基于高鎳三元材料的高比能量高安全性鋰離子動(dòng)力電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于鋰電池領(lǐng)域，涉及鋰離子動(dòng)力電池，尤其涉及一種基于高鎳三元正極 材料的、高比能量高安全性鋰離子動(dòng)力電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為破解能源、環(huán)境問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)新一輪經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的突破口，世界上的主要國(guó)家將 新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。動(dòng)力電池是新能源汽車的核心零部件，直接決定 整車的性能。鋰離子動(dòng)力電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，已經(jīng)在電動(dòng)汽車中得到 規(guī)模應(yīng)用?；谛袠I(yè)內(nèi)對(duì)鋰離子電池技術(shù)進(jìn)步的預(yù)期，其應(yīng)用規(guī)模將快速增長(zhǎng)，在未來(lái)10~ 20年內(nèi)將占據(jù)主導(dǎo)地位。
[0003] 目前車用鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)品的能量密度普遍分布在120~180Wh/kg范圍內(nèi)，為 進(jìn)一步滿足純電動(dòng)汽車長(zhǎng)里程需求，如何提升電池能量密度成為政府和各大公司面臨的難 題。根據(jù)我國(guó)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃2012~2020》中有關(guān)高比能鋰離子電池產(chǎn)品 指標(biāo)規(guī)劃，至2015年，單體電池能量密度要求達(dá)到200Wh/kg，至2020年，單體電池能量密度 要求達(dá)到350Wh/kg。我國(guó)前期的車用鋰離子動(dòng)力電池主要采用磷酸鐵鋰電池，理論克容量 只有170mAh/g，工作電壓為3.20V，而LiNi xCoyMn1-X-y〇2三元材料理論克容量可以達(dá)到 278mAh/g，工作電壓為3.65V，磷酸鐵鋰電池的能量密度最高僅可以到130Wh/kg，但是三元 材料電池能夠做到150Wh/kg以上。以LiNi xCoyMn1-X-y〇2三元材料為例，其實(shí)際克容量發(fā)揮主 要依賴與材料中Ni含量的多少，如LiNio.5Coo.2Mno.3O2三元材料實(shí)際克容量約170mAh/g，而 LiNio.8Coo.iMno.i02高鎳三元材料實(shí)際克容量則可以達(dá)到200mAh/g。然而，隨著 LiNixC〇yMm-x-y〇2中鎳含量的增加，又會(huì)帶來(lái)多種負(fù)效應(yīng)，如Sun Yang-Kook等報(bào)道(Journal of Power Sources，2013,233,121-130)，高鎳三元材料的熱穩(wěn)定變得更差，由此將帶來(lái)電 池的安全性問(wèn)題。這也限制了高鎳三元正極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用以及更高能量密度 鋰咼子動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)。
[0004] 而對(duì)于汽車用動(dòng)力源而言，動(dòng)力電池的安全問(wèn)題首當(dāng)其沖。如果能針對(duì)高鎳材料 在鋰離子動(dòng)力電池所帶來(lái)的安全問(wèn)題，找到一種合理的解決方案，這將對(duì)于基于高鎳三元 材料的高比能量三元鋰離子動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車上的推廣應(yīng)用具有重要的意義。
[0005] 在公開(kāi)號(hào)CN102544436A的中國(guó)專利申請(qǐng)中，王宗雄等人公開(kāi)了正極材料結(jié)構(gòu)及其 制備方法，正極材料結(jié)構(gòu)包括正極活性材料主體以及包覆其上的含骨架含氮高分子聚合物 和納米導(dǎo)電材料復(fù)合膜，通過(guò)將納米導(dǎo)電材料和正極活性材料分別加入含骨架含氮高分子 聚合物單體的反應(yīng)溶液中反應(yīng)，得到改質(zhì)型正極材料，其后通過(guò)本領(lǐng)域周知的方法組裝制 備出鋰離子電池，制備得到的電池具有很好的安全性能。在公開(kāi)號(hào)CN103050706A的中國(guó)專 利申請(qǐng)中，朱政首先將氨基氰和三聚氰胺與馬來(lái)酰亞胺在NMP中高溫反應(yīng)得到含氨基氰改 性的馬來(lái)酰亞胺添加劑溶液，其后將常規(guī)正極漿料制備好后再加入到該溶液，組裝制備出 鋰離子電池，電池具有很好的安全性能。但以上專利電池制備過(guò)程復(fù)雜，大大增加了電池的 成本。
[0006] 因此，迫切需要尋找一種兼具高安全性和高比能量的鋰離子動(dòng)力電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的是一種高安全的基于高鎳三元材料的高比能量鋰離子動(dòng)力電池，以解 決現(xiàn)有電動(dòng)汽車對(duì)高安全的高比能量鋰離子動(dòng)力電池的需求。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0009] 一種鋰離子動(dòng)力電池，包括正極極片、負(fù)極極片和隔膜，正極極片由正極集流體和 涂覆在正極集流體上的正極材料構(gòu)成，負(fù)極極片由負(fù)極集流體和涂覆在負(fù)極集流體上的負(fù) 極材料構(gòu)成。正極極片上的正極材料由正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和安全添加劑組成， 其中，所述正極活性物質(zhì)為高鎳三元材料LiNi xCoyMni-X-y〇2,其中0.8 < X < 0.9，y 2 0.05，x+y < 1;優(yōu)選地，0.8<x<0.9,0.05<y <0.1，x+y < 1;更優(yōu)選地，0.85<x<0.9,0.05<y< 0.1，x+y < 1;最優(yōu)選地，0.85<x<0.9,0.05<y<0.1，x+y <0.95。
[0010] 有利地，高鎳三元材料LiNixCoyMmtyO 2的D5q為8~15μπι，表面積為0.2~0.6m2/g， 振實(shí)密度為2 2.0g/cm3;
[0011] 根據(jù)前述的鋰離子動(dòng)力電池，其中，所述安全添加劑為雙馬來(lái)酰亞胺聚合物粉末， 由雙馬來(lái)酰亞胺和巴比妥酸或其衍生物聚合反應(yīng)而成，數(shù)均分子量為100000-500000,優(yōu)選 地，數(shù)均分子量為200000-500000，更優(yōu)選地，數(shù)均分子量為300000-500000。
[0012] 所述雙馬來(lái)酰亞胺的實(shí)例包括，但不限于，N，N'_乙烯-雙馬來(lái)酰亞胺、N，N'_丁烯-雙馬來(lái)酰亞胺、N，N'_六亞甲基-雙馬來(lái)酰亞胺、N，N'_苯撐-雙馬來(lái)酰亞胺、N，N'-4,4'_二苯 基甲烷-雙馬來(lái)酰亞胺、N，N'-4,4'_二苯醚-雙馬來(lái)酰亞胺、N，N'-4,4'_二苯砜-雙馬來(lái)酰亞 胺、^-4,4'-二環(huán)己基甲烷-雙馬來(lái)酰亞胺、^-苯甲二基-雙馬來(lái)酰亞胺和叱1^-二苯 基環(huán)己烷-雙馬來(lái)酰亞胺。所述巴比妥酸或其衍生物如下式所示：
[0013]
[0014] 其中，RjPR2各自獨(dú)立地為H、&-20烷基或C5-12芳基。當(dāng)RjPR 2均為H時(shí)，即為巴比妥 酸。
[0015] 有利地，聚合物粉末在使用時(shí)需要將粉末溶于NMP中形成1-20 %的溶液，使用時(shí)， 先將正極活性材料在溶液中分散，其后再加入導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑制備得到正極漿料。
[0016] 根據(jù)前述的鋰離子動(dòng)力電池，其中，所述正極材料的正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié) 劑和安全添加劑的重量配比為(88~95):(1~4.5): (3~6) :(0.5~4.5)。優(yōu)選地，所述正極 材料的正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和安全添加劑的重量配比為(90~95): (1~4.5): (3 ~4):(3~4.5)〇
[0017] 根據(jù)前述的鋰離子動(dòng)力電池，其中，所述負(fù)極極片上的負(fù)極材料由負(fù)極活性物質(zhì)、 導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑組成。
[0018] 根據(jù)前述的鋰離子動(dòng)力電池，其中，所述負(fù)極材料的負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié) 劑的重量配比為(90~96):(0.5~2):(3.5~8)。優(yōu)選地，所述負(fù)極材料的負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo) 電劑、粘結(jié)劑的重量配比為(93~96) :(0.5~2) :(3.5~5)。
[0019]根據(jù)前述的鋰離子動(dòng)力電池，其中，所述負(fù)極活性物質(zhì)為人造石墨。
[0020] 有利地，人造石墨為高容量人造石墨，D5q為15_25μπι，表面積為2~5m 2/g，振實(shí)密度 為0·8~1·2g/cm3〇
[0021] 根據(jù)前述的鋰離子動(dòng)力電池，其中，所述正極或負(fù)極材料的導(dǎo)電劑相同或不同，選 自導(dǎo)電炭黑、導(dǎo)電石墨、VGCF、CNT、石墨稀中的一種或幾種的組合。
[0022] 根據(jù)前述的鋰離子動(dòng)力電池，其中，所述正極或負(fù)極材料的粘結(jié)劑為PVDF。
[0023] 根據(jù)前述的鋰離子動(dòng)力電池，其中，所述隔膜為耐高溫陶瓷隔膜。
[0024]根據(jù)前述的鋰離子動(dòng)力電池，其中，所述耐高溫陶瓷隔膜為10~25μπι PE或PP基膜 上涂覆一面或兩面的2~5μηι氧化錯(cuò)涂層。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于采用高鎳三元材料LiNixCoyMni-X-y〇2(0.8 < X < 0.9，y 2 0.05，x+y < I)作為正極活性材料，所制備的鋰離子動(dòng)力電池的克容量達(dá)到200mAh/g，電 池能量密度大于200Wh/kg。同時(shí)通過(guò)安全添加劑的引入和使用耐高溫的陶瓷隔膜，在制備 得到高能量密度的鋰離子動(dòng)力電池的同時(shí)保證了電池的安全性。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述
[0027] 在本發(fā)明中，若非特指，所有百分比均為重量單位，所有設(shè)備和原料均可從市場(chǎng)購(gòu) 得或是本行業(yè)常用的，下述實(shí)施例中的方法，如無(wú)特別說(shuō)明，均為本領(lǐng)域常規(guī)方法。
[0028] 實(shí)施例1
[0029] 雙馬來(lái)酰亞胺聚合物粉末的合成:將N，N'_六亞甲基-雙馬來(lái)酰亞胺與巴比妥酸按 照摩爾比1:1反應(yīng)，經(jīng)離心、洗滌、干燥工序后，得到上述雙馬來(lái)酰亞胺聚合物粉末。
[0030] 制作正、負(fù)極極片:將0.5%的數(shù)均分子量為100000的雙馬來(lái)酰亞胺聚合物安全添 加劑溶于NMP，形成含安全添加劑為1 % NMP溶液，再將8 8 %的高鎳三元材料 1^附〇.8(：〇().道11().1〇2均勻分散于匪?溶液中，其后，加入4%的導(dǎo)電劑(2%導(dǎo)電炭黑+2%導(dǎo)電 石墨）、6%的PVDF粘結(jié)劑攪拌分散均勻制備得到正極漿料，將正極漿料涂覆于正極集流體 上后將經(jīng)干燥、輥壓、裁切得到正極極片；將90%的人造石墨、2%的導(dǎo)電劑（1 %導(dǎo)電炭黑+ 1%導(dǎo)電石墨）、8%的PVDF粘結(jié)劑均勻分散于匪P中得到負(fù)極漿料，將負(fù)極漿料涂覆于負(fù)極 集流體上后將經(jīng)干燥、輥壓、裁切得到負(fù)極極片；
[0031] 電芯組裝：按負(fù)極極片、耐高溫陶瓷隔膜、正極極片依次疊放制成電芯，電芯兩側(cè) 最外層為負(fù)極極片;其后，經(jīng)焊接、熱封得到單側(cè)開(kāi)口的包裝電芯；
[0032] 注液與化成:將電解液從開(kāi)口的一側(cè)注入包裝電芯中，再進(jìn)行抽真空封口；將電池 進(jìn)行擱置、預(yù)充、二封、化成、分容后，得到容量為22Ah的鋰離子動(dòng)力電池。
[0033] 實(shí)施例2
[0034]制作正、負(fù)極極片:將4.5 %的數(shù)均分子量為500000的雙馬來(lái)酰亞胺聚合物安全添 加劑溶于匪P，形成含安全添加劑為20 % NMP溶液，再將95