一种高功率大容量锂离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高功率大容量锂离子电池及其制备方法，该锂离子电池通过改变现有锂离子电池中电极片的结构和集流体的放置位置，将电极材料层设于两层集流体之间构成电极片，且正负集流体分别位于隔膜两侧，而不是位于电极材料层的内部，这种结构使得电池电极层靠近多孔集流体的反应区域，总是存在一个低内阻区域，因此电池可以满足瞬时大功率工作的要求，同时，可以大大增加电极层的厚度，满足电池大容量的要求，从而有效解决了电池容量增加而导致电池瞬时功率下降的矛盾；同时电极层与隔膜之间设有多孔集流体，避免电极材料层与隔膜的直接接触，降低正负极活性颗粒及纳米导电层进入隔膜内发生内部短路的风险，提高了电池的安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及动力电池
，特别涉及一种高功率大容量锂离子二次电池。
技术介绍
锂离子电池是以嵌锂化合物作为正负极材料的新型高能电池，与铅酸电池、镍氢电池相比具有比能量高、电压高、自放电小、循环性能好和寿命长等一系列的优点，越来越受到人们的关注。近年来，锂离子电池技术取得了快速发展，已开始应用于电动汽车中。为了提高电动汽车的行驶能力，锂离子电池作为电动汽车的动力源，对其单位体积储电容量和瞬时高功率输出要求很高。例如，动力电池单位体积的储电容量越高，电动汽车的续航能力就越大；同时，动力电池的瞬时高功率输出能力越大，电动汽车在启动、加速、爬坡等情况下的行驶状态就越好。现有动力锂离子电池的电极材料层位于集流体和隔膜层之间(如图1所示)，当电极层越薄时，电池内阻越小，瞬时倍率特性和常态倍率特性越高，但电极材料层太薄又会降低电池的储电容量。因此，现有的动力锂离子电池结构设计难以同时兼顾电池的瞬时高功率输出和大容量储电的需求。
技术实现思路
为了解决现有锂离子动力电池中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种高功率大容量锂离子电池及其制备方法，该锂离子电池通过改变现有锂离子电池中电极片的结构和集流体的放置位置，将电极材料层设于两层集流体之间构成电极片，且正负集流体分别位于隔膜两侧，这种结构使得电池内阻不会因为电极材料层厚度的增加而增加，能够构成同时具有高功率、大容量的锂离子电池。本专利技术采用以下技术方案：一种高功率大容量锂离子电池，包括正极材料层、负极材料层、多孔正极集流体、多孔负极集流体、隔膜；其特征在于：所述正极材料层位于多孔正极集流体的一侧构成多孔集流正极层，两个所述多孔集流正极层按照正极材料层与正极材料层相对放置的顺序组成一个正极片，正极片的两层正极材料层之间设有50～3000nm厚度的纳米导电层；所述负极材料层位于多孔负极集流体的一侧构成多孔集流负极层，两个所述多孔集流负极层按照负极材料层与负极材料层相对放置的顺序组成一个负极片，负极片的两层负极材料层之间设有50～3000nm厚度的纳米导电层；若干个所述正极片、隔膜和负极片依次紧密接触相互叠加构成层叠结构锂离子电池的电芯，或者所述正极片、隔膜和负极片通过卷绕方式构成卷绕结构锂离子电池的电芯；所述正极材料层厚为200～1000μm，负极材料层厚为100～800μm。本专利技术锂离子电池集流体位于隔膜的两侧，而不是位于电极层的内部，这种结构电池在靠近多孔集流体的反应区域，总是存在一个低内阻区域，因此电池内阻与电极材料层的厚度关系不大，使得电池电极材料层的厚度可以灵活设计而不会增加电池的极化内阻，从而解决了电池容量增加而导致电池功率下降的矛盾。本专利技术中，电极片由两个多孔集流电极层按照电极材料层与电极材料层相对放置的顺序组成的，为了提高电极材料层的导电性，优选的，在电极片的两层电极材料层中间设有纳米导电层，所述纳米导电层优选为碳颗粒或无定型碳薄膜，颗粒平均粒径为50～1000nm。现有锂离子电池的电极材料层与多孔隔膜直接接触，在电极材料层表面喷涂导电剂层虽然能够大幅度提高电极材料层的导电性，但是由于导电剂颗粒尺寸较小，很容易进入隔膜的孔隙内造成电池内部短路。本专利技术锂离子电池结构中，隔膜与电极片的多孔集流体侧相接触，电极材料层表面的纳米导电层并不与隔膜直接接触，这样既提高了电极材料层的导电性，同时提高了电池的安全性。进一步，所述电芯置于电池壳内，并注入电解液，在惰性气体氛围下完成化成及封装后制得高功率大容量锂离子电池。所述电解液为将锂盐溶解在锂盐溶剂中，所述锂盐溶剂为碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)的混合溶剂，其中DEC含量为40～55wt％，EC含量为15～40wt％，PC含量为5～15wt％，锂离子浓度为0.8～1.5mol/L；所述锂盐溶剂中还添加有碳酸亚乙烯酯(VC)和苯砜(PS)添加剂，所述VC添加剂含量为锂盐溶剂的0.5～2.0wt％，所述PS添加剂含量为锂盐溶剂的1.0～4.0wt％。所述正极材料层为正极活性材料:导电剂:粘结剂按照质量比为59～98％:1～40％:1～10％混合均匀，并涂覆在多孔正极集流体的一侧干燥烘干压片制得；所述负极材料层为负极活性材料:导电剂:粘结剂按照质量比为75～99％:0.5～15％:1～10％混合均匀，并涂覆在多孔负极集流体的一侧并干燥烘干压片制得。进一步，所述正极活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物以及其它可脱嵌锂化合物中的一种或多种。所述负极活性材料为锂合金或能够可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物(Li4Ti5O12)、锂硅氧化物、金属锂和石墨中的一种或多种。所述粘合剂为聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、淀粉、羟甲基纤维素、再生纤维素、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯三元乙丙橡胶、丁苯橡胶、氟橡胶、环氧树脂、酚醛树脂及各类合成绝缘粘合剂材料的一种或几种混合物。所述的导电剂为导电炭黑、导电碳纤维、科琴黑、导电石墨、碳纳米管、SP-Li、VGCF、金属颗粒中的一种或几种的混合物。所述多孔正极集流体和多孔负极集流体为锂离子和电子均可自由通过的离子/电子混合导电层，其厚度为0.01～10μm。进一步，所述的多孔正极集流体为导电填料与粘结剂的混合物，其中，导电填料为钛粉、铝粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％。或者，所述多孔正极集流体为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为铝、合金铝、不锈钢、银、锡或钛，优选为铝。或者，所述多孔正极集流体为碳纤维导电布、金属丝与有机纤维丝混合导电布、表面涂覆导电碳材料涂层或者镀有金属薄膜的多孔有机材料，所述多孔有机材料包括天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐电解液性能良好的有机物。或者，所述多孔正极集流体为添加有上述导电填料的聚合物电解质层，所述聚合物电解质层为聚合物基体、液体有机增塑剂和锂盐三部分复合构成的凝胶聚合物电解质复合材料。或者，所述多孔正极集流体为上述几种集流体中的任意两种或几种所组成的复合集流体。进一步，所述的多孔负极集流体为导电填料与粘结剂多孔混合物，其中，导电填料为钛粉、铜粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％。或者，所述多孔负极集流体为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔金属板或金属箔经机械冲压或化学腐蚀而成，金属导电层的材质为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率大容量锂离子电池，包括正极材料层、负极材料层、多孔正极集流体、多孔负极集流体、隔膜；其特征在于：所述正极材料层位于多孔正极集流体的一侧构成多孔集流正极层，两个所述多孔集流正极层按照正极材料层与正极材料层相对放置的顺序组成一个正极片，正极片的两层正极材料层之间设有50～3000nm厚度的纳米导电层；所述负极材料层位于多孔负极集流体的一侧构成多孔集流负极层，两个所述多孔集流负极层按照负极材料层与负极材料层相对放置的顺序组成一个负极片，负极片的两层负极材料层之间设有50～3000nm厚度的纳米导电层；若干个所述正极片、隔膜和负极片依次紧密接触相互叠加构成层叠结构锂离子电池的电芯，或者所述正极片、隔膜和负极片通过卷绕方式构成卷绕结构锂离子电池的电芯；所述正极材料层厚为200～1000μm，负极材料层厚为100～800μm。

【技术特征摘要】
1.一种高功率大容量锂离子电池，包括正极材料层、负极材料层、多孔正极集流体、多孔负极集流体、隔膜；其特征在于：所述正极材料层位于多孔正极集流体的一侧构成多孔集流正极层，两个所述多孔集流正极层按照正极材料层与正极材料层相对放置的顺序组成一个正极片，正极片的两层正极材料层之间设有50～3000nm厚度的纳米导电层；所述负极材料层位于多孔负极集流体的一侧构成多孔集流负极层，两个所述多孔集流负极层按照负极材料层与负极材料层相对放置的顺序组成一个负极片，负极片的两层负极材料层之间设有50～3000nm厚度的纳米导电层；若干个所述正极片、隔膜和负极片依次紧密接触相互叠加构成层叠结构锂离子电池的电芯，或者所述正极片、隔膜和负极片通过卷绕方式构成卷绕结构锂离子电池的电芯；所述正极材料层厚为200～1000μm，负极材料层厚为100～800μm。2.如权利要求1所示的高功率大容量锂离子电池，其特征在于：所述电芯置于电池壳内，并注入电解液，在惰性气体氛围下完成化成及封装后制得高功率大容量锂离子电池；所述电解液为将锂盐溶解在锂盐溶剂中，所述锂盐溶剂为碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)的混合溶剂，其中DEC含量为40～55wt％，EC含量为15～40wt％，PC含量为5～15wt％，锂离子浓度为0.8～1.5mol/L；所述锂盐溶剂中还添加有碳酸亚乙烯酯(VC)和苯砜(PS)添加剂，所述VC添加剂含量为锂盐溶剂的0.5～2.0wt％，所述PS添加剂含量为锂盐溶剂的1.0～4.0wt％。3.如权利要求1所示的高功率大容量锂离子电池，其特征在于：所述正极材料层为正极活性材料:导电剂:粘结剂按照质量比为59～98％:1～40％:1～10％混合均匀，并涂覆在多孔正极集流体的一侧干燥烘干压片制得；所述负极材料层为负极活性材料:导电剂:粘结剂按照质量比为75～99％:0.5～15％:1～10％混合均匀，并涂覆在多孔负极集流体的一侧并干燥烘干压片制得。4.如权利要求3所示的高功率大容量锂离子电池，其特征在于：所述正极活性材料为磷酸铁锂、磷酸锰锂、硅酸锂、硅酸铁锂、硫酸盐化合物、钛硫化合物、钼硫化合物、铁硫化合物、掺杂锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂钛氧化物、锂钒氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂镍铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂铁镍锰氧化物以及其它可脱嵌锂化合物中的一种或多种；所述负极活性材料为锂合金或能够可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物(Li4Ti5O12)、锂硅氧化物、金属锂和石墨中的一种或多种。5.如权利要求3所示的高功率大容量锂离子电池，其特征在于：所述导电剂为导电炭黑、导电碳纤维、科琴黑、导电石墨、碳纳米管、SP-Li、VGCF、金属颗粒中的一种或几种的混合物。6.如权利要求1所示的高功率大容量锂离子电池，其特征在于：所述多孔正极集流体和多孔负极集流体为锂离子和电子均可自由通过的离子/电子混合导电层，其厚度为0.01～10μm；所述多孔正极集流体为导电填料与粘结剂的混合物，其中，导电填料为钛粉、铝粉、银粉、富锂硅粉、含锂合金粉类金属合金导电颗粒，或者是含锂碳材料中的一种或几种，导电填料的质量分数不小于70％；或者，所述多孔正极集流体为具有多孔结构的金属导电层，金属导电层为金属丝或表面附有导电碳材料涂层的金属丝编织而成，网孔为方形、菱形、长方形或多边形等；或者，所述金属导电层为具有多孔结构的多孔泡沫金属层，或者为多孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永翀，张晓虎，何颖源，张艳萍，张萍，
申请(专利权)人：北京好风光储能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11