本發(fā)明涉及鋰離子動(dòng)力電池，具體地，涉及一種高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

目前國(guó)內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)上銷售的純電動(dòng)汽車產(chǎn)品越來(lái)越豐富，但絕大多數(shù)純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程都在200公里以下，續(xù)航里程超過(guò)300公里的純電動(dòng)車屈指可數(shù)。鑒于動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵作用，國(guó)際上各發(fā)達(dá)國(guó)家都高度重視高比能動(dòng)力電池研發(fā)，并將2020年電池比能量發(fā)展目標(biāo)定為250-350Wh/kg。

從鋰離子動(dòng)力電池高比能、高安全性以及材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，采用高鎳三元NCM811和NCA為正極材料是今后的重要方向，但亟待改善快速衰減、倍率性能差等問(wèn)題。此外NCA材料存在易吸水、組分不穩(wěn)定及應(yīng)用難度大等不足；而NCM811材料存在倍率性能差、容量衰減快以及安全性低等主要問(wèn)題亟待解決。

在高比能電池負(fù)極材料方面，硅負(fù)極材料以其高理論容量(達(dá)4200mAh/g)、低成本等優(yōu)勢(shì)成為行業(yè)熱點(diǎn)。但該種材料在充放電循環(huán)過(guò)程的高體積膨脹效應(yīng)，使其循環(huán)壽命、倍率、低溫等特性受到影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池及其制備方法，通過(guò)該方法制得的高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池具有優(yōu)異的比能量、循環(huán)壽命、高低溫初始容量，并且該制備方法工藝簡(jiǎn)單、易操作進(jìn)而使得其易于產(chǎn)業(yè)化。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池的制備方法，包括：

1)將正極漿料涂覆于正極集流體的正反兩面，接著烘干、碾壓、分條、制片以制得正極片；

2)將負(fù)極漿料涂覆于負(fù)極集流體的正反兩面，接著烘干、碾壓、分條、制片以制得負(fù)極片；

3)將正極片、隔膜、負(fù)極片制成極組，然后將極組裝入鋼殼中并點(diǎn)底滾槽；

4)將電解液注入鋼殼中，接著點(diǎn)蓋、壓蓋、封口制作成電芯；

5)采用階梯電流對(duì)電芯進(jìn)行預(yù)化成以制得高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池；

其中，正極漿料含有正極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑且正極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的重量比為96.0-97.5：0.8-2.0：1.5-2.5，正極活性材料為摻雜改性的NCM811材料且滿足以下條件：克容量≥205mAh/g、粒徑分布D50為11-15μm、振實(shí)密度≥2.2g/cm³、比表面積為0.25-0.70m²/g；負(fù)極片的負(fù)極漿料含有負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑且負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的重量比為94.0-97.0：0.4-1.6：2.5-5，負(fù)極活性材料為高分子聚合物表面包覆的硅碳復(fù)合材料且滿足以下條件：克容量≥800mAh/g、振實(shí)密度≥0.8g/cm³、壓實(shí)密度≥1.2g/cm³、比表面積≤10m²/g。

本發(fā)明還提供了一種高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池，該高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池通過(guò)上述的制備方法制備而成。

通過(guò)上述技術(shù)方案，本發(fā)明通過(guò)采用優(yōu)化改性的正、負(fù)極活性材料，制備的鋰離子電池比能量可達(dá)300Wh/kg，循環(huán)壽命≥1500次，-20℃低溫放電容量≥71％初始容量，55℃高溫放電容量≥92％初始容量。同時(shí)，本發(fā)明通過(guò)將粉體材料預(yù)先混合攪拌，再捏合，最后分散均勻的方法，可以使不同材料組分混合更均勻，縮短混合時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。此外，本發(fā)明采用階梯電流預(yù)化成的方法，使極片表面形成的SEI膜更致密、穩(wěn)定。最后，本發(fā)明的工藝是在18650圓柱形成熟工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)良改進(jìn)，其工藝簡(jiǎn)單、易操作，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

附圖是用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是檢測(cè)例1中電池充放電循環(huán)曲線圖(0.2C充電/1C放電)；

圖2是檢測(cè)例1中電池在-20℃下低溫放電曲線圖；

圖3是檢測(cè)例1中電池在55℃下高溫放電曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供了一種高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池的制備方法，包括：

1)將正極漿料涂覆于正極集流體的正反兩面，接著烘干、碾壓、分條、制片以制得正極片；

2)將負(fù)極漿料涂覆于負(fù)極集流體的正反兩面，接著烘干、碾壓、分條、制片以制得負(fù)極片；

3)將正極片、隔膜、負(fù)極片制成極組，然后將極組裝入鋼殼中并點(diǎn)底滾槽；

4)將電解液注入鋼殼中，接著點(diǎn)蓋、壓蓋、封口制作成電芯；

5)采用階梯電流對(duì)電芯進(jìn)行預(yù)化成以制得高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池；

其中，正極漿料含有正極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑且正極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的重量比為96.0-97.5：0.8-2.0：1.5-2.5，正極活性材料為摻雜改性的NCM811材料且滿足以下條件：克容量≥205mAh/g、粒徑分布D50為11-15μm、振實(shí)密度≥2.2g/cm³、比表面積為0.25-0.70m²/g；負(fù)極片的負(fù)極漿料含有負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑且負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的重量比為94.0-97.0：0.4-1.6：2.5-5，負(fù)極活性材料為高分子聚合物表面包覆的硅碳復(fù)合材料且滿足以下條件：克容量≥800mAh/g、振實(shí)密度≥0.8g/cm³、壓實(shí)密度≥1.2g/cm³、比表面積≤10m²/g。

在本發(fā)明的正極漿料中，導(dǎo)電劑以及粘結(jié)劑的具體種類可以在寬的范圍選擇，但是為了使制得的鋰離子動(dòng)力電池具有更優(yōu)異的比能量、循環(huán)壽命、高低溫初始容量，優(yōu)選地，在正極漿料中，導(dǎo)電劑選自乙炔黑、Super-P、納米碳管、石墨烯中的至少兩種，粘結(jié)劑為聚偏二氟乙烯PVDF。

在本發(fā)明的負(fù)極漿料中，導(dǎo)電劑以及粘結(jié)劑的具體種類可以在寬的范圍選擇，但是為了使制得的鋰離子動(dòng)力電池具有更優(yōu)異的比能量、循環(huán)壽命、高低溫初始容量，優(yōu)選地，在負(fù)極漿料中，導(dǎo)電劑選自乙炔黑、Super-P、石墨導(dǎo)電劑KS中的至少兩種，粘結(jié)劑為聚丙烯酸PAA和/或丁苯橡膠中。

在本發(fā)明中，正極集流體以及負(fù)極集流體的具體種類可以在寬的范圍選擇，但是為了使制得的鋰離子動(dòng)力電池具有更優(yōu)異的比能量、循環(huán)壽命、高低溫初始容量，優(yōu)選地，正極集流體為厚度為10-16μm的鋁箔，負(fù)極集流體為7-11μm的銅箔。

在本發(fā)明中，正極片的壓實(shí)程度可以在寬的范圍選擇，但是為了使制得的鋰離子動(dòng)力電池具有更優(yōu)異的比能量、循環(huán)壽命、高低溫初始容量，優(yōu)選地，正極片滿足以下條件：壓實(shí)密度為3.3-3.5g/cm³，面密度為239-242g/cm²。

在本發(fā)明中，負(fù)極片的壓實(shí)程度可以在寬的范圍選擇，但是為了使制得的鋰離子動(dòng)力電池具有更優(yōu)異的比能量、循環(huán)壽命、高低溫初始容量，優(yōu)選地，負(fù)極片滿足以下條件：壓實(shí)密度為1.5-1.7g/cm³，面密度為67.5-71.0g/cm²。

在本發(fā)明中，正極漿料的制備方法可以在寬的范圍選擇，但是為了使制得的鋰離子動(dòng)力電池具有更優(yōu)異的比能量、循環(huán)壽命、高低溫初始容量，優(yōu)選地，在步驟1)之前，制備方法還包括：

a、在真空條件下，將正極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑于800-1200RPM的轉(zhuǎn)速下攪拌30-60min以制得正極合漿材料粉體；

b、在20-50℃的真空條件下，將有機(jī)溶劑與正極合漿材料粉體在1200-1500RPM的轉(zhuǎn)速下攪拌60-90min以制得正極合漿膏體1；

c、在20-50℃的真空條件下，將有機(jī)溶劑與正極合漿膏體1在1200-1500RPM的轉(zhuǎn)速下攪拌60-90min以制得正極合漿膏體2；

d、將有機(jī)溶劑分批次添加至正極合漿膏體2中，攪拌、過(guò)150目的篩網(wǎng)以得到正極漿料；

其中，相對(duì)于3重量份的正極合漿材料粉體，步驟b、步驟c、步驟d中的有機(jī)溶劑的總量為1.9-2.1重量份；步驟b、步驟c、步驟d中的有機(jī)溶劑的重量比為50-60：20-30：10-30。

在本發(fā)明中，負(fù)極漿料的制備方法可以在寬的范圍選擇，但是為了使制得的鋰離子動(dòng)力電池具有更優(yōu)異的比能量、循環(huán)壽命、高低溫初始容量，優(yōu)選地，在步驟2)之前，制備方法還包括：

a、在真空條件下，將負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑于800-1200RPM的轉(zhuǎn)速下攪拌30-60min以制得負(fù)極合漿材料粉體；

b、在20-50℃的真空條件下，將去離子水與負(fù)極合漿材料粉體在1200-1500RPM的轉(zhuǎn)速下攪拌60-90min以制得負(fù)極合漿膏體1；

c、在20-50℃的真空條件下，將去離子水與負(fù)極合漿膏體1在1200-1500RPM的轉(zhuǎn)速下攪拌60-90min以制得負(fù)極合漿膏體2；

d、將去離子水分批次添加至負(fù)極合漿膏體2中，攪拌、過(guò)120目的篩網(wǎng)以得到正極漿料；

其中，相對(duì)于1重量份的負(fù)極合漿材料粉體，步驟b、步驟c、步驟d中的去離子水的總量為1.2-1.4重量份；步驟b、步驟c、步驟d中的去離子水的重量比為50-60：20-30：10-30。

在本發(fā)明中，電解液以及隔膜的具體種類可以在寬的范圍選擇，但是為了使制得的鋰離子動(dòng)力電池具有更優(yōu)異的比能量、循環(huán)壽命、高低溫初始容量，優(yōu)選地，電解液含有LiPF₆碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)；隔膜為濕法同步雙拉的陶瓷隔膜。

在本發(fā)明中，預(yù)化成的具體步驟可以在寬的范圍選擇，但是為了使制得的鋰離子動(dòng)力電池具有更優(yōu)異的比能量、循環(huán)壽命、高低溫初始容量，優(yōu)選地，預(yù)化成包括以下步驟：

a、先用0.049-0.051C的電流恒流充電60-90min，或截止電壓為2.5V；

b、再用0.09-0.011C的電流恒流充電60-90min，或截止電壓為3.0V；

c、接著用0.019-0.021C的電流恒流充電60-90min，或截止電壓為3.7V；

d、最后用0.49-0.51C的電流恒流充電至4.2V，接著4.2V恒壓充至0.02C。

本發(fā)明還提供了一種高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池，該高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池通過(guò)上述的制備方法制備而成。

以下將通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

1)按以下步驟進(jìn)行正極片的制備：

a、按質(zhì)量分?jǐn)?shù)比稱取以下固體原材料：改性NCM811 96.4％、SP 1.0％、石墨烯0.6％、PVDF 5130 2.0％，并將各固體原材料放入120℃的真空烘箱中，混料240min，真空度≤-0.08MPa；再稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為以上四種原材料質(zhì)量總和的2/3的有機(jī)溶劑N-甲基吡咯烷酮NMP。

b、將改性NCM811、Super-P、石墨烯、PVDF 5130加入到真空攪拌機(jī)中，真空攪拌機(jī)自轉(zhuǎn)900RPM攪拌60min；接著加入60重量％的有機(jī)溶劑NMP，真空攪拌機(jī)自轉(zhuǎn)1500RPM攪拌90min，攪拌溫度控制在50℃以下；再加入30重量％的有機(jī)溶劑NMP，真空攪拌機(jī)自轉(zhuǎn)1500RPM攪拌90min，攪拌溫度控制在50℃以下；最后將剩余10重量％的有機(jī)溶劑NMP，分批加入，調(diào)試漿料的粘度，粘度范圍為3000-6000mPa·s。

c、將調(diào)試粘度后的漿料過(guò)150目的篩子，再將過(guò)篩后的正極漿料涂覆于厚度14μm鋁箔的正反兩面，烘干、碾壓、分條、制片，得到壓實(shí)密度為3.4g/cm³，面密度為241g/cm²的正極片。

2)按以下步驟進(jìn)行負(fù)極片的制備：

a、按質(zhì)量分?jǐn)?shù)比稱取以下固體原材料：改性硅碳合金材料95.0％、Super-P 0.5％、KS 0.5％、PAA 4.0％；再稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為以上四種原材料質(zhì)量總和的1.2倍的去離子水。

b、將改性硅碳復(fù)合材料、Super-P、KS、PAA加入到真空攪拌機(jī)中，真空攪拌機(jī)自轉(zhuǎn)900RPM攪拌60min；接著加入60重量％的去離子水，真空攪拌機(jī)自轉(zhuǎn)1500RPM攪拌90min，攪拌溫度控制在50℃以下；再加入30重量％的去離子水，真空攪拌機(jī)自轉(zhuǎn)1500RPM攪拌90min，攪拌溫度控制在50℃以下；最后將剩余10重量％的去離子水，分批加入，調(diào)試漿料的粘度，粘度范圍為2000-4000mPa·s。

c、將調(diào)試粘度后的漿料過(guò)120目的篩子，再將過(guò)篩后的負(fù)極漿料涂覆于厚度9μm銅箔的正反兩面，烘干、碾壓、分條、制片，得到壓實(shí)密度為1.6g/cm³，面密度為69.0g/cm²的負(fù)極片。

3)入殼注液：

將正極片按照長(zhǎng)為708mm、寬為57.5mm，負(fù)極片按照長(zhǎng)為774mm、寬為59mm的電池工藝裁片，然后按照正極片、隔膜、負(fù)極片的方式進(jìn)行卷繞，裝入18650鋼殼中，點(diǎn)底滾槽；最后注入電解液，點(diǎn)蓋，壓蓋，封口。

4)電池預(yù)化成

a、先用0.05C的電流恒流充電60-90min，或截止電壓2.5V；

b、用0.1C的電流恒流充電60-90min，或截止電壓3.0V；

c、用0.2C的電流恒流充電60-90min，或截止電壓3.7V；

d、最后用0.5C的電流恒流充電至4.2V，4.2V恒壓充至0.02C。

預(yù)化成完成后，將電池常溫?cái)R置7天后，分容，入庫(kù)。

檢測(cè)例1

1)將實(shí)施例1中制得的電池進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示電池容量為3.8Ah，重量為46.12g，比能量為304.8Wh/kg。

2)將實(shí)施例1中制得的電池進(jìn)行充放電循環(huán)檢測(cè)(0.2C充電/1C放電)，結(jié)果見(jiàn)圖1(橫坐標(biāo)為循環(huán)次數(shù)，縱坐標(biāo)為容量保持率(％))。

3)檢測(cè)實(shí)施例1中制得的電池在-20℃低溫放電容量，結(jié)果見(jiàn)圖2(橫坐標(biāo)為占1C放電初始容量比(％)，縱坐標(biāo)為電壓(mV))。

4)檢測(cè)實(shí)施例1中制得的電池在55℃高溫放電容量，參照?qǐng)D3(橫坐標(biāo)為占1C放電初始容量比(％)，縱坐標(biāo)為電壓(mV))。

由1-3可知，本發(fā)明制得的電池具有以下性能：循環(huán)壽命≥1500次，-20℃低溫放電容量≥71％初始容量，55℃高溫放電容量≥92％初始容量。

實(shí)施例2

按照實(shí)施例1的方法制備高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池，所不同的是正極合漿材料的組分以及質(zhì)量比為：改性NCM811 96.0％、SP 1.0％、石墨烯1.0％、PVDF 5130 2.0％，負(fù)極合漿材料的組分以及質(zhì)量比為：改性硅碳復(fù)合材料95.0％、SP 0.5％、KS 0.5％、PAA 2.0％、丁苯橡膠2.0％；正極片的壓實(shí)密度為3.37g/cm³，面密度為240.6g/cm²；負(fù)極片的壓實(shí)密度為1.58g/cm³，面密度為68.7g/cm²。

檢測(cè)顯示本案例制備的電池滿足以下性能：電池容量為3.8Ah，重量為46.70g，比能量為301.1Wh/kg。同時(shí)，本案例制備的電池也具有以下性能：循環(huán)壽命≥1500次，-20℃低溫放電容量≥71％初始容量，55℃高溫放電容量≥92％初始容量。

實(shí)施例3

按照實(shí)施例1的方法制備高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池，所不同的是正極合漿材料的組分以及質(zhì)量比為：改性NCM811 96.5％、乙炔黑0.5％、納米碳管0.5％、石墨烯0.5％、PVDF 5130 2.0％，負(fù)極合漿材料的組分以及質(zhì)量比為：改性硅碳復(fù)合材料95.5％、乙炔黑0.5％、KS 0.5％、PAA 2.0％、丁苯橡膠2.0％；正極片的壓實(shí)密度為3.42g/cm³，面密度為241.4g/cm²；負(fù)極片的壓實(shí)密度為1.62g/cm³，面密度為69.3g/cm²。

檢測(cè)顯示本案例制備的電池滿足以下性能：電池容量為3.8Ah，重量為45.80g，比能量為307.0Wh/kg。同時(shí)，本案例制備的電池也具有以下性能：循環(huán)壽命≥1500次，-20℃低溫放電容量≥71％初始容量，55℃高溫放電容量≥92％初始容量。

實(shí)施例4

按照實(shí)施例1的方法制備高循環(huán)高比能鋰離子動(dòng)力電池，所不同的是正極合漿材料的組分以及質(zhì)量比為：改性NCM811 96.5％、SP 1.0％、納米碳管1.0％、PVDF 5130 2.0％，負(fù)極合漿材料的組分以及質(zhì)量比為：改性硅碳復(fù)合材料95.3％、乙炔黑0.6％、KS 0.6％、PAA 1.5％、丁苯橡膠2.5％；正極片的壓實(shí)密度為3.40g/cm³，面密度為241.5g/cm²；負(fù)極片的壓實(shí)密度為1.61g/cm³，面密度為69.4g/cm²。

檢測(cè)顯示本案例制備的電池滿足以下性能：電池容量為3.8Ah，重量為45.77g，比能量為307.2Wh/kg。同時(shí)，本案例制備的電池也具有以下性能：循環(huán)壽命≥1500次，-20℃低溫放電容量≥71％初始容量，55℃高溫放電容量≥92％初始容量。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

另外需要說(shuō)明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。