磷酸铁锂电池的水系正极浆料及其制备方法
阅读说明：本技术 磷酸铁锂电池的水系正极浆料及其制备方法 (Water-based positive electrode slurry of lithium iron phosphate battery and preparation method thereof ) 是由 不公告发明人 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磷酸铁锂电池的水系正极浆料及其制备方法,水系正极浆料包括原料及其重量份数如下：磷酸铁锂90-93份、复合石墨烯导电浆料2-3份、水性粘结剂3-5份、导电剂1-2份,还包括去离子水；所述水系正极浆料的粘度为3000mPa·s-6000mPa·s。本发明的磷酸铁锂电池的水系正极浆料,以去离子水作为分散介质,改善水系正极浆料的分散性,避免了使用有机溶剂造成的环境污染,更加环保及安全；在水系正极浆料的组分中,优化了导电剂和水性粘结剂的含量,同时还使用水系石墨烯复合导电浆为导电剂,能够降低电池欧姆内阻和极化内阻,提高锂电池的高功率启动性能。(The invention discloses a water-based positive electrode slurry of a lithium iron phosphate battery and a preparation method thereof, wherein the water-based positive electrode slurry comprises the following raw materials in parts by weight: 90-93 parts of lithium iron phosphate, 2-3 parts of composite graphene conductive slurry, 3-5 parts of a water-based binder, 1-2 parts of a conductive agent and deionized water; the viscosity of the aqueous positive electrode slurry is 3000mPa & s-6000mPa & s. According to the water-based positive electrode slurry of the lithium iron phosphate battery, deionized water is used as a dispersion medium, so that the dispersibility of the water-based positive electrode slurry is improved, the environmental pollution caused by the use of an organic solvent is avoided, and the water-based positive electrode slurry is more environment-friendly and safer; in the components of the aqueous positive electrode slurry, the contents of a conductive agent and an aqueous binder are optimized, and meanwhile, the aqueous graphene composite conductive slurry is used as the conductive agent, so that the ohmic internal resistance and the polarization internal resistance of the battery can be reduced, and the high-power starting performance of the lithium battery is improved.)
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种磷酸铁锂电池的水系正极浆料及其制备方法。
背景技术
因磷酸铁锂材料具备原材料来源丰富、环保无毒、工作电压高、热稳定性好等诸多优点，被认为是新一代锂离子电池的理想正极材料。磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，锂离子电池的正极浆料中除了正极材料还含有活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂等。磷酸铁锂锂离子电池以其功率密度高、循环寿命长、安全性能好和对环境友好等优点，使其在动力技术领域具有广泛的应用前景。磷酸铁锂动力电池IC放电使用长达2000次，容量保持率不低于80％。由于动力电池对倍率性能的要求越来越高，导致磷酸铁锂材料性能要求提高，颗粒细化甚至纳米化，为满足动力电池的使用要求，解决锂离子电池高倍率放电的问题，有必要开发出一种高倍率放电、长循环寿命的磷酸铁锂电池。
水系复合石墨烯导电剂是近年新兴的导电剂，它一般直径在3-5纳米左右，长度达到10-30微米，它不仅能够在导电网络中充当“导线”的作用，同时它还具有双电层效应，发挥锂离子电池的高倍率特性；另外其良好的导热性能还有利于锂电池在充放电时的散热快，降低电池的极化内阻，提高电池的高低温性能，延长电池的使用寿命，且水系复合石墨烯导电浆组成成分为石墨烯、碳纳米管、分散剂、去离子水，不含有有毒物质NMP
另外，现有的磷酸铁锂锂离子电池的正极制浆工艺下的浆料采用NMP为溶剂。但是，NMP易挥发、易燃易爆、且毒性大，从而易造成严重污染环境，使生产现场毒性大，严重影响了生产车间工作人员的身体健康。但水系复合石墨烯导电浆比表面积大，易发生团聚现象，不易在溶剂中均匀分散。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种分散良好且稳定性高的磷酸铁锂电池的水系正极浆料及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种磷酸铁锂电池的水系正极浆料，包括原料及其重量份数如下：磷酸铁锂90-93份、复合石墨烯导电浆料2-3份、水性粘结剂3-5份、导电剂1-2份，还包括去离子水；所述水系正极浆料的粘度为3000mPa·s-6000mPa·s。
优选地，所述复合石墨烯导电浆料包括原料及其重量份数如下：碳纳米管3-5份、石墨烯1.0-1.5份、分散剂0.8-1.2份以及去离子水92-94份。
优选地，所述水性粘结剂包括丙烯腈多元共聚物。
优选地，所述导电剂包括导电炭黑、乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、科琴黑中一种或多种。
优选地，所述去离子水的导电率≤1μs/cm
本发明还提供一种磷酸铁锂电池的水系正极浆料的制备方法包括以下步骤：
S1、将复合石墨烯导电浆料、水性粘结剂和去离子水混合并搅拌打胶，得到混合浆料；
S2、将磷酸铁锂和导电剂进行捏合搅拌，得到混合粉体；
S3、将混合粉体和混合浆料进行混合，低速搅拌后高速搅拌，得到混合物；
S4、往混合物加入去离子水，高速搅拌，获得粘度为3000mPa·s-6000mPa·s的水系正极浆料。
优选地，步骤S1中，搅拌打胶的公转为20～30rmp，分散转速为2500～4000rmp；搅拌时间60～120min。
优选地，步骤S1中，所述去离子水的导电率≤1μs/cm；得到的混合浆料的固含量为45～65wt％。
优选地，步骤S2中，捏合搅拌的公转为15～30rmp，分散转速为1500～3000rmp；搅拌时间为180～240min。
优选地，步骤S3中，低速搅拌的公转为12～18rmp，高速搅拌的公转为20～50rmp，分散转速为2000～4500rmp；搅拌时间为60～150min。
本发明的磷酸铁锂电池的水系正极浆料，以去离子水作为分散介质，改善水系正极浆料的分散性，避免了使用有机溶剂造成的环境污染，更加环保及安全；在水系正极浆料的组分中，优化了导电剂和水性粘结剂的含量，同时还使用水系石墨烯复合导电浆为导电剂，能够降低电池欧姆内阻和极化内阻，提高锂电池的高功率启动性能。
本发明的水系正极浆料的制备方法，采用干法搅拌，浆料分散性好，提高浆料的导电性，进而降低电池内阻，提高倍率性能。另外，相比其他方式搅拌在相同的固含量条件下浆料粘度低，有效改善浆料的加工性能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明中实施例1的放电倍率放电曲线图；
图2是本发明中实施例2的放电倍率放电曲线图；
图3是本发明中实施例3的放电倍率放电曲线图。
具体实施方式
本发明的磷酸铁锂电池的水系正极浆料，包括原料及其重量份数如下：磷酸铁锂90-93份、复合石墨烯导电浆料2-3份、水性粘结剂3-5份、导电剂1-2份；还包括去离子水，去离子水作为分散介质，代替传统使用的NMP，降低了制造过程中产生污染气体。
本发明的水系正极浆料的粘度为3000mPa·s-6000mPa·s，去离子水根据达到该粘度进行适量的添加。去离子水的导电率≤1μs/cm,降低去离子水中金属杂质导致电池自放电几率。
在本发明的水系正极浆料中，磷酸铁锂为正极活性物质；导电剂赋予该水系正极浆料的导电性能。作为选择，导电剂包括导电炭黑、乙炔黑、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNTs)、科琴黑中一种或多种。导电炭黑可选Super P、Super S；科琴黑可选的有KetjenblackEC300J、KetjenblackEC600JD、Carbon ECP、Carbon ECP600JD。
复合石墨烯导电浆料也具有导电作用，其在水系正极浆料中可填充到导电剂之间、导电剂与磷酸铁锂之间的空隙，消除或减小导电剂之间、导电剂与磷酸铁锂之间的空隙，能够降低电池欧姆内阻和极化内阻，提高电池的高功率启动性能。本发明中，复合石墨烯导电浆料包括原料及其重量份数如下：碳纳米管3-5份、石墨烯1.0-1.5份、分散剂(PVP)0.8-1.2份以及去离子水92-94份。优选地，复合石墨烯导电浆料包括：碳纳米管4份、石墨烯1.2份、分散剂1份以及去离子水93.8份。
水性粘结剂包括丙烯腈多元共聚物。
本发明的磷酸铁锂电池的水系正极浆料的制备方法，可包括以下步骤：
S1、将复合石墨烯导电浆料、水性粘结剂和去离子水混合并搅拌打胶，得到混合浆料。
其中，水性粘结剂采用由丙烯腈多元共聚物制得的水性胶，丙烯腈多元共聚物在其中作为溶质，含量占水性胶总量的16wt％。加入的去离子水的导电率≤1μs/cm，去离子水的加入量以使得到的混合浆料的固含量为45～65wt％为准。
搅拌打胶的公转为20～30rmp，分散转速为2500～4000rmp。搅拌时间60～120min。
S2、将磷酸铁锂和导电剂进行捏合搅拌，得到混合粉体。
捏合搅拌的公转为15～30rmp，分散转速为1500～3000rmp；搅拌时间为180～240min。
S3、将混合粉体和混合浆料进行混合，低速搅拌后高速搅拌，得到混合物。
其中，低速搅拌的公转为12～18rmp，高速搅拌的公转为20～50rmp，分散转速为2000～4500rmp；搅拌时间为60～150min。
S4、往混合物加入去离子水，高速搅拌，获得粘度为3000mPa·s-6000mPa·s的水系正极浆料。
在获得的水系正极浆料中，丙烯腈多元共聚物占所有固体含量的1.5wt％-3.5wt％。
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)、将1041.6g水性胶ADY-701A(固含量为16wt％)、485g作为溶剂的水、1587g复合石墨烯导电浆料(固含量为6.3wt％)进行混合，放入广州森弘搅拌机以公转速度25rpm/min、分散速度2500rpm/min搅拌100min；测其粘度为3500mPa·s。
(2)、将3000g的磷酸铁锂活性物质和66.6g导电剂SP加入广州森弘搅拌机中后以公转速度15rpm/min、分散速度1500rpm/min搅拌180min。
(3)、然后将(1)搅拌好的胶液加入(2)捏合好的粉体中进行两个阶段的加入及搅拌：先加入(1)胶液重量的比例20％量共计622.9g，以公转速度15rpm/min、分散速度1500rpm/min搅拌30min浆料达到预分散泥巴状的效果，然后再加入(1)胶液重量的80％量共计2491.5g，以公转速度50rpm/min、分散速度3000rpm/min高速搅拌120min，这一阶段固含量为53.8％。
(4)、取485.5g的水加入(3)的产物中，以公转速度35rpm/min、分散速度2500rpm/min高速搅拌45min，制得最终固含量为50.4％、粘度为4300mPa·s的水系正极浆料。
采用该实施例的水系正极浆料制备磷酸铁锂电池805875-2.0Ah 1C充电，在30C、35C和40C放电倍率曲线如图1所示(常温下)。
实施例2
(1)、将815.2g ADY-701A(固含量为16wt％)、385.3g作为溶剂的水、1294g复合石墨烯导电浆料(固含量为6.3wt％)进行混合，放入广州森弘搅拌机以公转速度25rpm/min、分散速度2500rpm/min搅拌100min；测其粘度为3400mPa·s。
(2)、将3000g的磷酸铁锂活性物质和48.9g导电剂SP加入森弘搅拌机中后以公转速度15rpm/min、分散速度1500rpm/min搅拌180min。
(3)、将(1)搅拌好的胶液加入上述(2)捏合好的粉体中进行两个阶段的加入及搅拌：先加入(1):胶液重量的比例20％量共计499g，以公转速度15rpm/min、分散速度1500rpm/min搅拌30min浆料达到预分散泥巴状的效果，然后再加入(1)胶液重量的80％量1995.6g，以公转速度50rpm/min、分散速度3000rpm/min高速搅拌120min，这一阶段固含量为58.8％。
(4)、取385.3g的水加入(3)的产物中，以公转速度35rpm/min、分散速度2500rpm/min高速搅拌45min，制得最终固含量为55.1％、粘度为5300mPa·s的水系正极浆料。
采用该实施例的水系正极浆料制备磷酸铁锂电池805875-2.0Ah 1C充电，在30C、35C和40C放电倍率曲线如图2所示(常温下)。
实施例3
(1)、将604.8g ADY-701A(固含量为16wt％)、919g作为溶剂的水、1536g复合石墨烯导电浆料(固含量为6.3wt％)进行混合，放入广州森弘搅拌机以公转速度26rpm/min、分散速度2600rpm/min搅拌100min；测其粘度为3600mPa·s。
(2)、将3000g的磷酸铁锂活性物质和32.35g导电剂SP加入广州森弘搅拌机中后以公转速度15rpm/min、分散速度1500rpm/min搅拌180min。
(3)、将(1)搅拌好的胶液加入上述(2)捏合好的粉体中进行两个阶段的加入及搅拌：先加入(1):胶液重量的比例20％量共计612g，以公转速度15rpm/min、分散速度1500rpm/min搅拌30min浆料达到预分散泥巴状的效果，然后再加入(1)胶液重量的80％量共计2448g，以公转速度50rpm/min、分散速度3300rpm/min高速搅拌120min，这一阶段固含量为52.9％。
(4)、取919g的水加入(3)的产物中，以公转速度35rpm/min、分散速度2600rpm/min高速搅拌45min，制得最终固含量为46.5％、粘度为4300mPa·s的水系正极浆料。
采用该实施例的水系正极浆料制备磷酸铁锂电池805875-2.0Ah 1C充电，在30C、35C和40C放电倍率曲线如图3所示(常温下)。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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