CN101572324A - 内置可控电场的二次电池及其快速充放电方法 - Google Patents
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Abstract
内置可控电场的二次电池及其快速充放电方法，在电池离子交换隔膜的两侧的电解质中分别设置有正极材料与负极材料，并分别与电池的正极、负极连接，特征是在内置可控电场的二次电池中设置有一个内置电隔离的电场极板对，该电场极板对中的A极板设置在所述电池正极的外侧，并与该电池正极绝缘；该电场极板对中的B极板设置在所述电池负极的外侧，并与该电池负极绝缘。快速充放电方法：使用时电场极板对的A极、B极之间施加电压：放电状态与电池的极性相反；充电状态与电池的极性相同。本发明克服了现有电池内部导电性差、低温性能差，且无法提高快速充放电特性；使电池放电长时间维持在高电位；并明显缩短充电时间。同时可明显延长电池使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种内置电场结构的二次电池(可充放电的电池称为：二次电池)，尤其是通过外部电路控制二次电池内部电场强度、方向，形成快速充、放电的锂铁磷酸电池或高铁电池装置。本发明还涉及这种内置可控电场的二次电池的快速充放电方法。
背景技术
目前用作二次电池的正极材料主要有：LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO4、K2FeO4、BaFeO4等，而锂铁磷酸电池的负极材料主要是石墨，高铁电池负极材料采用锌、铝、铁、镉和镁。这些组成二次电池正极材料的金属元素中，采用LiFePO4、K2FeO4、BaFeO4正极材料做成的二次电池应是最便宜的。锂铁磷酸电池另一个特点是：容量高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、电化学稳定性好、使用中安全(不会因过充电、过放电及短路等操作不当，而引起燃烧或爆炸)、工作温度范围宽、无毒、对环境无污染。所以采用LiFePO4、K2FeO4、BaFeO4作正极的锂铁与高铁电池是目前最好的大电流输出动力电池。
锂铁磷酸电池存在缺点主要是：一是电池内部导电性差、锂离子扩散速度慢，高倍率充放电时，实际比容量低。导电性差目前主要采用添加有机碳源和高价金属离子联合掺杂的办法，来改善材料的导电性。或采用纳米化LiFePO4晶粒，从而减少锂离子在晶粒中的扩散距离，但是锂离子扩散速度慢的问题到目前仍然没有得到较好的解决。二是锂铁磷酸电池低温性能差，一般情况下，对于单只电芯而言，其0℃时的容量保持率约60～70％，-10℃时为40～55％，-20℃时为20～40％，这样的低温性能显然不能满足动力电源的使用要求。尽管通过各种方法，如：锂位、铁位、甚至磷酸位的掺杂改善离子的导电性能，以及通过一次或二次颗粒的粒径及形貌控制有效导电反应面积、加入额外的导电剂增加导电性等，都无法实现锂铁磷酸电池快速充放电特性的提高。而高铁电池同样也存在上述的缺点。
发明内容
为了克服现有锂铁磷酸电池与高铁电池内部导电性差、低温性能差，并且无法提高快速充放电特性。本发明提供一种“内置可控电场的二次电池”，该内置可控电场的二次电池装置，能够有效提高电池内部导电性及低温特性，从而使电池的放电较长时间地维持在较高电位水平；并在充电时明显缩短充电时间。同时，本发明消除了电池内部的压力与应力，可以明显延长电池的使用寿命。具体地说，能有效提高锂铁磷酸电池或高铁电池内部导电性及低温特性。尤其是形成一种快速充放电特性的锂铁磷酸电池与高铁电池。
实现本发明目的技术方案是：
一种内置可控电场的二次电池，在离子交换隔膜的两侧分别设置有正极材料与负极材料，该正极材料与负极材料均设置在电解质中，所述正极材料与负极材料分别与电池的正极、负极连接，其特征在于：在该内置可控电场的二次电池中设置有一个内置电隔离的电场极板对，该电场极板对中的A极板设置在所述电池正极的外侧，并与该电池正极绝缘；该电场极板对中的B极板设置在所述电池负极的外侧，并与该电池负极绝缘。
所述的“内置电隔离的电场极板”是指该“内置电场极板对”不仅分别与电池两个电极绝缘，同时也与电池内的电解液绝缘。
换言之，本发明的上述结构，其内置可控电场二次电池是在传统二次电池结构中，形成一个可控的内电场，进行调控传统二次电池的正极与负极电场的强弱与方向。传统二次电池结构主要由正极材料、离子交换隔膜、电解质、负极材料所组成。内置可控电场二次电池结构中，增加一个内置电隔离的电场极板对，其结构主要由：电场极板A、正极材料、离子交换隔膜、电解质、负极材料、电场极板B所组成。
与现有技术相同，本发明中的电解液常采用有：溶质；常用的有锂盐，高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。溶剂；乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。
本发明所述的内置可控电场二次电池，可以应用在快速充放电锂铁磷酸电池与快速充放电高铁电池。
即，本发明所述的内置可控电场二次电池，其正极材料可以是LiFePO4、负极材料可以是石墨或钛酸盐；同时设有本发明的内置电隔离的电场极板对。构成内置可控电场二次电池及其快速充放电锂铁磷酸电池。
本发明所述的内置可控电场二次电池，其正极材料可以是高铁酸盐(K2FeO4、BaFeO4等)、负极材料可以是锌、铝、铁、镉或镁；同时设有本发明的内置电隔离的电场极板对。构成内置可控电场二次电池及其快速充放电高铁电池。
本发明方案中的电场极板对中的A极板与B极板均可采用铜、铝或石墨等导电材料。
完成本申请第2个发明目的的方案是：一种上述内置可控电场的二次电池的快速充放电方法：所述内置可控电场的二次电池在使用时，需要在所述的内置电隔离的电场极板对上(A极、B极之间)施加电压：
在放电状态，该电场极板对中的A极板与所述电池正极的极性相反；该电场极板对中的B极板与所述电池负极的极性相反。所施加的外部电压为6V～24V。电压越高，能大电流20C以上放电。
在充电状态，该电场极板对中的A极板与所述电池正极的极性相同；该电场极板对中的B极板与所述电池负极的极性相同。所施加的电压值可以与电池正极、负极之间的电压值相同。电压越高，充电电流能20C以上充电。
具体地说：本发明所述的内置可控电场二次电池及其快速充放电锂铁磷酸电池，是在传统的锂铁磷酸电池结构中内置一个可控的内电场，其结构主要由：电场极板A、正极材料(LiFePO4)、离子交换隔膜、电解质、负极材料(石墨或钛酸盐)、电场极板B所组成。传统的锂铁磷酸电池结构主要由正极材料(LiFePO4)、离子交换隔膜、电解质、负极材料(石墨)所组成。现有国内外实施的锂铁磷酸电池结构由：正电极铝箔1.1、正极材料(LiFePO4)1.2、离子交换隔膜1.3、外壳负电极1.4、负极材料(石墨)1.5、电解质1.6、负电极铜箔1.7、正电极1.8所组成。参看附图1所示。
本发明所述的快速充放电锂铁磷酸电池装置，其结构主要由：电场极板A、LiFePO4正极材料、离子交换隔膜、电解质、石墨负极材料、电场极板B所组成，参看附图2所示。
本发明所述的快速充放电锂铁磷酸电池装置，其结构主要由：电场极板A、LiFePO4正极材料、离子交换隔膜、电解质、钛酸盐负极材料、电场极板B所组成，参看附图3所示。
本发明所述的快速充放电锂铁磷酸电池装置，其快速充放电工作电路接线图，参看附图5所示。
本发明所述的一种快速充放电锂铁磷酸电池装置，其快速充放电曲线图，参看附图6所示。
本发明所述的一种快速充放电锂铁磷酸电池装置，可以多个单只电芯串联组成一个高电压的快速充放电锂铁磷酸电池装置，参看附图7所示。
本发明的内置可控电场的二次电池，克服了现有锂铁磷酸电池与高铁电池内部导电性差、低温性能差，并且无法提高快速充放电特性，本发明能够有效提高电池内部导电性及低温特性，从而使电池的放电较长时间地维持在较高电位水平；并在充电时明显缩短充电时间。同时，本发明消除了电池内部的压力与应力，可以明显延长电池的使用寿命。采用钛酸盐负极材料的锂铁磷酸电池，充放电循环次数大于8000次。传统的锂铁磷酸电池充放电循环次数为3000次。
附图说明
图1为现有锂铁磷酸电池结构原理图；
图2为本发明快速充放电锂铁磷酸电池(石墨负极)结构原理图；
图3为本发明快速充放电锂铁磷酸电池(钛酸盐负极)结构原理图；
图4为本发明石墨负极材料与钛酸盐负极材料工作原理示意图；
图5为本发明快速充放电锂铁磷酸电池工作电路接线图；
图6为本发明快速充放电锂铁磷酸电池充放电曲线图；
图7为本发明多个单只电芯串联快速充放电锂铁磷酸电池结构图。
具体实施方式
实施例1
参照图2所示，一种内置可控电场二次电池及其快速充放电锂铁磷酸电池装置是由：正电极铝箔2.1、电场电极A 2.2、铝箔板A 2.3、绝缘膜2.4、正极材料(LiFePO4)2.5、离子交换隔膜2.6、外壳负电极2.7、负极材料(石墨)2.8、绝缘膜2.9、铝箔板B 2.10、电解质2.11、电场电极B 2.12、负电极铜箔2.13、正电极2.14所组成。快速充放电锂铁磷酸电池装置对外电气连接共有4个电极端，分别是电池正电极与负电极，以及电场电极A与电场电极B。电池正电极与负电极是连接负载与相对应连接充电电路的电极端。而电场电极A与电场电极B是连接电场电源，形成可控电池内部电场的强弱与方向，进行快速充放电。
参照图2、图5所示，本实施例一种内置可控电场二次电池及其快速充放电锂铁磷酸电池装置的工作原理是：
●正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
充电时：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-
放电时：Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4
●负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。
负极材料：采用石墨材料(或钛酸盐)。
充电时：xLi++xe-+6C→LixC6
放电时：LixC6→xLi++xe-+6C
参照附图2所示，快速充放电LiFePO4电池的内部结构。左边依次排序是电场电极A连接绝缘膜中的电场铝箔极板A，由正极铝箔与电池正电极连接的橄榄石结构的LiFePO4电池正极，中间是聚合物的离子交换隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳(石墨)组成的电池负极，由铜箔与电池的负电极连接，电场电极B连接绝缘膜中的电场铝箔极板B。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子(带正电)在充放电时来回迁移而命名的。
参照附图5所示，电场电极A与电场电极B，通过双联切换开关K1连接电源V1，电池正电极与电池负电极通过单联切换开关K2连接负载与充电电源V2。
当开关K1切换到充电位置，电场电极A接通电源V1正极与电场电极B接通电源V1负极，锂铁磷酸电池LiFePO4正极与石墨负极之间有一个较强的电场E，电场E方向从LiFePO4正极指向石墨负极。此时开关K2切换到充电位置，锂铁磷酸电池在充电时，电场E加强了LiFePO4正极中的锂离子Li+的排斥力，锂离子Li+通过聚合物隔膜，锂离子Li+向石墨负极吸引迁移，极大提高了导电率与加快锂离子Li+扩散速度，形成快速恒压充电。
当开关K1切换到放电位置，电场电极A接通电源V1负极与电场电极B接通电源V1正极，锂铁磷酸电池LiFePO4正极与石墨负极之间有一个较强的电场E，电场E方向从石墨负极指向LiFePO4正极。此时开关K2切换到负载放电位置，锂铁磷酸电池在放电时，电场E加强石墨负极中的锂离子Li+的脱插排斥力，锂离子Li+通过聚合物隔膜，锂离子Li+向LiFePO4正极迁移嵌入，极大提高了导电率与加快锂离子Li+扩散速度，形成快速放电。
实施例2
参照图3所示，一种内置可控电场二次电池及其快速充放电锂铁磷酸电池装置是由：正电极铝箔3.1、电场电极A3.2、铝箔板A3.3、绝缘膜3.4、正极材料(LiFePO4)3.5、离子交换隔膜3.6、外壳负电极3.7、负极材料(钛酸盐)3.8、绝缘膜3.9、铝箔板B 3.10、电解质3.11、电场电极B 3.12、负电极铜箔3.13、正电极3.14所组成。快速充放电锂铁磷酸电池装置对外电气连接共有4个电极端，分别是电池正电极与负电极，以及电场电极A与电场电极B。电池正电极与负电极是连接负载与相对应连接充电电路的电极端。而电场电极A与电场电极B是连接电场电源，形成可控电池内部电场的强弱与方向，进行快速充放电。
本实施例2一种内置可控电场二次电池及其快速充放电锂铁磷酸电池装置的工作原理与实施例1工作原理相同。
本发明实施例2所述的一种快速充放电锂铁磷酸电池装置，其石墨负极材料与钛酸盐负极材料主要不同特征是：在电池充放电生命期内，这种重复的电动力(移动和张力)会使石墨平面产生疲劳，并最终导致石墨结构碎裂。这些碎裂会导致粒子间电气接触断开，因而降低电池的能量，最终缩短其使用寿命。用钛酸盐氧化物(如：钛酸锂氧化物nLTO)代替石墨，使得钛酸盐氧化物成为‘零张力’负极材料。这样，在锂离子进入和离开钛酸盐氧化物时就不会改变材料的形状。钛酸锂氧化物材料是三维晶状结构。这种结构具有容纳锂离子的空间，其大小与原子基本相当。这样在充电和放电过程中就不会产生压力或应力，使得电池可以比传统的锂电池与锂铁磷酸电池，能更频繁的快速充放电，也不存在像石墨材料那样会引起损伤的粒子疲劳。用钛酸盐氧化物作为负极材料，能极大的延长电池使用寿命。石墨负极材料与钛酸盐负极材料工作受力示意图，参看附图4所示。
实施例3
参看附图7所示，本发明所述的一种多个单只电芯串联组成一个高电压的快速充放电锂铁磷酸电池装置是由：单芯内置可控电场二次电池4.1、电池正电极4.2、电池正负极4.3、电场电极A4.4、电场电极B 4.5、塑料外壳4.6、塑料盖板4.7、电场电极连线4.8、电池正负电极连线4.9所组成。
Claims (7)
1、一种内置可控电场的二次电池，在离子交换隔膜的两侧分别设置有正极材料与负极材料，该正极材料与负极材料均设置在电解质中，所述正极材料与负极材料分别与电池的正极、负极连接，其特征在于，在该内置可控电场的二次电池中设置有一个内置电隔离的电场极板对，该电场极板对中的A极板设置在所述电池正极的外侧，并与该电池正极绝缘；该电场极板对中的B极板设置在所述电池负极的外侧，并与该电池负极绝缘。
2、根据权利要求1所述的内置可控电场的二次电池，其特征在于，所述的电解液为：所述的电解液溶质选自：高氯酸锂、六氟磷酸锂或四氟硼酸锂；所述的电解液溶剂选自：乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯或二乙基碳酸酯。
3、根据权利要求1所述的内置可控电场的二次电池，其特征在于，所述的的电场极板对中的A极板与B极板采用铜、铝或石墨。
4、根据权利要求1或2或3所述的内置可控电场的二次电池，其特征在于，所述的正极材料是LiFePO4、负极材料是石墨或钛酸盐；构成内置可控电场二次电池及其快速充放电锂铁磷酸电池。
5、根据权利要求1或2或3所述的内置可控电场的二次电池，其特征在于，所述的正极材料是高铁酸盐；所述的负极材料是锌、铝、铁、镉或镁；构成内置可控电场二次电池及其快速充放电高铁电池。
6、一种权利要求1所述的内置可控电场的二次电池的快速充放电方法，其特征在于，所述内置可控电场的二次电池在使用时，在所述的内置电隔离的电场极板对的A极、B极之间施加电压：
在放电状态，该电场极板对中的A极板与所述电池正极的极性相反；该电场极板对中的B极板与所述电池负极的极性相反；
在充电状态，该电场极板对中的A极板与所述电池正极的极性相同；该电场极板对中的B极板与所述电池负极的极性相同。
7、根据权利要求6所述的内置可控电场的二次电池的快速充放电方法，其特征在于，单芯电池在放电状态，所述施加的外部电压为6V～24V；
单芯电池在充电状态，所施加的电压值与电池正极、负极之间的电压值相同。
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