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一种高比能钛酸锂材料、电池和该电池的制备方法

阅读：265发布：2023-02-03

专利汇可以提供一种高比能钛酸锂材料、电池和该电池的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及电池制造领域，涉及一种高比能钛酸锂材料、电池和该电池的制备方法。该高比能钛酸锂材料，首先通过离子掺杂制备，后经过碳包覆。电池负极由以高比能钛酸锂材料和硬碳混合而成的活性物质、粘结剂和导电剂和集流体组成，该高比能电池的制备方法中在分容化成之前加一步内阻检测步骤，提高产品的一致性和良品率。本发明通过对钛酸锂材料的改性，使其理论比能量增加；再通过与高比能正极材料相匹配，选择高压电解液和高安全隔膜，可以实现钛酸锂电池比能量达到150Wh/Kg以上；本发明通过增加电池极片和隔膜的厚度，虽说降低了寿命和倍率性能，但实现高能量的提升；本发明通过增加一步内阻分档，将组装不合格的电池筛选出来在，增加了电池的一致性。，下面是一种高比能钛酸锂材料、电池和该电池的制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高比能钛酸锂材料，其特征是，该高比能钛酸锂材料由钛酸锂、掺杂材料通过掺杂制备后经包覆材料包覆而成；所述掺杂材料包括镁离子、铝离子、镓离子、锰离子、铬离子、钴离子、镧离子、锌离子、钼离子、铌离子、钒离子、氟离子和溴离子中的一种或多种；所述包覆材料包括石墨烯、碳纳米管、由糖原包覆的碳纳米层、由有机高分子碳源包覆的碳纳米层中的一种或多种组合而成。
2.根据权利要求1所述的一种高比能钛酸锂材料，其特征是，所述掺杂制备的方法为水热法、固相反应法、溶胶凝胶法、溶剂热法中的一种或多种的联合方法。
3.根据权利要求1所述的一种高比能钛酸锂材料，其特征是，所述包覆材料的包覆方法为球磨法、喷雾法、化学气相沉积法、固相法、溶剂热法、溶胶凝胶法、饱和吸附法中的一种或多种组合而成。
4.一种高比能钛酸锂电池，其特征是，该高比能钛酸锂电池的负极由以活性物质、粘结剂、导电剂和集流体组成，正极由高比能活性物质、粘结剂、导电剂和集流体组成；所述负极活性物质包括权利要求1-3中任一项所述的高比能钛酸锂材料以及硬碳。
5.根据权利要求4所述的一种高比能钛酸锂电池，其特征是，所述高比能钛酸锂材料、硬碳的质量百分数为95-100%、0%-5%。
6.根据权利要求4所述的一种高比能钛酸锂电池，其特征是，所述正极高比能活性物质为高压镍锰酸锂、高压钴酸锂、富锂三元材料、磷酸铁锂包覆三元材料、NCM622、NCM811、NCA中的一种组成。
7.根据权利要求4所述的一种高比能钛酸锂电池，其特征是，所述粘结剂为PVDF、P(VDF-HFP)、P(VDF-TFE-HFP)中的一种或多种组合而成，所述导电剂为CNT、VGCF、石墨烯、导电石墨、科琴黑、导电碳黑中的一种或多种组合而成。
8.根据权利要求4所述的一种高比能钛酸锂电池，其特征是，所述的集流体为厚度在5-
10μm的多孔铝箔，所述负极压实后的厚度为15-30μm，所述正极压实后的厚度为15-30μm。
9.根据权利要求4所述的一种高比能钛酸锂电池，其特征是，所述高比能钛酸锂电池用的隔膜为单层或双层涂布含有SiO2、TiO2、Al2O3和BaTiO3中的一种或多种的陶瓷涂层的隔膜，隔膜厚度为20-30μm；
所述陶瓷涂层的隔膜基体为单层PP隔膜、单层PE隔膜、双层PE/PP隔膜、双层PP/PP隔膜、三层PP/PE/PP隔膜、PET隔膜、PI隔膜、PMIA隔膜、PBO隔膜中的任意一种。
10.一种如权利要求4所述的高比能钛酸锂电池的制备方法，其特征是，该高比能钛酸锂电池制备时在化成分容前增加内阻分档工序，通过测试内阻的方式检测电解液注入是否合适、电池组装是否合适、极耳焊接是否合适，以筛选出不合格的电芯。

说明书全文

一种高比能钛酸锂材料、电池和该电池的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电池制造领域，尤其是涉及一种高比能钛酸锂材料、电池和该电池的制备方法。

背景技术

[0002] 钛酸锂电池相对于传统的碳负极材料锂离子电池相比，具有如下优势：超高安全性（不易燃、不易爆）、超长寿命、高低温工作范围宽（-40～65℃）、高功率、低成本（电池负极仅占全电池成本的20%～30%，按每次循环的成本来算，钛酸锂电池的价格并不高；钛酸锂电池系统应用于储能意味着减少了大批更换上万个电池的次数及其维护成本；另外，钛酸锂负极的集流体是铝，而非昂贵的铜）以及绿色环保。其劣势在于能量密度低。钛酸锂电池的应用非常广泛，可应用于混合电动车、特殊工业应用及储能应用如调频及电网电压支撑等。

[0003] 钛酸锂材料的生产从原则上说并不复杂。但要用作锂离子电池的负极材料，不但需要讲究材料具有合适的比表面积、粒度、密度和电化学性能等，还必须能够适应于大规模锂电池的生产工艺。钛酸锂材料在很多传统锂电生产线上无法正常生产的原因之一就是材料的pH为11或12，吸湿性极强。这就使得钛酸锂材料在电池制作的前段工艺如配料、搅拌、涂布、滚压时随地点、气候、季节的不同而材料的吸潮量也不同，最终导致产品胀气、质量失控。

[0004] 因此，如何降低材料的吸潮性，在钛酸锂材料表面包覆一薄层憎水性材料同时又不阻挡锂离子与电子的进出应该是一个很值得研究的课题，如何提高能量密度和降低钛酸锂副反应的发生，是目前研究课题的重点方向。

发明内容

[0005] 本发明为解决上述问题而提出的一种高比能钛酸锂材料、电池和该电池的制备方法，对钛酸锂材料通过改性和包覆，在牺牲一定寿命和倍率的前提下，实现了能量密度的提升，降低了胀气等副反应的发生。

[0006] 本发明的目的之一是提供一种高比能钛酸锂材料，其特征是，该高比能钛酸锂材料，首先通过掺杂制备，后经过包覆。

[0007] 所述掺杂制备时所用的掺杂材料包括镁离子(Mg2+)，铝离子(A13+)，镓离子(Ga3+)，锰离子(Mn3+)，铬离子(Cr3+)，钴离子(Co3+)，镧离子(La3+)，锌离子（Zn2+），钼离子(Mo4+)，铌离子(Nb4+)，钒离子(V5+)，氟离子(F-)和溴离子(Br-)等中的一种或多种。

[0008] 所述的含掺杂材料的钛酸锂的制备方法（掺杂制备）为水热法、固相反应法、溶胶凝胶法、溶剂热法等中的一种或多种的联合方法。

[0009] 所述的包覆时所用的包覆材料包括石墨烯，碳纳米管，由蔗糖、葡萄糖等糖原包覆的碳纳米层，由PEG20000等有机高分子碳源包覆的碳纳米层等中的一种或多种组合而成。

[0010] 所述的碳包覆的方法包括球磨法、喷雾法、化学气相沉积法（CVD法）、、固相法、溶剂热法、溶胶凝胶法、饱和吸附法等的一种或多种组合而成。

[0011] 本发明的目的之二是提供一种高比能钛酸锂电池，其特征是，该高比能钛酸锂电池的负极由以高比能钛酸锂材料为主的活性物质、粘结剂和导电剂和集流体组成，正极由以高比能活性物质、粘结剂、导电剂和集流体组成；进一步的，所述的负极活性物质由高比能钛酸锂材料、硬碳组成，其质量比为100-95%：
0%-5%；
进一步的，所述的正极活性物质为高压镍锰酸锂、高压钴酸锂、富锂三元材料、磷酸铁锂包覆三元材料、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM622）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）、LiNi0.8Co0.15Al0.05O（2 NCA）中的一种组成；
进一步的，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯（PVDF）、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VDF-HFP)）、以聚四氟乙烯(PTFE)为基的偏氟、四氟乙烯和六氟丙烯三元共聚物（P(VDF-TFE-HFP)）等中的一种或多种组合而成；
进一步的，所述的导电剂为碳纳米管（CNT）、气相纳米碳纤维（VGCF）、石墨烯、导电石墨、科琴黑、导电碳黑等中的一种或多种组合而成；
其中，所述的集流体为厚度在5-10μm的多孔铝箔；
进一步的，所述的负极压实后的厚度为15-30μm；
进一步的，所述的正极压实后的厚度为15-30μm；
进一步的，所述的高比能钛酸锂电池用的电解液为市售耐高压电解液；
进一步的，所述的高比能钛酸锂电池用的隔膜为单层或双层涂布含有SiO2、TiO2、Al2O3和BaTiO3中的一种或多种的陶瓷涂层的隔膜；
进一步的，所述的陶瓷隔膜基体为单层PP隔膜、单层PE隔膜、双层PE/PP隔膜、双层PP/PP隔膜、三层PP/PE/PP隔膜、PET隔膜、PI隔膜、PMIA隔膜、PBO隔膜中的任意一种；
进一步的，所述的高比能钛酸锂电池用的隔膜厚度为20-30μm。

[0012] 本发明的目的之三是提供一种高比能钛酸锂电池的制备方法，其特征是，其制备流程包括制浆、涂布、辊压、切片、分条、入壳、注液、密封、清洗、内阻分档、化成分容、分档入库等；其中，所述的内阻分档是指通过测试内阻的方式检测是否电解液注入是否合适，电池组装是否合适，极耳焊接是否合适等，筛选出不合格的电芯。

[0013] 本发明提供的高比能钛酸锂材料，该高比能钛酸锂材料，首先通过离子掺杂制备，后经过碳包覆。本发明提供的高比能钛酸锂电池，负极由以高比能钛酸锂材料和硬碳混合而成的活性物质、粘结剂和导电剂和集流体组成。该高比能电池的制备方法中在分容化成之前加一步内阻检测步骤，提高产品的一致性和良品率。

[0014] 本发明的有益效果如下：首先，本发明通过对钛酸锂材料的改性，使其理论比能量增加；再通过与高比能正极材料相匹配，选择高压电解液和高安全隔膜，可以实现钛酸锂电池比能量达到150Wh/Kg以上；
其次，本发明通过增加电池极片和隔膜的厚度，虽说降低了寿命和倍率性能，但实现高能量的提升；
最后，本发明通过增加一步内阻分档，将组装不合格的电池筛选出来在，增加了电池的一致性。

具体实施方式

[0015] 下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围中。

[0016] 一种高比能钛酸锂电池，负极由以高比能钛酸锂材料为主的活性物质、粘结剂和导电剂和集流体组成，正极由以高比能活性物质、粘结剂、导电剂和集流体组成。

[0017] 其中，负极活性物质由高比能钛酸锂材料、硬碳组成，其质量比为100-95%：0%-5%；该高比能钛酸锂材料，首先通过掺杂制备，后经过包覆。

[0018] 掺杂材料包括镁离子(Mg2+)，铝离子(A13+)，镓离子(Ga3+)，锰离子(Mn3+)，铬离子(Cr3+)，钴离子(Co3+)，镧离子(La3+)，锌离子（Zn2+），钼离子(Mo4+)，铌离子(Nb4+)，钒离子(V5+)，氟离子(F-)和溴离子(Br-)等中的一种或多种。掺杂材料的钛酸锂的制备方法为水热法、固相反应法、溶胶凝胶法、溶剂热法等中的一种或多种的联合方法。

[0019] 包覆材料包括石墨烯，碳纳米管，由蔗糖、葡萄糖等糖原包覆的碳纳米层，由PEG20000等有机高分子碳源包覆的碳纳米层等中的一种或多种组合而成；碳包覆的方法包括球磨法、喷雾法、CVD法、固相法、溶剂热法、溶胶凝胶法、饱和吸附法等的一种或多种组合而成。

[0020] 正极活性物质为高压镍锰酸锂、高压钴酸锂、富锂三元材料、磷酸铁锂包覆三元材料、NCM622、NCM811、NCA中的一种组成；粘结剂为PVDF、P(VDF-HFP)、P(VDF-TFE-HFP)等中的一种或多种组合而成；导电剂为CNT、VGCF、石墨烯、导电石墨、科琴黑、导电碳黑等中的一种或多种组合而成。

[0021] 集流体为厚度在5-10μm的多孔铝箔；负极压实后的厚度为15-30μm；正极压实后的厚度为15-30μm。

[0022] 高比能钛酸锂电池用的电解液为市售耐高压电解液；高比能钛酸锂电池用的隔膜为单层或双层涂布含有SiO2、TiO2、Al2O3和BaTiO3中的一种或多种的陶瓷涂层的隔膜；陶瓷隔膜基体为单层PP隔膜、单层PE隔膜、双层PE/PP隔膜、双层PP/PP隔膜、三层PP/PE/PP隔膜、PET隔膜、PI隔膜、PMIA隔膜、PBO隔膜中的任意一种；高比能钛酸锂电池用的隔膜厚度为20-30μm。

[0023] 高比能钛酸锂电池的制备流程包括制浆、涂布、辊压、切片、分条、入壳、注液、密封、清洗、内阻分档、化成分容、分档入库等；内阻分档是指通过测试内阻的方式检测是否电解液注入是否合适，电池组装是否合适，极耳焊接是否合适等，筛选出不合格的电芯。

[0024] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，着金色举例说明，本发明的保护范围是由权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围内。

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