CN101901936A - 一种新型铁锂电池制备方法 - Google Patents

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一种新型铁锂电池制备方法为：采用FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4组合作为正极活性物质，与碳负极组成新型铁锂型锂离子电池，正极活性物质由质量百分比5％～85％的LiMn2O4和95％～15％的FeF3/V2O5复合材料球磨1-8小时制成。正极活性物质制备前，先制备FeF3/V2O5复合材料，将占复合材料总质量1-50％的V2O5与占复合材料总质量99-50％的FeF3高能球磨1-8小时，然后在100-600℃退火1-12小时制备。本发明大幅度提高材料导电性能、电池寿命及放电平台，增强电池大电流放电能力、安全性能优越。

Description

一种新型铁锂电池制备方法
技术领域：
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种新型的铁锂电池的制备方法。
背景技术：
(1)随着经济的不断发展，必然引起石油资源的枯竭和环境污染、温室效应的加剧，人们必须把握经济增长(Economic growth)，环境保护(Environment protection)和能源供给(Energy security)的“三E”之间的平衡关系。时代的需求召唤着高效清洁能源的开发。
伴随高新技术的发展和人民生活水平的提高，锂离子电池制造技术的进步和电池成本的下降，锂离子电池将成为化学电源的主流，其应用前景非常广阔。自从1992年由日本Sony公司导入市场以来，以其重量轻、容量高、工作电压高、使用寿命长且无污染等特点得到迅猛发展，加上其性能受到便携式电子产品制造者的肯定，被广泛用到各种便携式电子产品，如：移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机、MP3、播放机PDA等。
从整个正负极电极材料的发展来看，目前制约锂离子电池能量密度提升的关键因素是正极材料。正极材料在锂离子电池产品组成中占据着最重要的地位，它的性能和价格直接影响到锂离子电池的性能和价格。正极材料还需要额外负担负极材料的不可逆容量损失。因此，正极材料的研究与改进一直是锂离子电池材料研究的关键。
自1990年日本SONY公司发明锂离子电池以来，目前使用最多的正极材料还主要是层状结构的锂钴氧化物(LiCoO2)，以及锂镍氧化物(LiNiO2)、尖晶石型(LiMn2O4)和层状结构(LiMnO2)的锂锰氧化物。
锂钴氧化物，其平均工作电压为3.7V，具有放电平稳，适合大电流放电、比能量高、循环性能好等优点，是应用最广的锂离子电池正极材料。但在LixCoO2中，x＝0.5-1，即充放电过程中尚有0.5个Li+电子没有参与电极反应，尽管其理论比容量为274mAh/g，实际容量只有140mAh/g左右。并且由于钴资源匮乏、价格高，且在大电流应用时LiCoO2的安全性也是一个问题，因而大大限制了钴系锂离子电池的使用范围，尤其是在电动汽车和大型储备电源方面。
锂镍氧化物LiNiO2的理论容量为274mAh/g，实际容量已达110mAh/g左右，具有较好的高温稳定性，自放电率低，无污染，与多种电解液有着良好的相容性。但由于LiNiO2合成困难，且难得到化学计量的LiNiO2，并且其电化学活性差，循环性能也较差，离实际应用还较远。
锂锰氧化物与镍和钴相比，具有价格低廉、资源丰富的优势，目前开发的有尖晶石型锰酸锂和层状结构的锰酸锂，它们具有其它正极材料所不可比拟的物理和化学性质，其热安全性和耐过充电能力极好，但是LiMn2O4在使用过程中由于Mn的溶解等易导致晶格产生缺陷，使得晶体结构无序化，阻塞了锂离子的嵌入和脱嵌通道，从而导致了材料的容量衰减较快。尤其是在高温下(45℃以上)的循环性能剧降和贮存性能差，限制了它的广泛应用。
橄榄石型LiFePO4的理论容量为170mAh/g，热稳定性，安全性和循环寿命良好，但也存在两个缺陷：①电子电导很小，不利于可逆反应，特别是高倍率放电的进行；②Li+在其中的扩散慢。另外，合成理想的LiFePO4也不容易，因为在合成时要防止Fe2+被氧化为Fe3+。
其它锂离子电池正极材料，如LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2，钒的系列化合物，有机硫的化合物等材料的研究工作，国内外都在进行之中，虽然取得了许多有益的成果，有的已经在工业上应用，但有的要在工业上应用还有待于进一步完善和深化。
金属氟化物作为锂离子电池正极材料，因其高理论比容量、低成本、安全和对环境友好而备受关注。但是金属氟化物的绝缘性降低了其电化学性能。如果能解决其导电性能差的问题，金属氟化物将被认为是新一代最具发展潜力的锂离子电池正极材料。
锂离子可以在具有层状或隧道结构的正极材料中嵌入和脱出，而金属氟化物MeF3大部分为PdF3-ReO3型结构，PdF3-ReO3型的MeF3具有允许锂离子嵌入/脱出的结构。金属氟化物作为锂离子电池正极材料的贮能机理并不仅仅是通常的锂离子嵌入/脱出机理，它还能通过可逆化学转换反应贮存能量。其锂离子嵌入/脱出机理和可逆化学转换反应机理反应通式如下：
Figure B2009100441111D0000032
对于一个正极活性材料，要获得高比容量的关键是在氧化还原过程中能充分利用物质的各种氧化态，交换材料中所有的电子，发生类似于式(3)的可逆转换反应，即：
nLi++ne+Men+X→nLiX+Me               (3)
日本京都大学Arai等在1997年提出用过渡金属氟化物作为锂离子电池正极材料，将FeF3与乙炔黑研磨后作为电池正极，发现FeF3在4.5-2V之间的理论容量为237mAh/g。美国的Briscoe等在1999年4月召开的宇航系统电源会议上提出用过渡金属氟化物，如CuF2取代FeS2构成Li/CuF2电池，其比能量为227Wh/kg，比Li/FeS2电池高40％；在2002年的美国MRS秋季会议和2003年召开的第一届国际能源转换工程会议，美国Amatucci教授作了“金属氟化物：纳米复合物-新一代锂离子电池正极材料”报告，并且该课题组从2003年开始研究化学反应贮存锂的锂离子电池新型正极材料，德国Max Planck Institute for Solid State Research的Maier教授课题组从2003年开始研究这类新型正极材料。
FeF3是研究较多的一种锂离子电池新型正极材料。但是，FeF3的导电性很差，采用通常添加导电剂的方法，FeF3的导电性问题仍不能解决。而掺杂V2O5能够与FeF3形成混合导电化合物(MCM)，可以降低材料的阻抗，改进材料的电化学可逆性，增加FeF3的放电容量，使得FeF3/V2O5复合正极材料具有比纯FeF3更好的电化学性能，在0.1C倍率下首次放电比容量可达219mAh/g。因此，利用FeF3/V2O5复合正极材料可开发出一种新型的具有优越能量密度的铁锂电池。但经实验研究发现该材料导电性和电池寿命及放电平台有待进一步提高。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术存在的问题，而提供一种大幅度提高材料导电性能、电池寿命及放电平台、增强电池大电流放电性能、安全性能优越的新型铁锂电池制备方法。
本发明采用的技术方案是：这种新型铁锂电池制备方法为：采用FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4组合作为正极活性物质，与碳负极组成新型铁锂型锂离子电池，正极活性物质由质量百分比5％～85％的LiMn2O4和95％～15％的FeF3/V2O5复合材料组成。
具体制备工艺为：
(1)正极活性物质制备前，先制备FeF3/V2O5复合材料，该复合材料是将占复合材料总质量1％-50％的V2O5与占复合材料总质量99％-50％的FeF3高能球磨1-8小时，然后在100-600℃退火1-12小时制备；
(2)将所制备的FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4球磨1-8小时得正极活性物质；
(3)利用上述正极活性物质，按照常规的锂离子电池正极生产工艺，制得所需合格正极片，然后与负极片、隔膜采用反绕式卷绕成合格卷芯，再与电解液、电池外壳等组装成214867型(外型尺寸21mm×48mm×67mm)锂离子电池，经化成活化后得到本发明的新型铁锂电池。
上述技术方案中，反绕式是指卷绕时采取相反于传统的卷绕方式，以负极夹在隔膜中间，正极放在隔膜上面的顺序，最终正负极间通过隔膜以负极包裹住正极的方式卷绕成卷芯。
突出的实质性特点和显著效果：
本发明采用FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4组合作为正极活性物质，经测试后发现材料的导电性能及电池寿命及放电平台都有大幅度提高，而且FeF3/V2O5复合材料中FeF3与V2O5比例、球磨时间及球磨后退火时间，以及FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4混合物比例，FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4球磨时间都将影响新型铁锂电池的性能。
在卷绕方式上，目前传统的卷绕方式是以正负极耳为中心进行卷绕，导致电芯宽度较大，给电池设计带来不便，也影响到电池设计空间利用率和大电流放电能力。而采用本发明的反绕式则可以避免焊接盖板时正极耳或负极耳的扭转，从而能够增大电池的设计空间，并且降低了现有技术因正极耳或负极耳的扭转导致刺破隔膜时造成的短路或压下盖帽时极耳与不同极性极片直接接触造成的短路发生的可能性，提高了电池的大电流放电性能和安全性能。因此，可以利用本发明的反绕式，开发出大电流放电性能增强和安全性能优越的电池。
附图说明：
图1为本发明的新型铁锂电池典型充放电曲线(0.3C)。
图2为本发明的新型铁锂电池典型循环特性曲线(0.3C)。
具体实施方式：
实施例1：正极活性物质中含质量百分比5％LiMn2O4和95％FeF3/V2O5复合材料(FeF3与V2O5按质量比为99％∶1％高能球磨1小时，然后在600℃退火12小时制备)，卷芯采用反绕式设计的新型铁锂电池。
根据本发明的正极活性物质的如下制备方法：采用FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4组合作为正极活性物质，与碳负极组成新型铁锂型锂离子电池。正极活性物质由质量百分比5％～85％的LiMn2O4和95％～15％的FeF3/V2O5复合材料组成。正极活性物质制备前，先制备FeF3/V2O5复合材料。该复合材料是将占复合材料总质量1％-50％的V2O5与占复合材料总质量99％-50％的FeF3高能球磨1-8小时，然后在100-600℃退火1-12小时制备。将所制备的FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4球磨1-8小时得正极活性物质。
本实施例采用99％的FeF3和1％的V2O5制备FeF3/V2O5复合材料，在正极配料过程中按照95％FeF3/V2O5复合材料，5％LiMn2O4球磨1h得正极活性物质。按照常规的锂离子电池正极生产工艺，按正极活性物质∶导电剂∶PVDF＝85∶10∶5的比例在真空搅拌机中混合搅拌成所需浆料，经拉浆涂布、干燥、裁大片、刮片、抹大片、烘烤、真空脉冲脱气、吸尘、压片、裁小片、称重和极片检验制作成所需合格正极片，然后与负极片、隔膜采用反绕式卷绕成卷芯，再与电解液、电池外壳等组装成214867型(外型尺寸21mm*48mm*67mm)锂离子电池，经化成活化后得到本发明的新型铁锂电池。(实施例1及以下实施例所述电池测试容量及倍率容量保有率和循环性能对比情况见后附表)
实施例2：正极活性物质中含质量百分比5％LiMn2O4和95％FeF3/V2O5复合材料(FeF3与V2O5按质量比为99％∶1％高能球磨1小时，然后在600℃退火12小时制备)，卷芯不采用反绕式的新型铁锂电池。
根据本发明的正极活性物质的如下制备方法：采用FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4组合作为正极活性物质，与碳负极组成新型铁锂型锂离子电池。正极活性物质由质量百分比5％～85％的LiMn2O4和95％～15％的FeF3/V2O5复合材料组成。正极活性物质制备前，先制备FeF3/V2O5复合材料。该复合材料是将占复合材料总质量1％-50％的V2O5与占复合材料总质量99％-50％的FeF3高能球磨1-8小时，然后在100-600℃退火1-12小时制备。将所制备的FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4球磨1-8小时得正极活性物质。
本实施例采用99％的FeF3和1％的V2O5制备FeF3/V2O5复合材料，在正极配料过程中按照95％FeF3/V2O5复合材料：5％LiMn2O4球磨1h得正极活性物质。按照常规的锂离子电池正极生产工艺，按正极活性物质∶导电剂∶PVDF＝85∶10∶5的比例在真空搅拌机中混合搅拌成所需浆料，经拉浆涂布、干燥、裁大片、刮片、抹大片、烘烤、真空脉冲脱气、吸尘、压片、裁小片、称重和极片检验制作成所需合格正极片，然后与负极片、隔膜按传统的卷绕方式卷绕成卷芯，再与电解液、电池外壳等组装成214867型(外型尺寸21mm*48mm*67mm)锂离子电池，经化成活化后得到本发明的新型铁锂电池。
实施例3：正极活性物质中含质量百分比85％LiMn2O4和15％FeF3/V2O5复合材料(FeF3与V2O5按质量比为50％∶50％高能球磨8小时，然后在100℃退火1小时制备)，卷芯采用反绕式设计的新型铁锂电池。
根据本发明的正极活性物质的如下制备方法：采用FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4组合作为正极活性物质，与碳负极组成新型铁锂型锂离子电池。正极活性物质由质量百分比5％～85％的LiMn2O4和95％～15％的FeF3/V2O5复合材料组成。正极活性物质制备前，先制备FeF3/V2O5复合材料。该复合材料是将占复合材料总质量1％-50％的V2O5与占复合材料总质量99％-50％的FeF3高能球磨1-8小时，然后在100-600℃退火1-12小时制备。将所制备的FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4球磨1-8小时得正极活性物质。
本实施例采用50％的FeF3和50％的V2O5制备FeF3/V2O5复合材料，在正极配料过程中按照15％FeF3/V2O5复合材料，85％LiMn2O4球磨8h得正极活性物质。按照常规的锂离子电池正极生产工艺，按正极活性物质∶导电剂∶PVDF＝85∶10∶5的比例在真空搅拌机中混合搅拌成所需浆料，经拉浆涂布、干燥、裁大片、刮片、抹大片、烘烤、真空脉冲脱气、吸尘、压片、裁小片、称重和极片检验制作成所需合格正极片，然后与负极片、隔膜采用反绕式卷绕成卷芯，再与电解液、电池外壳等组装成214867型(外型尺寸21mm*48mm*67mm)锂离子电池，经化成活化后得到本发明的新型铁锂电池。
实施例4：正极活性物质中含质量百分比45％LiMn2O4和55％FeF3/V2O5复合材料(FeF3与V2O5按质量比为75％∶25％高能球磨4小时，然后在300℃退火6小时制备)，卷芯采用反绕式的新型铁锂电池。
根据本发明的正极活性物质的如下制备方法：采用FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4组合作为正极活性物质，与碳负极组成新型铁锂型锂离子电池。正极活性物质由质量百分比5％～85％的LiMn2O4和95％～15％的FeF3/V2O5复合材料组成。正极活性物质制备前，先制备FeF3/V2O5复合材料。该复合材料是将占复合材料总质量1％-50％的V2O5与占复合材料总质量99％-50％的FeF3高能球磨1-8小时，然后在100-600℃退火1-12小时制备。将所制备的FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4球磨1-8小时得正极活性物质。
本实施例采用75％的FeF3和25％的V2O5高能球磨4小时，然后在300℃退火6小时制备FeF3/V2O5复合材料，在正极配料过程中按照55％FeF3/V2O5复合材料，45％LiMn2O4球磨4h得正极活性物质。按照常规的锂离子电池正极生产工艺，按正极活性物质∶导电剂∶PVDF＝85∶10∶5的比例在真空搅拌机中混合搅拌成所需浆料，经拉浆涂布、干燥、裁大片、刮片、抹大片、烘烤、真空脉冲脱气、吸尘、压片、裁小片、称重和极片检验制作成所需合格正极片，然后与负极片、隔膜采用反绕式卷绕成卷芯，再与电解液、电池外壳等组装成214867型(外型尺寸21mm*48mm*67mm)锂离子电池，经化成活化后得到本发明的新型铁锂电池。
不同条件实施例对电池性能的影响如下表
Figure B2009100441111D0000091

Claims (3)

1.一种新型铁锂电池制备方法为：其特征在于采用FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4组合作为正极活性物质，与碳负极组成新型铁锂型锂离子电池，正极活性物质由质量百分比5％～85％的LiMn2O4和95％～15％的FeF3/V2O5复合材料组成。
2.根据权利要求1所述的新型铁锂电池制备方法，具体制备工艺为：
(1)正极活性物质制备前，先制备FeF3/V2O5复合材料，该复合材料是将占复合材料总质量1％-50％的V2O5与占复合材料总质量99％-50％的FeF3高能球磨1-8小时，然后在100-600℃退火1-12小时制备；
(2)将所制备的FeF3/V2O5复合材料与LiMn2O4球磨1-8小时得正极活性物质；
(3)利用上述正极活性物质，按照常规的锂离子电池正极生产工艺，制得所需合格正极片，然后与负极片、隔膜采用反绕式卷绕成合格卷芯，再与电解液、电池外壳组装成外型尺寸21mm×48mm×67mm的214867型锂离子电池，经化成活化后得到本发明的新型铁锂电池。
3.根据权利要求2所述的新型铁锂电池制备方法，其特征在于所述反绕式是指卷绕时采取相反于传统的卷绕方式，以负极夹在隔膜中间，正极放在隔膜上面的顺序，最终正负极间通过隔膜以负极包裹住正极的方式卷绕成卷芯。
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