15V，表1為不同容量的方形層疊式鋰離子二次電池在2.7-4.15V正常充放電電壓區(qū)間和在2.5-43V過(guò)充過(guò)放電的電壓區(qū)間內(nèi)充放電性能。
表1不同容量的離子二次電池在正常情況和過(guò)充電過(guò)放電情況下的充放電行為(0.2C倍率充放電，單位Ah) 由表1可見，在過(guò)充過(guò)放電的情況下，方形層疊式鋰離子二次電池的充放電效率都比在正常充放電電壓區(qū)間充放電時(shí)的充放電效率低2-4個(gè)百分點(diǎn)，但是最低值也仍能維持在89％以上，基本能夠正常工作。
2、鋰離子二次電池的荷電保持性能大容量的鋰離子二次電池在使用的過(guò)程中常有時(shí)停時(shí)用的情況，有時(shí)可能要放置一段時(shí)間后再繼續(xù)使用，因此要求電池在放置時(shí)的自放電率要低，即荷電保持性能要好。表2為實(shí)施例中不同容量的方形層疊式鋰離子二次電池在放置一段時(shí)間后的放電容量。
表2鋰離子二次電池的荷電保持性能(0.2C倍率充放電，充放電電壓區(qū)間2.7-4.15V，單位Ah) 由表2可見，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月時(shí)間的放置后，不同容量的電池的荷電保持率都能保持在85％以上，30天的平均自放電率小于0.5％/天。同時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)月時(shí)間的放置后，經(jīng)過(guò)測(cè)量我們得知各鋰離子二次電池的電壓也都維持4.00V以上，即其荷電保持性能良好，完全可以滿足大容量鋰離子二次電池的使用要求。
3、能量密度和重量比能量由于現(xiàn)代電器小型化、輕型化的發(fā)展趨勢(shì)，要求為其提供動(dòng)力的電池的能量密度和重量比能量越高越好。表3為不同容量的方形層疊式鋰離子二次電池的能量密度和重量比能量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
表3新型鋰離子二次電池的重量比能量和能量密度(0.2C倍率，100％DOD放電) 由表3可見，50Ah的鋰離子二次電池的重量比能量和能量密度分別可以達(dá)到107.4Wh/kg和185.1Wh/L，在各類型的大容量二次電池中處于先進(jìn)水平。
4、大電流放電性能當(dāng)大容量的鋰離子二次電池用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池時(shí)，在車輛啟動(dòng)、加速和爬坡的情況下，都要求電池要能夠大電流放電以提供足夠的動(dòng)力。方形層疊式結(jié)構(gòu)的鋰離子二次電池的散熱性能要優(yōu)于卷繞式結(jié)構(gòu)的電池，從而提高了電池所能容許的最大放電電流，表4為不同容量的鋰離子二次電池在不同放電電流密度下的放電性能。
表4鋰離子二次電池在不同的放電電流密度下的放電性能(單位Ah) 由表4可見，不同容量的層疊式鋰離子二次電池的大電流放電性能良好，在1C倍率的大電流放電的情況下，其放電容量都能保持在0.1C倍率放電容量的73％以上。
5、高低溫下的工作性能大容量的鋰離子電池應(yīng)用環(huán)境廣泛，從炎熱的赤道到寒冷的南北極都有可能使用，而且其工作環(huán)境也復(fù)雜多變。因此我們考察研究了各電池的高低溫工作性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。
表5鋰離子二次電池高低溫環(huán)境下的放電性能(0.2C倍率，100％DOD放電，單位Ah) 表5為不同容量的方形層疊式鋰離子二次電池在0℃、25℃和60℃環(huán)境下的放電性能。由表5可見，在0℃-60℃的溫度范圍內(nèi)，方形層疊式鋰離子二次電池都能夠正常工作，0℃下的放電容量雖然最低，但是也能保持在25℃下放電容量的85％以上，即電池的高低溫工作性能良好。
權(quán)利要求1.一種鋰離子二次電池，其特征在于由電池極片、電解液及其電池殼構(gòu)成，電池殼內(nèi)方形電池極片層疊排布，電池極片間用隔膜相隔，電池極片兩端由不銹鋼板或銅板或鎳板聯(lián)接和固定，電解液基本充滿電池殼，隔膜采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜與聚丙烯膜疊層的隔膜。
專利摘要一種鋰離子二次電池,由電池極片、電解液及其電池殼構(gòu)成,電池殼內(nèi)方形電池極片層疊排布,電池極片間用隔膜相隔,電池極片兩端由不銹鋼板或銅板或鎳板聯(lián)接和固定,電解液基本充滿電池殼,隔膜采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜與聚丙烯膜疊層的隔膜,本實(shí)用新型電池的大電流充放電性能、高低溫工作性能、荷電保護(hù)性能良好。
文檔編號(hào)H01M10/36GK2433736SQ0022849
公開日2001年6月6日 申請(qǐng)日期2000年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月15日
發(fā)明者周震濤, 嚴(yán)燕, 黃靜, 劉澧浦 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)