專利名稱：鋰離子動(dòng)力電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及二次電池，更詳細(xì)地是為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力源的鋰離子動(dòng)力電池。
隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高漲，研制和開發(fā)電動(dòng)汽車成為大勢所趨。但是盡管電動(dòng)汽車與燃油汽車相比，具有無污染、能源轉(zhuǎn)化率高、可以利用多種能源的等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前汽車發(fā)展的方向。然而由于現(xiàn)在的電動(dòng)汽車存在著加速性能差、一次充電行駛距離短、充電時(shí)間過長，再加上價(jià)格比較貴，從而限制了電動(dòng)汽車與燃油汽車的競爭能力和自身的發(fā)展。這些問題存在的根源就在于目前作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源的動(dòng)力電池主要是鉛酸電池、鎳氫電池等，這些動(dòng)力電池普遍存在著比能量低、比功率小、循環(huán)壽命短以及價(jià)格昂貴等問題，使現(xiàn)在的電動(dòng)汽車加速性能差、一次充電行駛距離短，從而限制了電動(dòng)汽車與燃油汽車的競爭能力及其它自身的發(fā)展?？梢?，困擾當(dāng)前電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素并不是電動(dòng)汽車本身，而是動(dòng)力電池，因此要發(fā)展電動(dòng)汽車，首先要解決的問題就是開發(fā)出高性能的動(dòng)力電池，即為電動(dòng)汽車尋求高比能量、高比功率、能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境、長循環(huán)壽命、低自放電率、能夠大電流充放電、安全可靠、價(jià)格低廉的新型高效電源。
鋰離子電池是90年代脫穎而出的新一代化學(xué)電源，由于其具有優(yōu)良的電性能和無污染的特性，成為多種先進(jìn)的便攜式電子產(chǎn)品的理想配套電源，大容量的鋰離子電池的研究起源于1995年左右，主要應(yīng)用于航天航空和電動(dòng)汽車用。
現(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，不利于大容量的鋰離子電池在大電流充放電時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量的排散，降低和限制了電池容許的最大充放電電流。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)力電池時(shí))，采用這種卷繞式結(jié)構(gòu)的電池要求電池的極片必須非常長，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)的電池極片的極耳是焊接在極片上的，極片過長，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，大容量的鋰離子動(dòng)力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針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供一種鋰離子動(dòng)力電池，采用方形層疊式的電池結(jié)構(gòu)，避免了大容量卷繞式結(jié)構(gòu)的鋰離子二次電池在極片過長時(shí)出現(xiàn)的種種問題，使電池的散熱性能、大電流充放電性能更好。
本實(shí)用新型的鋰離子動(dòng)力電池由電池極片、電解液及其電池殼構(gòu)成，電池殼內(nèi)方形的電池極片層疊排布，電池極片間用隔膜相隔，電池極片兩端由不銹鋼板或鎳板或銅板聯(lián)接和固定，電解液基本充滿電池殼的空間，隔膜采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜與聚丙烯膜疊層。
本實(shí)用新型鋰離子動(dòng)力電池的工作原理如下鋰離子動(dòng)力電池以高電位的過渡金屬氧化物為正極，貯鋰碳材料為負(fù)極，通過鋰離子在正、負(fù)極之間的嵌、脫來實(shí)現(xiàn)電能的貯存和釋放。其基本反應(yīng)如下其中MCo，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。
電池的裝配用聚丙烯隔膜或聚丙烯和聚乙烯疊層隔膜將電池正、負(fù)極極片隔開并對齊，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、銅板或鎳板加不銹鋼釘或銅釘或鎳釘?shù)裙潭ǎ挪颊R的正、負(fù)極的極耳也分別用不銹鋼片或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)，在干燥箱中注入電解液，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，具有如下的優(yōu)點(diǎn)1、重量比能量和能量密度較高，分別可以達(dá)到107.4Wh/kg和185.1Wh/L，已經(jīng)可以達(dá)到USABC組織(美國先進(jìn)電池聯(lián)合體組織)要求的動(dòng)力電池的能量密度和重量比能量達(dá)到135Wh/L和80-100Wh/kg的動(dòng)力電池的中期開發(fā)目標(biāo)。
2、大電流放電性能良好，其在1C倍率放電電流密度下的放電容量保持在0.1C倍率的73％以上。
3、高、低溫工作性能良好，在0-60℃的溫度范圍內(nèi)都能正常工作，0℃環(huán)境下的放電容量達(dá)到其室溫下95％以上。
4、耐過充過放電性能良好，在2.5-4.3V的過充過放電區(qū)間下電池仍能夠正常工作，充放電效率維持在89％以上。
5、自放電率低，荷電保持性能良好，放置一個(gè)月后，其能量保持率仍在87％以上。


圖1是本實(shí)用新型鋰離子動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中電池極片形狀示意圖。
下面通過實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)用新型的鋰離子動(dòng)力電池由電池極片1、電解液2及其電池殼3構(gòu)成，電池殼3內(nèi)方形的電池極片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鎳板或銅板5和銅釘或不銹鋼或鎳釘6聯(lián)接和固定，電解液2基本充滿電池殼的空間，隔膜4采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜與聚丙烯膜疊層。
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25Ah(安時(shí))鋰離子動(dòng)力電池為例正極極片的制備將120gLiMnO2、5.4g乙炔黑、175ml的PVDF溶液(30gPVDF溶解于400ml的二甲基乙酰胺中制得)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℃下真空干燥，去除溶劑后，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7.2×5.4cm，共50片。
負(fù)極極片的制備將60g石墨、1.5g乙炔黑、150ml的PVDF溶液(30gPVDF溶解于400ml的二甲基乙酰胺中制得)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℃下真空干燥，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7.2×5.4cm，共50片。
電池的裝配將上述的正、負(fù)極極片各50片以聚丙烯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鎳板和鎳釘固定，各電極極片的極耳也用鎳片和鎳釘緊固后連接外導(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250Ah鋰離子動(dòng)力電池極片尺寸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；正極活性物質(zhì)采用LiCoO2，負(fù)極活性物質(zhì)采用MCMB，電解液、隔膜等同實(shí)施例1。
實(shí)施例3實(shí)施例1和2的25Ah、50Ah的鋰離子動(dòng)力電池的性能測試結(jié)果1．重量比能量和能量密度汽車的空間與重量都有限，電動(dòng)汽車處于與燃油汽車競爭的地位，因此其體積越小、重量越輕，其竟?fàn)幜σ簿驮酱?，要降低電?dòng)汽車的體積與重量，相應(yīng)地就要求動(dòng)力電池的基本性能指標(biāo)-重量比能量和能量密度要高。表1是鋰離子動(dòng)力電池的重量比能量和能量密度測試結(jié)果。
表1鋰離子動(dòng)力電池的重量比能量和能量密度(0.2C倍率，100％DOD放電) 由表1可見，本實(shí)用新型50Ah的鋰離子動(dòng)力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/kg。
2．新型鋰離子動(dòng)力電池的大電流放電性能由于使用方便的要求，動(dòng)力電池的快速充電性能要良好，而且用于電動(dòng)汽車的大容量鋰離子二次電池在車輛啟動(dòng)、加速和爬坡的情況下，也要求作為能夠大電流放電以提供足夠的動(dòng)力，因此大電流放電性能一直是動(dòng)力電池的基本性能要求之一。方形層疊式結(jié)構(gòu)的鋰離子動(dòng)力電池的散熱性能優(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2為不同容量的鋰離子動(dòng)力電池的在不同放電電流密度下的放電性能。
表2鋰離子動(dòng)力電池在不同的放電電流密度下的放電性能(100％DOD放電，單位Ah) 由表2可見，不同容量的層疊式鋰離子動(dòng)力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，其放電容量仍能保持在0.1C倍率放電容量的73％以上，基本可以滿足動(dòng)力電池的使用要求。
3、鋰離子動(dòng)力電池的高低溫工作性能由于電動(dòng)汽車的工作環(huán)境復(fù)雜多變，從炎熱的赤道到寒冷的南北極動(dòng)力電池都要能夠正常工作，即要求動(dòng)力電池的高、低溫環(huán)境下的工作性能要好。表3是不同容量的鋰離子動(dòng)力電池分別在0℃的低溫、25℃的室溫和60℃的高溫環(huán)境下的放電性能，由表3可見，鋰離子動(dòng)力電池在0℃-60℃的溫度范圍內(nèi)都能夠正常工作，其0℃環(huán)境下的放電容量雖然最低，但也也能保持在25℃下放電容量的85％以上，即電池的高低溫工作性能良好。
表3鋰離子動(dòng)力電池高低溫環(huán)境下的放電性能(0.2C倍率，100％DOD放電，單位Ah) 4、鋰離子動(dòng)力電池的耐過充過放電性能鋰離子動(dòng)力電池對過充過放電比較敏感，過充過放電將導(dǎo)致電池性能下降，甚至可能失效，但是動(dòng)力電池在使用中，難免會出現(xiàn)過充電或過放電情況，這就要求動(dòng)力電池耐過充過放電的性能要好。表4比較了不同容量的鋰離子動(dòng)力電池在2.5-4.3V過充過放電電壓區(qū)間和在2.7-4.15的正常充放電電壓內(nèi)的充放電性能。
表4鋰離子動(dòng)力電池在正常情況和過充電過放電情況下的充放電行為(0.2C倍率充放電，單位Ah) 表4可見，在過充過放電情況下，不同容量的方形層疊式鋰離子動(dòng)力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，基本仍能夠正常工作。
5．鋰離子動(dòng)力電池的荷電保持能力電動(dòng)汽車在使用中經(jīng)常有停停、開開的情況，動(dòng)力電池的經(jīng)常要放置一段時(shí)間后再使用，因此要求在放置時(shí)動(dòng)力電池的自放電率要低，即荷電保持能力必須要好。表5為不同容量的鋰離子動(dòng)力電池在充好電放置一段時(shí)間后的放電容量。
表5鋰離子動(dòng)力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5可見，經(jīng)過長達(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87％以上，30天的平均自放電率小于0.41％/天。同時(shí)，經(jīng)過一個(gè)月時(shí)間的放置后，經(jīng)過測量我們得知各種容量的鋰離子動(dòng)力電池的電壓也都維持4.00V以上，即其荷電保持性能良好，基本可以滿足動(dòng)力電池的使用要求。
權(quán)利要求1.一種鋰離子動(dòng)力電池，其特征在于由電池極片、電解液及電池殼構(gòu)成，電池殼內(nèi)方形的電池極片層疊排布，電池極片間用隔膜相隔，電池極片兩端由不銹鋼板或鎳板或銅板聯(lián)接和固定，電解液基本充滿電池殼的空間，隔膜采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜與聚丙烯膜疊層。
專利摘要一種鋰離子動(dòng)力電池由電池極片、電解液及其電池殼構(gòu)成,電池殼內(nèi)方形的電池極片層疊排布,電池極片間用隔膜相隔,電池極片兩端由不銹鋼板或鎳板或銅板聯(lián)接和固定,電解液基本充滿電池殼的空間,隔膜采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜與聚丙烯膜疊層;本實(shí)用新型的鋰離子動(dòng)力電池的大電流放電性能、荷電保持性能、耐過充過放電性能、高低溫下的工作性能良好。
文檔編號H01M10/36GK2433737SQ0022849
公開日2001年6月6日 申請日期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 申請人:華南理工大學(xué)