一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池及其制备方法
阅读说明：本技术 一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池及其制备方法 (21700 cylindrical capacitor battery supporting ultralow-temperature quick charging, high-rate, high-safety and long-service life and preparation method thereof ) 是由 袁素渊 范淑瑞 杜光照 蓝圣堤 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池及其制备方法,其中,一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池,包括正极片、负极片、电解液、隔膜、壳体和盖帽,所述壳体的底部和顶部分别安装有第一绝缘垫片和第二绝缘垫片,所述正极片上设置有正极耳,所述负极片上设置有负极耳,所述正极片、负极片设置在壳体内,所述正极片包含正极浆料及集流体,所述正极浆料由正极材料粉体和分散剂组成。本发明采用阶梯电流真空化成小电流阶梯化成的方法,能够使极片表面的副反应充分发生,使极片表面形成的SEI膜更致密、稳定,从而提高电容电池的比能量和使用寿命。(The invention discloses a 21700 cylindrical capacitor battery supporting ultralow-temperature quick charging, high multiplying power, high safety and long service life and a preparation method thereof, wherein the 21700 cylindrical capacitor battery supporting ultralow-temperature quick charging, high multiplying power, high safety and long service life comprises a positive plate, a negative plate, electrolyte, a diaphragm, a shell and a cover cap, wherein a first insulating gasket and a second insulating gasket are respectively installed at the bottom and the top of the shell, the positive plate is provided with a positive tab, the negative tab is provided with a negative tab, the positive plate and the negative plate are arranged in the shell, the positive plate comprises positive slurry and a current collector, and the positive slurry comprises positive material powder and a dispersing agent. The invention adopts the method of the step current vacuum formation and the small current step formation, which can fully generate the side reaction on the surface of the pole piece and ensure that the SEI film formed on the surface of the pole piece is more compact and stable, thereby improving the specific energy and prolonging the service life of the capacitor battery.)
技术领域
本发明涉及锂电池及电容器技术领域，尤其涉及一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池及其制备方法。
背景技术
随着环保意识不断加强，新能源产业备受关注，智能手机、平板电脑、可穿戴式智能设备、移动电源、新能源汽车、电动自行车、电动工具及储能电站的应用和普及将给锂离子电池产业带来前所未有的发展机遇，但是宽工作温度范围、高比能、高安全、长寿命的电池技术需要继续突破。
在开发宽工作温度范围、高比能、高安全、长寿命同时还要保证电池性能的过程中，宽工作温度范围、高比能、高安全、长寿命电池越来越受到关注，传统锂电池采用NCM材料体系，低温环境适应性、高温环境安全性、循环寿命等已经达到极限。
为了提升电池宽工作温度范围、高比能、高安全、长寿命，提高电池空间有效利用率，增加车辆续航里程，基于现有18650型圆柱电容电池的优势将尺寸升级为21700型圆柱电容电池，在电极材料相同的条件下，21700型圆柱电池相比常见的18650圆柱锂电池，其理论容量可以提高50％以上。
在军事装备方面我国一直都有关于锂电池应用的研究，但是在军用电池研究领域与国外相比存在差距。
目前，绝大部分锂离子电池在0℃以下环境无法大电流快速充电，甚至无法常规速率充电。此技术难题致使武器装备在低温环境性能受限，导致装备作战能力得不到有效保障；特殊作战区域无法满足环境温度＞0℃，直接导致无后续电力保障等问题，易造成装备能力失效。
科技战争中离不开数字化军事设备，数字化装备领域面向轻量化、便携化、隐蔽性发展，绝大部分已经取消可再生能源供电基本都采用二次化学电池供电，这就关联到充电的问题。尤其是一些对电能质量要求较高的数字化设备，在电能供给不及时、不稳定状态下，数字化设备会出现工作不稳定，性能降低等问题，严重的则可能造成重大战略失误损失。若采用将硅发电与数字化装备相结合的方法，则可以在一定程度上解决这个问题。但其中需要考虑的问题包括：如何评估满足数字化装备所需要的硅发电池最小功率？硅发充电过程中产生的谐波是否会对高精密数字化装备特别是通讯设备造成影响？等等这一些列问题均难以解决。
虽然除了高科技军事领域，现在许多部队都已经开始使用电池储能，但与高科技领域所不同的是，部队对于电池的要求并不像航空航天等领域那么高。目前，由于成本或者实际需求等方面的问题，许多部队使用的储能电池仍然是铅酸电池，铅酸电池所含化学成本对当地的环境和生态产生影响，而且还有可能对驻防官兵的身心造成伤害。而锂离子电池无毒且具有高能量比、高功率比等特点，将能够为现代信息化、数字化战争中的，各类装备提供持久稳定的电力供应。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池及其制备方法。
本发明提出的一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池，包括正极片、负极片、电解液、隔膜、壳体和盖帽，所述壳体的底部和顶部分别安装有第一绝缘垫片和第二绝缘垫片，所述正极片上设置有正极耳，所述负极片上设置有负极耳，所述正极片、负极片设置在壳体内，所述正极片包含正极浆料及集流体，所述正极浆料由正极材料粉体和分散剂组成，以正极粉体的总重量1为基准，所述正极粉体包括：正极活性材料95.6wt％～97.8wt％、正极导电剂0.62wt％～1.6wt％、正极粘结剂1.0wt％～2.7wt％，所述负极片包括负极浆料及集流体，所述负极浆料由负极粉体和水组成，以所述负极粉体的总重量1为基准，所述负极粉体包括：负极活性材料93.5wt％～95.3wt％、负极导电剂0.28wt％～0.75wt％、负极粘结剂2.2wt％～3.6wt％；以所述负极活性材料的总重量1为基准，所述负极活性材料由12wt％～20wt％预锂化的氧化亚硅和87wt％～95wt％石墨组成。
优选的，所述负极导电剂由单壁碳纳米管和导电石墨按照重量比为1:3.15～18组成。
优选的，所述负极粘结剂选自CMC、PAA、SBR、PAN中的至少两种。
优选的，所述正极导电剂由单壁碳纳米管和导电石墨按照重量比为1:5.19～35.7组成。
优选的，所述正极活性材料为单晶型NCMA材料。
优选的，所述单晶型NCMA材料的粒径为2.5～4.3μm，比表面积为0.55～0.82m2/g，克容量≥65mAh/g。
优选的，所述隔膜为厚度为12～20μm的PE膜。
一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池的制备方法，包括以下步骤：
S1正极的制备：以NMP为溶剂，将正极粘结剂制成固含量为5.2％～7.8％的胶水，然后在胶水中加入正极导电剂、正极活性材料，搅拌均匀后，得到浆料，加入NMP调整浆料的固含量为65～70％，粘度为4500～5500mPa.s，得到正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体上，然后进行碾压、分条，得到正极片；
S2负极的制备：采用水为溶剂，将负极粘结剂制成固含量为1.3％～1.7％的胶水，然后在胶水中加入负极导电剂、负极活性材料，搅拌均匀后，得到浆料，加入水调整浆料的固含量为40～45％，粘度为2500～3500mPa.s，得到负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体上，然后进行碾压、分条，得到负极片；
S3制片卷绕、装配、注液，得到成品；
S4将成品通过老化工艺进行处理。
优选的，所述老化工艺为：将化成后的电池放入60℃的烘箱中，搁置时间为24h。
本发明中，所述一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池及其制备方法，具有以下技术效果：
(1)具有双电层电容器高功率特性同时兼具锂离子电池的高比能优点，于传统的锂离子电池设计不同之处在于，该技术采用“多孔活性炭碳+富锂氧化物”为复合正极材料；
(2)多孔活性炭碳+富锂氧化物”为复合正极材料、通过电池的首次化成激活过程实现负极材料的“锂预嵌”，最终实现电容电池高速率放电性能；
(3)电容电池负极采用多孔纳米活性炭技术，实现电容电池快速充电性能；
(4)在制备正负极的过程中，通过调节粘结剂的固含量以及浆料的固含量和粘度，能够使粉体材料间充分混合，提高浆料中各材料的均匀性；
(5)本发明采用阶梯电流真空化成小电流阶梯化成的方法，能够使极片表面的副反应充分发生，使极片表面形成的SEI膜更致密、稳定，从而提高电容电池的比能量和使用寿命。
附图说明
图1为本发明提出的一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池的结构示意图。
图中：1负极耳、2第一绝缘垫片、3外壳、4隔膜、5负极片、6正极片、7第二绝缘垫片、8正极耳、9盖帽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1，一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池，包括正极片6、负极片5、电解液、隔膜4、壳体3和盖帽9，壳体3的底部和顶部分别安装有第一绝缘垫片2和第二绝缘垫片7，正极片6上设置有正极耳8，负极片5上设置有负极耳1，正极片6、负极片5设置在壳体3内，正极片6包含正极浆料及集流体，正极浆料由正极材料粉体和分散剂组成，以正极粉体的总重量1为基准，正极粉体包括：正极活性材料95.6wt％～97.8wt％、正极导电剂0.62wt％～1.6wt％、正极粘结剂1.0wt％～2.7wt％，负极片5包括负极浆料及集流体，负极浆料由负极粉体和水组成，以负极粉体的总重量1为基准，负极粉体包括：负极活性材料9 3.5wt％～95.3wt％、负极导电剂0.28wt％～0.75wt％、负极粘结剂2.2wt％～3.6wt％；以负极活性材料的总重量1为基准，负极活性材料由12wt％～20wt％预锂化的氧化亚硅和87wt％～95wt％石墨组成。
本发明中，负极导电剂由单壁碳纳米管和导电石墨按照重量比为1:3.15～18组成。
本发明中，负极粘结剂选自CMC、PAA、SBR、PAN中的至少两种。
本发明中，正极导电剂由单壁碳纳米管和导电石墨按照重量比为1:5.19～35.7组成。
本发明中，正极活性材料为单晶型NCMA材料。
本发明中，单晶型NCMA材料的粒径为2.5～4.3μm，比表面积为0.55～0.82m2/g，克容量≥65mAh/g。
本发明中，隔膜为厚度为12～20μm的PE膜。
一种支持超低温快速充电高倍率高安全长寿命21700圆柱电容电池的制备方法，包括以下步骤：
S1正极的制备：以NMP为溶剂，将正极粘结剂制成固含量为5.2％～7.8％的胶水，然后在胶水中加入正极导电剂、正极活性材料，搅拌均匀后，得到浆料，加入NMP调整浆料的固含量为65～70％，粘度为4500～5500mPa.s，得到正极浆料，将正极浆料涂覆在正极集流体上，然后进行碾压、分条，得到正极片；
S2负极的制备：采用水为溶剂，将负极粘结剂制成固含量为1.3％～1.7％的胶水，然后在胶水中加入负极导电剂、负极活性材料，搅拌均匀后，得到浆料，加入水调整浆料的固含量为40～45％，粘度为2500～3500mPa.s，得到负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体上，然后进行碾压、分条，得到负极片；
S3制片卷绕、装配、注液，得到成品；
S4将成品通过老化工艺进行处理。
本发明中，老化工艺为：将化成后的电池放入60℃的烘箱中，搁置时间为24h。
本发明：在正极的制备过程中，涂覆、碾压、分条工艺为：将正极浆料涂布在正极集流体上，使用双辊碾压机，将涂布烘干后的正极片厚度碾压到170～174μm，接着使用分条机，将已碾压好的正极片进行分切，并将分切好的正极片放入高真空度的烘箱中，控制正极片的水分含量＜300ppm。
制片卷绕、装配、注液的工艺为：使用制片卷绕机，依次按照负极片、隔膜、正极片、隔膜的顺序进行卷绕制成电芯；然后将下垫片、电芯、上垫片放入钢壳中，经过点底、滚槽、测短路工序，得到待注液的电芯；在露点温度为-45℃的环境下注入电解液，然后激光焊盖帽，封口，得到电池。接着将封口的电池清洗干净、涂防锈油，常温下搁置。
在对预锂化的氧化亚硅和石墨按照特定比例进行混合后形成的负极活性材料的基础上，负极导电剂中只需要加入微量的单壁碳纳米管就可以达到良好的导电效果，此外，在锂电池的充放电过程中，碳纳米管能够抑制负极材料的膨胀现象，从而提高锂电池的比能量和循环寿命，优选条件下，所述负极导电剂由单壁碳纳米管和导电石墨按照重量比为1:3.15～19组成(例如可以为1:3.15、1:5、1：6、1：7.5、1：8.2、1：9、1：10、1：12、1：14、1：15、1：18、1：19或上述数值之间的任意值)。
需要通过负极活性材料、负极导电剂和负极粘结剂的复合，才使得到电容电池具有较高的比能量和较长的循环寿命，负极粘结剂选自CMC(羧甲基纤维素)、PAA(聚丙烯酸)、SBR(丁苯橡胶)、PAN(聚丙烯腈)中的至少两种。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。