CN103050676A - 锂离子动力电池及应用该电池的快速充电电动汽车 - Google Patents

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张学花
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Abstract

本发明公开了一种锂离子动力电池，包括正极片、负极片、隔膜、耐高压电解液、壳体；所述正极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有正极活性物质，正极活性物质采用类尖晶石晶体结构的镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)材料；所述负极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有负极活性物质，负极活性物质采用尖晶石晶体结构的钛酸锂（Li4Ti5012）材料，正极片、负极片与隔膜、耐高压电解液组成电芯，其放电电势为2.5-3.5V。本发明还公开了一种快速充电电动汽车，该电动汽车应用上述锂离子动力电池作为动力源。

Description

锂离子动力电池及应用该电池的快速充电电动汽车
技术领域  
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种长寿命、可快速充放电、安全性好的锂离子动力电池及应用该电池的快速充电电动汽车。
背景技术  
目前使用的锂离子动力电池的正极材料, 如LiMn2O4、LiCoNiMnO2、LiFePO4 等传统上与负极碳材料搭配组成锂离子电池，存在使用寿命较短，充放电次数只有500-2000次、快速充放电能力差问题。钛酸锂与镍钴酸锂体系的锂离子电池，因含重金属钴，有一定毒性，价格偏高。镍钴酸锂目前主要用于手机等数码类电池，用于动力电池安全性不好。
以碳做负极的锂电池在应用上仍存在一些弊端： 
1、过充电时易析出锂枝晶，造成电池短路，影响锂电池的安全性能；
2、易形成SEI膜而导致首次充放电效率较低，不可逆容量较大；
3、碳材料的电位较低(接近于金属锂)，并且容易引起电解液的分解,从而带来安全隐患；
4、在锂离子嵌入、脱出过程中体积变化较大，循环稳定性差。 
尖晶石钛酸锂（Li4Ti5012）是一种由金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，其空间点群为Fd3m空间群，晶胞参数a为0.836nm，为不导电的白色晶体，在空气中可以稳定存在。结构类似于反尖晶石:在一个晶胞中，32个氧负离子O2.按立方密堆积排列，占总数3/4的锂离子Li+被四个氧离子紧邻作正四面体配体嵌入空隙，其余的锂离子和所有钛离子Ti4+(原子数目1:5)被六个氧离子紧邻作正八面体配体嵌入空隙，因此其结构可以表示为Li[Li1/3Ti5/3]O4， Li4Ti5012稳定致密的结构可以为有限的锂离子提供进出的通道。Li4Ti5012固有的电子电导率为10-9S/CM  
Li4Ti5012最大的特点就是其“零应变性”。所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，小于1%。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少循环带来的比容量衰减，具有非常好的耐过充、过放特征。
尖晶石型的钛酸锂（Li4Ti5012）具有明显的优势： 
1、钛酸锂（Li4Ti5012）为零应变材料，循环性能可达上万次; 
2、放电电压平稳，而且电解液不致发生分解，提高锂电池安全性能; 
3、与炭负极材料相比，钛酸锂具有高的锂离子扩散系数(为2 *10-8cm2/s)，可高倍率充放电等。 
4、钛酸锂的电势比纯金属锂的高，不易产生锂晶枝，以钛酸锂为负极的锂锂离子电池的安全性好。 
类尖晶石型镍锰酸锂 (LiNi0.5Mn1.5O4)是在尖晶石型锰酸锂基础上发展起来的，与锰酸锂一样是具有三维锂离子通道的正极材料，锰酸锂的电压平台在3.7左右，而镍锰酸锂 (LiNi0.5Mn1.5O4)电压平台为4.7V左右，且高温下的循环稳定性也比锰酸锂有了质的提升。 
近年来，关于镍锰酸锂 (LiNi0.5Mn1.5O4)材料相关方面的研究和应用在国内外均形成快速增长的势态，一些公司如日本SANYO、韩国LG化学、美国Enerdel、法国CEA -Liten、以色列ETVM公司已经在开始尝试LiNi0.5Mn1.5O4材料的商品化开发问题。而日本大金工业也开发出了专用于该材料的氟类电解液。  
类尖晶石晶体结构的镍锰酸锂 (LiNi0.5Mn1.5O4)正极材料与钛酸锂（Li4Ti5012）负极材料搭配的锂离子电池体系，利用各自的优势，可以制成长循环寿命、可快速充放电、安全性好的锂离子动力电池。应用该电池于电动汽车上，电动汽车可以10C的倍率快速充电。
发明内容   
本发明所要解决的技术问题是提供一种长循环寿命、可快速充放电、安全性好的锂离子动力电池，以及应用该电池的快速充电电动汽车。 
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 
一种锂离子动力电池，包括正极片、负极片、隔膜、耐高压电解液、壳体；
所述正极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有正极活性物质，正极活性物质采用类尖晶石晶体结构的镍锰酸锂 (LiNi0.5Mn1.5O4)材料；
所述负极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有负极活性物质，负极活性物质采用尖晶石晶体结构的钛酸锂（Li4Ti5012）材料，正极片、负极片与隔膜、耐高压电解液组成电芯，其放电电势为2.5-3.5V。
以下是本发明对上述方案的进一步优化： 
电池芯正极活性物质由镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4) 86-96%、粘合剂2-8%、导电剂1-8%组成，其负极活性物质由钛酸锂（Li4Ti5012）86-96%、粘合剂2-8%、导电剂1-8%组成，百分数均为质量百分数。
进一步优化：所述粘合剂采用PVDF，所述导电剂采用SP、科琴黑及KS-6或碳纳米管其中的一种或两种以上的组合。 
进一步优化：正极活性物质包括：91%的镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、5%的PVDF、4%的SP； 
负极活性物质包括：90%的钛酸锂（Li4Ti5012）、5%的PVDF、5%的SP。
另一种优化：正极活性物质包括：96%的镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、3%的PVDF、1%的KS-6； 
负极活性物质包括：96%的钛酸锂（Li4Ti5012）、3%的PVDF、1%的科琴黑；
另一种优化：
正极活性物质包括：86%的镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、6%的PVDF、5%的SP、3%的KS-6；
负极活性物质包括：86%的钛酸锂（Li4Ti5012）、6%的PVDF、6%的SP、2%的碳纳米管；
进一步优化：
所述电芯为方形卷绕式电芯、叠片式电芯、圆柱形电芯、铝塑膜软包装电芯、聚合物电芯中的一种。
本发明还提供一种快速充电电动汽车，该电动汽车应用上述锂离子动力电池作为动力源。 
本发明上述技术方案，以镍锰酸锂 (LiNi0.5Mn1.5O4)正极材料与钛酸锂（Li4Ti5012）负极材料、耐高压电解液、隔膜、壳体组成的锂离子电池，其循环寿命可以达到3000-30000次，充电时间可由普通电池的6-8小时缩短为5-30分钟，安全性得到极大的提高。本发明的实施，意味着可以大幅提高电动汽车的使用寿命、快速充放电能力和安全性能。 
下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。 
附图说明
附图1为本发明实施例中锂离子动力电池充放电曲线图； 
附图2为本发明实施例中锂离子动力电池循环曲线图。
具体实施方式  
实施例1：一种锂离子动力电池，包括正极片、负极片、隔膜、耐高压电解液、壳体； 
所述正极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有正极活性物质，正极活性物质采用类尖晶石晶体结构的镍锰酸锂 (LiNi0.5Mn1.5O4)材料；
所述负极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有负极活性物质，负极活性物质采用尖晶石晶体结构的钛酸锂（Li4Ti5012）材料，正极片、负极片与隔膜、耐高压电解液组成电芯，其放电电势为2.5-3.5V。
所述粘合剂采用PVDF，所述导电剂采用SP。 
正极活性物质包括：91%的镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、5%的PVDF、4%的SP； 
负极活性物质包括：90%的钛酸锂（Li4Ti5012）、5%的PVDF、5%的SP；
上述锂离子电池制备步骤如下：
将镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、PVDF、SP溶于NMP，通过混浆机制成正极浆料；
将钛酸锂（Li4Ti5012）、PVDF、SP溶于NMP，通过混浆机制成负极浆料；
正负极集流体均采用铝箔，将前述正负极浆料通过涂布机分别均匀的涂布于铝箔上卷绕成卷，再经烘烤与辊压后分别制成正负极片；
正负极片经烘烤后，进入组装程序，在组装车间将正极片、负极片、隔膜通过卷绕机或叠片机制成电芯，电芯装入铝壳或铝塑膜壳体中注入电解液；
注入电解液的电芯经化成分容后，成为10Ah的镍锰酸锂与钛酸锂体系的锂离子动力电池。
实施例2：一种锂离子动力电池，包括正极片、负极片、隔膜、耐高压电解液、壳体； 
所述正极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有正极活性物质，正极活性物质采用类尖晶石晶体结构的镍锰酸锂 (LiNi0.5Mn1.5O4)材料；
所述负极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有负极活性物质，负极活性物质采用尖晶石晶体结构的钛酸锂（Li4Ti5012）材料，正极片、负极片与隔膜、耐高压电解液组成电芯，其放电电势为2.5-3.5V。
所述粘合剂采用PVDF，所述导电剂采用KS-6或科琴黑。 
正极活性物质包括：96%的镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、3%的PVDF、1%的KS-6； 
负极活性物质包括：96%的钛酸锂（Li4Ti5012）、3%的PVDF、1%的科琴黑；
上述锂离子电池制备步骤如下：
将镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、PVDF、KS-6，溶于NMP，通过混浆机制成正极浆料；
将钛酸锂（Li4Ti5012）、PVDF、科琴黑，溶于NMP，通过混浆机制成负极浆料；
正负极集流体均采用铝箔，将前述正负极浆料通过涂布机分别均匀的涂布于铝箔上卷绕成卷，再经烘烤与辊压后分别制成正负极片；
正负极片经烘烤后，进入组装程序，在组装车间将正极片、负极片、隔膜通过卷绕机或叠片机制成电芯，电芯装入铝壳或铝塑膜壳体中注入电解液；
注入电解液的电芯经化成分容后，成为20Ah的镍锰酸锂与钛酸锂体系的锂离子动力电池。
实施例3：一种锂离子动力电池，包括正极片、负极片、隔膜、耐高压电解液、壳体； 
所述正极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有正极活性物质，正极活性物质采用类尖晶石晶体结构的镍锰酸锂 (LiNi0.5Mn1.5O4)材料；
所述负极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有负极活性物质，负极活性物质采用尖晶石晶体结构的钛酸锂（Li4Ti5012）材料，正极片、负极片与隔膜、耐高压电解液组成电芯，其放电电势为2.5-3.5V。
所述粘合剂采用PVDF，所述导电剂采用SP 与KS-6的组合或SP 与碳纳米管的组合。 
正极活性物质包括：86%的镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、6%的PVDF、5%的SP、3%的KS-6； 
负极活性物质包括：86%的钛酸锂（Li4Ti5012）、6%的PVDF、6%的SP、2%的碳
纳米管；
上述锂离子电池制备步骤如下：
将镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、PVDF、SP、KS-6溶于NMP，通过混浆机制成正极浆料；
将钛酸锂（Li4Ti5012）、PVDF、SP、碳纳米管，溶于NMP，通过混浆机制成负极浆料；
正负极集流体均采用铝箔，将前述正负极浆料通过涂布机分别均匀的涂布于铝箔上卷绕成卷，再经烘烤与辊压后分别制成正负极片；
正负极片经烘烤后，进入组装程序，在组装车间将正极片、负极片、隔膜通过卷绕机或叠片机制成电芯，电芯装入铝壳或铝塑膜壳体中注入电解液；
注入电解液的电芯经化成分容后，成为30Ah的镍锰酸锂与钛酸锂体系的锂离子动力电池。
如图1、图2所示，检测合格后的一定数量的上述单体锂离子动力电池，根据所应用的场合和供电设备不同，可采用串联、并联、串并联结合的方式组装成电池组，得到该长循环寿命、可快速充放电、安全性好的锂离子动力电池组。 
上述实施例1-3中，所述电芯为方形卷绕式电芯、叠片式电芯、圆柱形电芯、铝塑膜软包装电芯、聚合物电芯中的一种。 
本发明还可将实施例1-3中所述的锂离子动力电池作为动力源，应用于电动汽车，形成长寿命可快速充电的电动汽车。 
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (8)

1.一种锂离子动力电池，包括正极片、负极片、隔膜、耐高压电解液、壳体，其特征在于：
所述正极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有正极活性物质，正极活性物质采用类尖晶石晶体结构的镍锰酸锂 (LiNi0.5Mn1.5O4)材料；
所述负极片包括卷绕成卷的铝箔，在铝箔的表面上均匀涂布有负极活性物质，负极活性物质采用尖晶石晶体结构的钛酸锂（Li4Ti5012）材料，正极片、负极片与隔膜、耐高压电解液组成电芯，其放电电势为2.5-3.5V。
2.如权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：
电池芯正极活性物质由镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4) 86-96%、粘合剂2-8%、导电剂1-8%组成，其负极活性物质由钛酸锂（Li4Ti5012））86-96%、粘合剂2-8%、导电剂1-8%组成，百分数均为质量百分数。
3.如权利要求2所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述粘合剂采用PVDF，所述导电剂采用SP、科琴黑及KS-6或碳纳米管其中的一种或两种以上的组合。
4.如权利要求3所述的锂离子动力电池，其特征在于：
正极活性物质包括：91%的镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、5%的PVDF、4%的SP；
负极活性物质包括：90%的钛酸锂（Li4Ti5012）、5%的PVDF、5%的SP。
5.如权利要求3所述的锂离子动力电池，其特征在于：正极活性物质包括：96%的镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、3%的PVDF、1%的KS-6；
负极活性物质包括：96%的钛酸锂（Li4Ti5012）、3%的PVDF、1%的科琴黑。
6.如权利要求3所述的锂离子动力电池，其特征在于：
正极活性物质包括：86%的镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)、6%的PVDF、5%的SP、3%的KS-6；
负极活性物质包括：86%的钛酸锂（Li4Ti5012）、6%的PVDF、6%的SP、2%的碳纳米管。
7.如权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述电芯为方形卷绕式电芯、叠片式电芯、圆柱形电芯、铝塑膜软包装电芯、聚合物电芯中的一种。
8.一种快速充电电动汽车，其特征在于：该电动汽车应用权利要求1-7任一所述的锂离子动力电池作为动力源。
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