一种圆柱型21700高容量快充锂电池及其制备工艺的制作方法

本申请涉及锂离子电池，具体为一种圆柱型21700高容量快充锂电池及其制备工艺。

背景技术：

1、随着时代的不断进步，人类对新能源电池的性能要求日益提升，其中锂离子电池的长续航与快充能力成为了关注的焦点。对于锂离子电池而言，如何在保持高容量的同时，进一步提升其快充性能，成为了一个亟待解决的重要课题。当前，小圆柱电芯如21700型号，凭借其独特的圆形结构，能够有效控制卷芯在充放电过程中的膨胀，因此更适合采用膨胀性较大但能量密度更高的材料，如高镍正极与硅系负极的组合，以实现超过270wh/kg的能量密度。然而，高容量与快充性能往往难以两全，高容量的设计往往伴随着快充性能的妥协，通常仅能支持常温下0.5c的充电倍率。

2、目前，行业内主要从以下四个方面着手提升快充能力：

3、一是通过提升电解液的锂盐浓度或添加高电导率的功能助剂，以提高电解液的电导率，从而使充电时锂离子能够更顺畅地穿越介质到达负极，实现快充。然而，这种方法的主要弊端在于成本的提升；

4、二是采用透气性更佳的隔膜，以促进锂离子在充电过程中更顺畅地穿越介质到达负极，从而提升快充性能。但这种方法可能带来隔膜透气性下降、强度减弱的问题，对电池的安全性构成潜在威胁；

5、三是更换嵌锂各向同性更佳的负极材料或进行碳化包覆处理，以加速锂离子在负极表层的通过速度以及在内部的迁移速率，从而提升快充能力。然而，各向同性更佳的负极材料往往容量密度较低，不利于实现高容量目标，且碳化包覆处理也会增加成本；

6、四是降低极片涂覆的面密度，使充电时锂离子迁移所需穿越的距离缩短，从而更快到达负极里层，提升快充能力。但这种方法会降低电芯的容量，难以充分展现高容量性能。

7、因此，如何提升圆柱型21700高容量电芯的快充能力，成为了行业内面临的一大挑战。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种圆柱型21700高容量快充锂电池及其制备工艺，采用高镍正极和硅掺杂石墨负极，并选用单层涂覆隔膜，涂层面朝负极，基膜面朝正极，降低界面阻抗，加快锂离子迁移，同时结合优化的面密度和压实设计，提升21700电芯的高容量性能。

2、为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

3、第一方面，本申请提出一种圆柱型21700高容量快充锂电池，其中，所述锂电池包括：正极片、负极片、电解液、隔膜；

4、所述正极片包括正极集流体以及涂覆在正极集流体的正极浆料，所述正极浆料包括掺杂特殊元素并表面包覆氧化物的高镍mcn活性物质、导电剂、聚偏氟乙烯；

5、所述负极片包括负极集流体以及涂覆在负极集流体的负极浆料，所述负极浆料包括掺入硅系材料石墨活性物质、导电剂、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶；

6、所述隔膜是以聚丙烯或聚乙烯为基底的单面涂层隔膜，基底面朝向正极片，涂层面朝向负极片。

7、作为本申请技术方案中一个具体的方案，所述正极集流体为12-20μm厚的铝箔，正极浆料在正极集流体双面涂覆面密度为40-48mg/cm2，压实密度为3.3-3.7g/cm3。

8、作为本申请技术方案中一个具体的方案，所述正极活性物质为掺杂特殊元素并表面包覆氧化物的高镍mcn材料，粒径d50为8-12μm，比表面积为0.4-0.6m2/g，镍含量为90-95%，所述正极导电剂为导电炭黑和多壁碳纳米管。

9、作为本申请技术方案中一个具体的方案，所述负极集流体为6-12μm厚的铜箔，负极浆料在负极集流体双面涂覆面密度为20-24mg/cm2，压实密度1.5-1.7g/cm3。

10、作为本申请技术方案中一个具体的方案，所述负极活性物质为石墨和硅系合金的混合物，所述石墨质量占比为75%-90%，所述硅系合金包括硅氧材料和硅碳材料，石墨活性物质粒径d50为10-20μm，比表面积为1-2m2/g，硅系合金活性物质粒径d50为5-10μm，比表面积为1-2m2/g，所述负极导电剂为导电炭黑和单臂碳纳米管。

11、作为本申请技术方案中一个具体的方案，所述隔膜的涂层选自氧化铝、勃姆石、氧化铝与纳米纤维的混合物、勃姆石与纳米纤维的混合物中一种，所述隔膜的孔隙率为35%-50%。

12、作为本申请技术方案中一个具体的方案，所述电解液包括六氟磷酸锂电解质、溶剂和成膜添加剂，所述溶剂包括体积分数为5-30％的乙烯碳酸酯、体积分数为5-30％的碳酸甲乙酯、体积分数为20-60％的碳酸二甲酯。

13、作为本申请技术方案中一个具体的方案，所述成膜添加剂包括但不限于：碳酸氟乙烯酯、磷酸三（三甲基硅烷基）酯、(2-氟代丙二酸根)合二氟硼酸锂、硼酸三甲酯、硼酸三乙酯、硼酸三丙酯、三(六氟异丙基)硼酸酯、三苯基硼酸酯、乙烯基三甲基硅烷。

14、第二方面，本申请提出一种圆柱型21700高容量快充锂电池的制备工艺，其中，所述制备工艺包括如下步骤：

15、步骤一、首先将n-甲基吡咯烷酮、聚偏氟乙烯和多臂碳纳米管制备成固含量为4%～8%的导电胶液，再加入正极活性物质、导电炭黑搅拌得到正极浆料，之后将正极浆料涂覆在铝箔上，经过干燥、辊压、分切、烘烤制成正极片；

16、步骤二、先将去离子水、羧甲基纤维素钠、单臂碳纳米管制成1-2%固含量的胶液，加入负极活性物质和导电炭黑制成初始浆料，再加入丁苯橡胶搅拌均匀得到负极浆料；将负极浆料涂覆于铜箔，经干燥、辊压、分切、烘烤后制成负极片。

17、步骤三、将正极片、负极片、隔膜经过卷绕制成干极组，干极组经过组装制成电芯，电芯经过化成工序后制得锂电池。

18、作为本申请技术方案中一个具体的方案，所述步骤三中隔膜在聚丙烯或聚乙烯基底的单面涂覆涂层，组装干极组时基底面朝向正极片，涂层面朝向负极片。

19、与现有技术相比，本申请的有益效果是：采用超高镍正极材料和硅掺杂石墨负极，结合优化的面密度和压实工艺，实现21700电芯的高容量特性。通过单面涂层隔膜设计，涂层面面朝向负极以增加负极侧保液量，降低负极侧离子迁移阻抗，支撑快充特性；基蹭膜面朝向正极以减少吸液，降低正极侧阻抗，提升锂离子迁移速率。本方案在显著提升电芯快充能力的同时，确保了高容量特性的充分发挥，且无需增加额外的材料成本。这种设计不仅提高了电池性能，也保证了成本效益，实现了经济效益与技术性能的双重优化。

技术特征：

1.一种圆柱型21700高容量快充锂电池，其特征在于，所述锂电池包括：正极片、负极片、电解液、隔膜；

2.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述正极集流体为12-20μm厚的铝箔，正极浆料在正极集流体双面涂覆面密度为40-48mg/cm2，压实密度为3.3-3.7g/cm3。

3.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述正极活性物质为掺杂特殊元素并表面包覆氧化物的高镍mcn材料，粒径d50为8-12μm，比表面积为0.4-0.6m2/g，镍含量为90-95%，所述正极导电剂为导电炭黑和多壁碳纳米管。

4.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述负极集流体为6-12μm厚的铜箔，负极浆料在负极集流体双面涂覆面密度为20-24mg/cm2，压实密度1.5-1.7g/cm3。

5.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述负极活性物质为石墨和硅系合金的混合物，所述石墨质量占比为75%-90%，所述硅系合金包括硅氧材料和硅碳材料，石墨活性物质粒径d50为10-20μm，比表面积为1-2m2/g，硅系合金活性物质粒径d50为5-10μm，比表面积为1-2m2/g，所述负极导电剂为导电炭黑和单臂碳纳米管。

6.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述隔膜的涂层选自氧化铝、勃姆石、氧化铝与纳米纤维的混合物、勃姆石与纳米纤维的混合物中一种，所述隔膜的孔隙率为35%-50%。

7.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述电解液包括六氟磷酸锂电解质、溶剂和成膜添加剂，所述溶剂包括体积分数为5-30％的乙烯碳酸酯、体积分数为5-30％的碳酸甲乙酯、体积分数为20-60％的碳酸二甲酯。

8.根据权利要求7所述的锂电池，其特征在于，所述成膜添加剂包括但不限于：碳酸氟乙烯酯、磷酸三（三甲基硅烷基）酯、(2-氟代丙二酸根)合二氟硼酸锂、硼酸三甲酯、硼酸三乙酯、硼酸三丙酯、三(六氟异丙基)硼酸酯、三苯基硼酸酯、乙烯基三甲基硅烷。

9.一种由权利要求1~8任一项所述的锂电池的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤三中隔膜在聚丙烯或聚乙烯基底的单面涂覆涂层，组装干极组时基底面朝向正极片，涂层面朝向负极片。

技术总结
本申请公开了一种圆柱型21700高容量快充锂电池及其制备工艺，锂电池包括正极片、负极片、电解液、隔膜；所述正极片包括正极集流体以及涂覆在正极集流体的正极浆料，所述正极浆料包括掺杂特殊元素并表面包覆氧化物的高镍MCN活性物质、导电剂、聚偏氟乙烯；所述负极片包括负极集流体以及涂覆在负极集流体的负极浆料，所述负极浆料包括掺入硅系材料石墨活性物质、导电剂、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶；所述隔膜是以聚丙烯或聚乙烯为基底的单面涂层隔膜，基底面朝向正极片，涂层面朝向负极片。采用高镍正极和硅掺杂石墨负极，并选用单层涂覆隔膜，涂层面朝负极，基膜面朝正极，降低界面阻抗，加快锂离子迁移，提高容量性能。

技术研发人员：滕晓波,张超,陈翔,方雪松
受保护的技术使用者：郑州比克电池有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/1/28