CN102263286A - 一种高能量密度锂离子电池 - Google Patents

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何东铭
张小文
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Abstract

本发明公开了一种高能量密度锂离子电池。该电池包括正极、负极、间隔于正负极之间的隔离膜，以及电解液。正极中至少含有A、B两种正极活性材料，其中A具有首次效率高的特性，B具有克容量高但首次效率相对较低的特性；负极中采用高克容量的材料。当此正极和负极搭配使用时，正极中的B可在首次充电时，弥补负极因首次效率低而对正极锂的消耗，从而提高正极材料A晶格中的可恢复锂的数量，进而提高锂离子电池的能量密度。

Description

一种高能量密度锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特指一种高能量密度锂离子电池及其制备方法。
背景枝术
锂离子电池作为一种环保的二次电池，已经在便携式设备如手机、摄像机、笔记本电脑等领域得到了广泛应用。然而，随着现代社会的发展，众多便携式设备都向智能化、多功能化迈进，为了满足其对容量和功率的要求，保证其充足的使用时间，要求其动力源必须具有更高的能量密度。但目前可实用锂离子电池的电化学体系基本固定，很难满足其能量密度的进一步提高。现有的LiCoO2和石墨做成的电池，首次效率仅为88％左右，在型号为454261的软包装电池中，其能量密度仅约为500Wh/L。
在CN102024943A和CN101859888A专利中，提出富锂正极活性材料(LiMnO2/Li2MnO3/Li4Mn5O12)的制备方法，但此类材料由于本身晶格结构不稳定，存在首次效率低、高温存储和循环性能差等问题，很难单独使用。在负极方面，硬碳、Si基合金、Sn基合金、Si-C、Sn-C等负极材料具有较高克容量，是未来锂电的发展方向，但因其首次效率很低(仅为60％～85％)，当与正极搭配使用时，严重影响正极的克容量发挥，从而使其应用受到限制。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种采用至少两种活性材料的混合正极的高能量密度锂离子电池，该锂离子电池的混合正极弥补了负极因首次效率低而对正极锂的消耗，从而提高正极材料晶格中的可恢复锂的数量，进而提高锂离子电池的能量密度。
为了解决上述的技术问题，本发明中首次采用如下的技术方案：
一种高能量密度锂离子电池，其包括正极、负极、间隔于正负极之间的隔离膜，及其电解液，所述的正极中的活性材料至少含有A和B两种，所述的A具有首次效率高的特性，所述B具有克容量高的特性，所述A与B的质量比为1～19。
所述A包括LizNiO2、LizMn2O4、LizCo1-(x+y)NixMnyO2、LizNixMn1 -xO2、LizCoxNi1-xO2、Li3V2PO4中的任意一种，其中x＜1，y＜1，x+y＜1，z≥0.95。
所述B包括Li2MnO3、Li7Mn5O12、Li5Mn4O9、Li6.5Mn5O12、Li4Mn5O12、LizMnO2、LizMnxM1-xO4、(1-x)LiMO2·xLi2MnO3、LizNixCoyMrO4中的任意一种，其中x＜1，y＜1，r＜1，z≥1，M为Ni、Al、Mg、Cr、Ti、Zr、Pt、Au、Pd、Ce、Pr、Nd中的任意一种或者几种。
所述A与B的质量比为1.5～4。
所述负极中活性材料为石墨、硬碳、Li4Ti5O12、金属氮化物、Sn基合金、Si基合金、Sn-C复合物、Si-C复合物、SnO/SnO2、SiOx、SbOx(0.5＜x＜2)中的任意一种或者几种。
所述正极的制备方法包括以下三种：
1)先将活性材料A、活性材料B、粘结剂、导电碳一起混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在正极集流体上，烘干后形成正极。
2)先将活性材料B、粘结剂、导电剂混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在正极集流体上，作为初始极片，接着将活性材料A、粘结剂、导电剂，混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在初始极片的表面，烘干后形成正极。
3)先将活性材料A、粘结剂、导电剂混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在正极集流体上，作为初始极片，接着将活性材料B、粘结剂、导电剂，混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在初始极片的表面，烘干后形成正极。
以上方法工艺较简单，易于批量生产。
所述正极的制备方法还包括以下两种：
1)活性材料A先包覆在活性材料B的表面，然后将包覆好的活性材料与粘结剂、导电碳，混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在正极集流体上，烘干后形成正极。此种方法做出的正极，A颗粒将B颗粒包覆起来，有利于抑制结构不稳定的B的溶解。
2)活性材料B先包覆在活性材料A的表面，然后将包覆好的活性材料与粘结剂、导电碳，混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在正极集流体上，烘干后形成正极。此种方法做出的正极，B颗粒在表面，有助于首次充电时锂的脱出。
以上方法中，通过颗粒之间的包覆，可使活性材料晶体结构更加稳定。但工序复杂，成本较高。
有益效果：
本发明中，正极中至少含有A、B两种正极活性材料，其中A具有首次效率高、高温存储好、循环性能稳定的特性，B具有很高的克容量，但其循环性能较差，B和A搭配使用；负极中采用高克容量的负极活性材料。
相对于现有技术，本发明的优势在于，当此正极和负极搭配使用时，正极中的B可在首次充电时，利用其很高的克容量来弥补负极因首次效率较低而对正极锂的消耗，从而提高A晶格中的可恢复锂的数量，进而提高锂离子电池的能量密度。
与此同时，正极中的B由于与A搭配使用，经过首次循环之后，B中的不稳定的结构会全部通过弥补负极的较低首次效率而消耗，从而转化成一种比较稳定的结构，能保证后期的存储及循环性能。
当采用不同克容量及首次效率的负极时，可通过调整正极中A和B的比例来与负极匹配。调整比例时，要确保正极中B的首次不可逆部分完全用于弥补负极首次效率低而对正极锂的消耗。从而有效保证后期的存储及循环性能。
下表是三种正负极搭配的性能对比，从表中可以看出，应用A、B混合的正极后，首次效率和能量密度得到较大提高，且能保证电池的循环和存储性能。
三种正负极搭配的性能对比
Figure BSA00000513916900041
注“+”表示上述电池性能的优劣等级，“+”越多说明其性能越良好。
附图说明：
图1为本发明中实施例1的正极制备示意图；
图2为本发明中实施例2的正极制备示意图；
图3为本发明中实施例3的正极制各示意图；
图4为本发明中实施例4的正极制备示意图；
图5为本发明中实施例5的正极制备示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
为了提高锂离子电池的能量密度，本发明锂离子电池的正极中至少含有A、B两种正极活性材料，其中A具有首次效率高的特性，B具有克容量高但首次效率相对较低的特性；本发明锂离子电池的负极中采用高克容量的负极活性材料。当此正极和负极搭配使用时，正极中的B可在首次充电时，弥补负极因首次效率低而对正极锂的消耗，从而提高正极材料晶格中的可恢复锂的数量，进而提高锂离子电池的能量密度。
优选的，本发明中的高能量密度锂离子电池，其隔离膜可以是聚丙烯(PP)隔离膜，聚乙烯(PE)隔离膜，或PP和PE复合的高分子隔离膜，也可以是聚偏二氟乙烯(PVDF)、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)等形成的聚合物凝聚态隔离膜。
优选的，本发明的高能量密度锂离子电池，其电解液可以是液态电解液，也可以是聚合物电解质。
实施例1
一种高能量密度锂离子电池，其具体制备步骤如下：
正极(如图一)的制备：第一步，将活性材料A(选用：LiCoO2和LiCo0.2Ni0.5Mn0.3O2混合，质量比为4∶6)，活性材料B(选用：Li2MnO3)、粘结剂(例如：PVDF)、导电剂(例如：导电碳，即SP)按比例溶于溶剂(例如：氮甲基吡咯烷酮，即NMP)中，搅拌均匀为浆料，然后将浆料均匀涂布在正极集流体(例如：铝箔)上，烘干；第二步，经过冷压、切片(即对极片进行裁减、切割成所需要大小的尺寸)，制得正极极片。其中，A与B的质量比为1.0。
负极的制备：将负极活性材料(选用：Si基合金)、和粘结剂(例如：SBR)按比例溶于溶剂(选用：水)中，搅拌均匀为浆料，然后将浆料均匀涂布在负极集流体(例如：铜箔)上。最后经过冷压、切片，制得负极极片。
电池的组装：将正极极片，隔离膜及负极极片卷绕后，形成型号为454261的电池芯，经过封装、注液、化成，抽气成型制得高能量密度锂离子电池。
此例中制备出的电池，首次效率为90％，能量密度为560Wh/L。
实施例2
一种高能量密度锂离子电池，其具体制备步骤如下：
正极的制备：第一步，将活性材料B(选用：LiMnO2)、粘结剂(例如：PVDF)、导电剂(例如：SP)按比例溶于溶剂(例如：NMP)中，搅拌均匀为浆料，然后将浆料均匀涂布在正极集流体(例如：铝箔)上，烘干后作为初始极片；第二步，将活性材料A(选用LiNiO2)和粘结剂(例如：PVDF)、导电剂(例如：SP)按比例溶于溶剂(例如：NMP)中，搅拌均匀为浆料，然后将浆料均匀涂布在初始极片的表面，烘干。第三步，经过冷压、切片(即对极片进行裁减、切割成所需要大小的尺寸)，制得正极极片。其中，A与B的质量比为2.0。
负极的制备：与实施例1不同之处在于活性材料为Sn-C复合物。
电池的组装：与实施例1相同，这里不再赘述。
此例中制备出的电池，首次效率为91％，能量密度为550Wh/L。
实施例3
一种高能量密度锂离子电池，其具体制备步骤如下：
正极的制备：第一步，将活性材料A(选用：LiMn2O4)、粘结剂(例如：聚偏二氟乙烯，即PVDF)、导电剂(例如：导电碳，即SP)按比例溶于溶剂(例如：NMP)中，搅拌均匀为浆料，然后将浆料均匀涂布在正极集流体(例如：铝箔)上，烘干后作为初始极片；第二步，将活性材料B(选用0.5LiMO2·0.5Li2MnO3)和粘结剂(例如：PVDF)、导电剂(例如：SP)按比例溶于溶剂(例如：NMP)中，搅拌均匀为浆料，然后将浆料均匀涂布在初始极片的表面，烘干。第三步，经过冷压、切片(即对极片进行裁减、切割成所需要大小的尺寸)，制得正极极片。其中，其中，A与B的质量比为2.5。
负极的制备：与实施例1不同之处在于活性材料为硬碳。
电池的组装：与实施例1相同，这里不再赘述。
此例中制备出的电池，首次效率为94％，能量密度为530Wh/L。
实施例4
一种高能量密度锂离子电池，其具体制备步骤如下：
正极的制备：第一步，将活性材料A(选用：LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2)和粘结剂(例如：丁苯橡胶，即SBR)按一定的比例溶于溶剂(例如：水)中，搅拌均匀，然后向浆料中逐量加入将活性材料B(选用Li2Mn4O9)，最后蒸发掉溶剂，粉碎、研磨为粉末。第二步：将第一步制得的粉末、粘结剂(例如：PVDF)、导电剂(例如：SP)按比例溶于溶剂(例如：NMP)中，搅拌均匀为浆料，然后将浆料均匀涂布在初始极片的表面，烘干。第三步，经过冷压、切片(即对极片进行裁减、切割成所需要大小的尺寸)，制得正极极片。其中，A与B的质量比为1.5。
负极的制备：与实施例1不同之处在于活性材料为Li4Ti5O12。
电池的组装：与实施例1相同，这里不再赘述。
此例中制备出的电池，首次效率为96％，能量密度为510Wh/L。
实施例5
一种高能量密度锂离子电池，其具体制备步骤如下：
正极的制备：第一步，将活性材料B(选用：Li2MnO3)和粘结剂(例如：PVDF)按一定的比例溶于溶剂(例如：NMP)中，搅拌均匀，然后向浆料中逐量加入将活性材料A(选用LizNixMn1-xO2)，最后蒸发掉溶剂，粉碎、研磨为粉末。第二步：将第一步制得的粉末、粘结剂(例如：SBR)、导电剂(例如：SP)按比例溶于溶剂(例如：水)中，搅拌均匀为浆料，然后将浆料均匀涂布在初始极片的表面，烘干。第三步，经过冷压、切片(即对极片进行裁减、切割成所需要大小的尺寸)，制得正极极片。其中，A与B的质量比为4.5。
负极的制备：与实施例1不同之处在于活性材料为硬碳。
电池的组装：与实施例1相同，这里不再赘述。
此例中制备出的电池，首次效率为92％，能量密度为535Wh/L。
实施例6
本实施例与实施例1相比不同之处在于：负极活性材料为石墨和Si基合金的混合物，其重量比为4∶1。其它与实施例1相同，这里不再赘述。
此例中制备出的电池，首次效率为95％，能量密度为530Wh/L。
实施例7
本实施例与实施例3相比不同之处在于：正极活性材料B为LiNi0.5Co0.4M0.1O4，其中M为Al。其它与实施例3相同，这里不再赘述。
此例中制备出的电池，首次效率为95％，能量密度为530Wh/L。
实施例8
本实施例与实施例3相比不同之处在于：正极活性材料B为LiNi0.5Co0.4M0.1O4，其中M为Al和Mg，各占0.05。其它与实施例3相同，这里不再赘述。
此例中制备出的电池，首次效率为93％，能量密度为540Wh/L。
需要说明的是，根据上述说明书的揭示和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种高能量密度锂离子电池，其包括正极、负极、间隔于正负极之间的隔离膜，及其电解液，其特征在于：所述的正极中的活性材料至少含有A和B两种，所述的A具有首次效率高的特性，所述B具有克容量高的特性，所述A与B的质量比为1～19。
2.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于：所述A包括LizNiO2、LizMn2O4、LizCo1-(x+y)NixMnyO2、LizNixMn1 -xO2、LizCoxNi1-xO2、Li3V2PO4中的任意一种，其中x＜1，y＜1，x+y＜1，z≥0.95。
3.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于：所述B包括Li2MnO3、Li7Mn5O12、Li5Mn4O9、Li6.5Mn5O12、Li4Mn5O12、LizMnO2、LizMnxM1-xO4、(1-x)LiMO2·xLi2MnO3、LizNixCoyMrO4中的任意一种，其中x＜1，y＜1，r＜1，z≥1，M为Ni、Al、Mg、Cr、Ti、Zr、Pt、Au、Pd、Ce、Pr、Nd中的任意一种或者几种。
4.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于：所述A与B的质量比为1.5～4。
5.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于：所述负极中活性材料为石墨、硬碳、Li4Ti5O12、金属氮化物、Sn基合金、Si基合金、Sn-C复合物、Si-C复合物、SnO/SnO2、SiOx、SbOx(0.5＜x＜2)中的任意一种或者几种。
6.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于：所述正极的制备方法为，先将活性材料A、活性材料B、粘结剂、导电碳一起混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在正极集流体上，烘干后形成正极。
7.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于：所述正极的制备方法为，先将活性材料B、粘结剂、导电剂混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在正极集流体上，作为初始极片，接着将活性材料A、粘结剂、导电剂，混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在初始极片的表面，烘干后形成正极。
8.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于：所述正极的制备方法为，先将活性材料A、粘结剂、导电剂混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在正极集流体上，作为初始极片，接着将活性材料B、粘结剂、导电剂，混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在初始极片的表面，烘干后形成正极。
9.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于：所述正极的制备方法为，活性材料A先包覆在活性材料B的表面，然后将包覆好的活性材料与粘结剂、导电碳，混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在正极集流体上，烘干后形成正极。
10.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，其特征在于：所述正极的制备方法为，活性材料B先包覆在活性材料A的表面，然后将包覆好的活性材料与粘结剂、导电碳，混合搅拌成浆料，然后将浆料涂布在正极集流体上，烘干后形成正极。
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