CN101527370A

CN101527370A - 一种动力锂离子电池

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Publication number: CN101527370A
Application number: CN200910113997A
Authority: CN
Inventors: 李庆余; 李泽胜; 王红强; 张初华; 王艳芳; 陈美超; 胡思江; 王芳平
Original assignee: GUILIN JIUYI NEW ENERGY SCIENCE AND TECHNOLOGY Corp Ltd
Current assignee: GUILIN JIUYI NEW ENERGY SCIENCE AND TECHNOLOGY Corp Ltd
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2009-09-09

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池，具体为一种动力锂离子电池。本发明所述动力锂离子电池，包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜以及有机电解液；其中：正极的活性材料为纳米级LiFePO₄/C，纳米级LiFePO₄/C在正极混合粉料中占85～95％(质量)；负极的活性材料为纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C，纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C在负极混合粉料中占85～95％(质量)；所述的有机电解液以LiPF₆为电解质，以EC和DEC为溶剂。与现有的作为电动车动力电源的锂离子电池相比，本发明动力锂离子电池导电性能好、安全性能高、放电平稳、循环寿命长，且具有优异的大电流充放电能力；非常适合用作电动车的动力电源。

Description

一种动力锂离子电池

技术领域：

本发明涉及一种锂离子电池，具体为一种动力锂离子电池。

背景技术：

二十一世纪，石油资源日渐紧张，环境污染日趋严重，人们对以绿色二次电池为动力的二次能源越来越重视。随着社会、科学的日益进步，以锂离子电池作为电动车动力能源已成为高科技产业领域关注的热点。

目前研究较多的锂离子电池有：

1、以LiCoO₂为正极、石墨为负极的商品锂离子电池，但由于综在充放电过程中产生强氧化性Co⁺，很容易引发电解液分解，导致电池的爆炸，安全性能较差，无法作为电动车的电源。

2、以LiMn₂O₄为正极、石墨为负极的锂离子电池，它的安全性能得到很大的提高，但是由于LiMn₂O₄容量较低、循环寿命较差，作为电动车的电源还需进一步开发。

3、以LiFePO₄为正极、石墨类材料为负极的锂离子电池，LiFePO₄是一种新型的锂离子电池正极材料，其理论比容量高达170mAh/g，LiFePO₄的结构特征使其具有优异的安全性能及热稳定性，与电解质之间有高度相容性，特别优异的循环稳定性，寿命可达8000次以上；而石墨类材料由于其比容量高、电压平台稳定等优点，是商业化锂离子电池普遍使用的负极材料，但是以石墨为负极的锂离子电池在充放电500次后就会产生明显的容量衰减，因此，以相对较低的循环寿命的石墨与LiFePO₄材料制成的锂离子电池的充放电性能不能达到较好的发挥。

尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂是一种零应变负极材料，循环性能好，充放电平台稳定，理论比容量为175mAh/g，实际比容量可达165mAh/g，并集中在平台区域，不与电解液反应，价格便宜，容易制备；与商品化的石墨负极材料相比，具有更好的电化学性能和安全性；循环寿命可达10000次以上，非常适合与LiFePO₄组合成LiFePO₄/Li₄Ti₅O₁₂电池体系。但是，由于LiFePO₄和Li₄Ti₅O₁₂导电性较差的问题，使它们的应用受到了一定的限制。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种导电性能好、安全性能高、循环寿命长，且具有优异的大电流充放电能力的用于电动车动力电源的动力锂离子电池。

本发明所述的动力锂离子电池，包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜以及有机电解液；其中：

正极的活性材料为纳米级LiFePO₄/C(碳包覆的磷酸铁锂)，纳米级LiFePO₄/C在正极混合粉料中占85～95％(质量)；

负极的活性材料为纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C(碳包覆的钛酸锂)，纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C在负极混合粉料中占85～95％(质量)；

所述的有机电解液以LiPF₆(六氟磷酸锂)电解质，以EC(乙烯碳酸酯)和DEC(二甲基碳酸酯)为溶剂。

上述技术方案中，所述纳米级LiFePO₄/C的粒径为50～100nm；所述纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C的粒径为50～100nm。

所述纳米级LiFePO₄/C可以现有的可行的方法制备得到，优选按本申请人申请的公开号为CN101154722，名称为《一种核壳型纳米级碳包覆磷酸铁锂复合正极材料及其制备方法》的专利申请中的制备方法进行制备。所述纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C可以现有的可行的方法制备得到，具体可按何则强等发表的《锂离子电池用Li₄Ti₅O₁₂-碳复合材料的制备与电化学性能》(无机化学学报，Vol.23，No.4，2007)论文中所述的方法进行制备。

本发明所述的动力锂离子电池，可以常规方法制备。

与现有的作为电动车动力电源的锂离子电池相比，本发明动力锂离子电池具有以下优点：

1、电极材料均采用纳米级材料，更有利于锂离子的扩散，从而减少锂离子在电极材料中的扩散时间，提高了电池的离子导电性；

2、正、负极材料制备成与炭材料复合的材料，即LiFePO₄/C和Li₄Ti₅O₁₂/C，大大改善LiFePO₄和Li₄Ti₅O₁₂导电性较差的问题；

3、本发明所述动力锂离子电池具有优良的大倍率性能，即使在10C下放电也能保持1C初始容量的80％以上；

4、循环性能好，在1C倍率下3000次循环仍能保持初始容量的90％以上；

5、电压平台稳定，放电平台较长，稳定在1.80～1.90V之间。

附图说明：

图1：为实施例1制备得到的电池在1C倍率下的放电曲线图；

图2：为施例1制备得到的电池在1C倍率下的循环寿命图；

图3：实施例1及对比例1制备得到的电池的比容量-倍率图(A为实施例1制得电池的比容量-倍率曲线，B为对比例1制得电池的比容量-倍率曲线)

具体实施方式：

本发明所述的动力锂离子电池，包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜以及有机电解液；其中：所述正极的活性材料为纳米级LiFePO₄/C，纳米级LiFePO₄/C在正极混合粉料中占85～95％(质量)；负极的活性材料为纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C，纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C在负极混合粉料中占85～95％(质量)；所述的有机电解液以LiPF₆为电解质，以EC和DEC为溶剂。

上述纳米级LiFePO₄/C和纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C的粒径均为50～100nm。

本发明所述的动力锂离子电池，可以常规方法制备。

以制成502030型实验电池为例，具体包括以下步骤：

1)正电极的制备

将85％～95％(质量)的纳米级LiFePO₄/C、2％～10％(质量)的Super P(超级导电炭黑)、2％～10％(质量)的PVDF(聚偏氟乙烯)和适量N-甲基吡咯烷酮(NMP)搅拌制成正极浆料；以铝箔为集流体，将正极浆料用涂布机将浆料均匀涂覆在铝箔上，于70℃±5℃烘干，制成极片，将极片切成长337mm、宽22.5mm、厚度为180μm±10μm的正电极。

2)负电极的制备

将85％～95％(质量)的纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C、1％～4％(质量)的Super P(超级导电炭黑)、3％～8％(质量)的SBR(羧基丁苯胶乳)和1％～4％的CMC(羧甲基纤维素钠)搅拌制成负极浆料；以铜箔为集流体，将负极浆料用涂布机将浆料均匀涂覆在铜箔上(厚度为：180μm)，于70℃±5℃烘干，制成极片，将极片切成长307mm、宽23.5mm的负电极。

3)电池的组装

用卷绕法卷制电池芯，方形卷针宽14mm，厚2mm。用聚丙烯微孔薄膜为隔膜，负极包于隔膜中，正极放置在隔膜上，卷绕成电芯。铝塑膜为外包装，以1mol/L LiPF₆/EC+DEC(质量比1∶1)为电解液，将电解液注入到电池后焊封铝塑膜，制成502030型实验电池。

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1

一、LiFePO₄/C及Li₄Ti₅O₁₂/C的制备

1、LiFePO₄/C的制备：

称取24.24g Fe(NO₃)₃·9H₂O置于500ml的烧杯中，加入200ml蒸馏水，搅拌溶解，再加入5.28g抗坏血酸，搅拌溶解得到浅绿色溶液，再依次加入6.92gH₃PO₄和2.52gLiOH·H₂O，搅拌溶解后再加入5.48g羧甲基淀粉，80℃加热搅拌，淀粉糊化，Li⁺、Fe²⁺和PO₄ ³⁺共存于淀粉的大分子网络中，均匀分散，得到均一的淀粉基LiFePO₄前驱体溶液，继续加热搅拌，直至水分蒸干，得到淡黄色的前驱体粉末。将前驱体粉末放入坩埚中，置于真空烧结炉中，在10Pa真空度下，以2℃/min的升温速率升温，在320℃处预分解4小时，同样的速率升温至650℃，煅烧15小时，样品随炉冷却至室温，得到核壳型纳米级碳包覆LiFePO₄复合正极材料。

2、Li₄Ti₅O₁₂/C的制备

将钛酸四丁酯溶解在无水乙醇中(V_{钛酸四丁酯}∶V_无水乙醇＝1∶5)。强烈搅拌下按化学计量加入醋酸锂的乙醇水溶液，得到黄色透明溶胶。将此溶胶在超声波分散和强烈搅拌下按照w_Li4Ti5O12∶w_C＝19∶1加入商业锂离子电池专用石墨，继续搅拌2～3h得到黑色凝胶。将此凝胶于真空干燥箱经105℃干燥4h后即得到黑色干凝胶前驱体。前驱体在600℃氩气气氛中煅烧2～6h得到Li₄Ti₅O₁₂-C复合材料。

二、动力锂离子电池的制备

1)正电极的制备

按质量百分计(以下同)，取92％的粒径为50～100nm的LiFePO₄/C、4％的Super P、4％的PVDF和适量N-甲基吡咯烷酮(NMP)搅拌制成正极浆料；以铝箔为集流体，将正极浆料用涂布机将浆料均匀涂覆在铝箔上(厚度为：180μm)，于70℃烘干，制成极片，将极片切成长337mm、宽22.5mm的正电极。

2)负电极的制备

取92％的粒径为50～100nm的Li₄Ti₅O₁₂/C、2％的Super P、4％的SBR和2％的CMC搅拌制成负极浆料；以铜箔为集流体，将负极浆料用涂布机将浆料均匀涂覆在铜箔上，于70℃烘干，制成极片，将极片切成长307mm、宽23.5mm、厚度为120μm的负电极。

3)电池的组装

上述制得的电池在0.1C放电倍率下，首次容量达到164mAh，放电平台稳定在1.80～1.90之间，如图1所示；在1C放电倍率下，经过3000次循环比容量依然保持在120mAh以上，如图2所示；大倍率性能良好，在10C放电倍率下首次比容量在120mAh以上，其比容量-倍率曲线如图3中A所示。

对比例1

正、负电极的制备工艺、混合粉料的配比和电池的组装工艺同实施例1，不同的是，所用的正极活性材料是粒径为10～20微米的LiFePO₄，负极是粒径为10～20微米的Li₄Ti₅O₁₂。

本例中制得的电池在0.1C放电倍率下，首次比容量为106mAh/g；在1C放电倍率下，经过500次循环比容量降至78mAh/g；在5C放电倍率下首次比容量为80mAh/g，其比容量-倍率曲线如图3中B所示。

实施例2

一、LiFePO₄/C及Li₄Ti₅O₁₂/C的制备

同实施例1

二、动力锂离子电池的制备

正、负电极的制备及电池的组装工艺与实施例1相同，所不同的是，正极混合粉料中LiFePO₄/C、Super P和PVDF的比例分别为：85％、7％、8％；负极混合粉料中Li₄Ti₅O₁₂/C、Super P、SBR和CMC的比例分别为：85％、3％、8％、4％。

本实施例制得的电池在0.1C放电倍率下，首次比容量达到158mAh，放电平台稳定在1.80～1.90之间；在1C放电倍率下，经过3000次循环比容量依然保持在115mAh/g以上；大倍率性能良好，在10C放电倍率下首次比容量在120mAh以上。

实施例3

一、LiFePO₄/C及Li₄Ti₅O₁₂/C的制备

同实施例1

二、动力锂离子电池的制备

正、负电极的制备及电池的组装工艺与实施例1相同，所不同的是，正极混合粉料中LiFePO₄/C、Super P和PVDF的比例分别为：95％、3％、2％；负极混合粉料中Li₄Ti₅O₁₂/C、Super P、SBR和CMC的比例分别为：95％、1％、3％、1％。

本实施例制备的电池在0.1C放电倍率下，首次比容量达到155mAh/g，放电平台稳定在1.80～1.90之间；在1C放电倍率下，经过3000次循环比容量依然保持在110mAh/g以上；大倍率性能良好，在5C放电倍率下首次比容量在115mAh/g以上。

实施例4

一、LiFePO₄/C及Li₄Ti₅O₁₂/C的制备

同实施例1

二、动力锂离子电池的制备

正、负电极的制备及电池的组装工艺与实施例1相同，所不同的是，正极混合粉料中LiFePO₄/C、Super P和PVDF的比例分别为：85％、10％、5％；负极混合粉料中Li₄Ti₅O₁₂/C、Super P、SBR和CMC的比例分别为：90％、4％、4％、2％。

本实施例制备的电池在0.1C放电倍率下，首次比容量达到151mAh/g，放电平台稳定在1.80～1.90之间；在1C放电倍率下，经过3000次循环比容量依然保持在110mAh/g以上；大倍率性能良好，在5C放电倍率下首次比容量在115mAh/g以上。

Claims

1、一种动力锂离子电池，包括正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜以及有机电解液；其特征在于：

正极的活性材料为纳米级LiFePO₄/C，纳米级LiFePO₄/C在正极混合粉料中占85～95％(质量)；

负极的活性材料为纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C，纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C在负极混合粉料中占85～95％(质量)；

所述的有机电解液以LiPF₆为电解质，以EC和DEC为溶剂。

2、根据权利要求1所述的动力锂离子电池，其特征在于：所述纳米级LiFePO₄/C的粒径为50～100nm；所述纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C的粒径为50～100nm。