CN103606698A - 一种功率高的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率高的锂离子电池，包括正极片、负极片及置于正、负极片之间的隔膜与电解液，正极包括粘合剂、导电剂以及正极活性物质，正极活性物质包括钴酸锂与锰钴镍酸锂，负极采用碳、锡纳米纤维复合薄膜材料。本发明降低了整机的成本，提高了活性物质比容量，能够提高电极材料的循环性能和保持电极稳定。

Description

一种功率高的锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池，具体涉及一种功率高的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有电压高、体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、寿命长的优点，已经广泛用于便携式电子电器电源，如数码电器电池，手机电池等传统应用领域。目前的锂离子电池可以大致分为两大类产品，两类产品在材料、结构设计等发面存在较大的差异。大规模商业化的高功率锂离子电池正极均采用钴酸锂材料，该电池具有性能稳定、循环寿命长、工作电压高及良好的倍率放电特性等优点，但它也具有高温和过充电安全性差的缺点，这使钴酸锂的高功率锂离子电池在高功率锂离子电池在高功率动力型电源领域的应用收到了限制。能寻早到优良的、价格便宜的正极材料对高功率锂离子电池扩展其应用领域作用很大。而且随着宇航、交通、通讯和信息等产业迅猛发展，航空航天空间技术、国防军用微电子设备、电动汽车、移动通讯产品以及防灾减灾器械备用电源等高新技术领域对锂离子电池的比能量密度和循环寿命提出了更高的要求，因此研究如何提高锂离子电池的比容量、首次充放电效率和循环性能是新型储能材料领域的重要研究方向之一。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种功率高的锂离子电池，具有循环性能好且功率高的优点。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种功率高的锂离子电池，包括正极片、负极片及置于正、负极片之间的隔膜与电解液，所述正极包括粘合剂、导电剂以及正极活性物质，所述正极活性物质包括钴酸锂与锰钴镍酸锂，所述负极采用碳、锡纳米纤维复合薄膜材料。
所述钴酸锂与锰钴镍酸锂的重量比为1：（0.2～9）,所述正极材料的质量百分比为：正极活性物质78～96%，粘合剂2～10%，导电剂2～10%。
所述锰钴镍酸锂的化学式为LiNi0.5-xCo2xMn0.5-xO2，其中0＜x＜0.5。
所述正极活性物质在集流体上的表面涂覆量为70～150g/m2。
所述正极的制作包括以下步骤：
A、将溶剂、粘合剂、正极活性物质以及导电剂加入真空罐中搅拌，通过超声波搅拌设备进行浆料的混合；
B、将该浆料涂覆在流体上，经过烘干，辊压制成正极。
所述负极采用碳基纳米纤维作为锂离子电池负极复合薄膜材料的载体；采用金属锡纳米颗粒作为锂离子电池复合材料的掺杂剂，锡基掺杂剂的含量占复合薄膜材料的10～35wt%，薄膜材料的厚度为4～50μm；碳基纳米纤维相互穿插交织，形成网格空隙；锡基掺杂剂纳米颗粒均匀地包裹于纳米纤维中，或者均匀分散和镶嵌在碳基纳米纤维上或者碳基纳米纤维的网格空隙中；其中，锡基掺杂剂纳米颗粒的直径为10～160nm，碳基纳米纤维的直径为200～500nm，网格空隙的直径为0.5～5μm。
所述负极用锡、碳纳米纤维复合薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
A、将锡前驱体溶液与碳纤维的前驱体聚合物溶液配成均一的纺丝液；
B、用静电纺丝法制得锡的前驱体、聚合物纳米纤维膜，所述静电纺丝法的参数为，纺丝液中，聚合物的质量浓度为8～16wt%，锡前驱体的摩尔浓度为0.2～2mol/L，注射器针头内径为0.6～2mm，施加静电电压为8～20kV，纺丝液流量为0.3～1.7mL/h，接收距离为10～30cm，采用单针或多针头纺丝；
C、在保护气体气氛下于600～1250℃进行碳化，最后降温冷却至室温，其中，升温速度为1～10℃/min，降温速度2～20℃/min，碳化时间为1～6小时，得到一种锂离子电池负极用锡、碳纤维复合薄膜材料。
所述的锡前驱体为四氯化锡、二氯化亚锡、2-乙基己酸锡盐、2-乙基己基酯二甲基锡、顺丁烯二酸二丁基锡、二丁基二月硅酸锡、二丁基单丁酯双马来酸锡、二顺丁烯二酸单丁酯二辛基锡、或二顺丁烯二酸单异辛酯二辛基锡的一种或多种，相应的溶剂包括乙二醇、无水乙酸、乙醇、丙酮的一种或多种组合；所述的制备碳基纳米纤维的聚合物为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛的一种或多种组合，相应的溶剂为二甲基甲酰胺、乙酸乙烯酯、丁烯碳酸酯、二甲基碳酸酯、二甲基亚砜、N-甲基-2-吡咯烷二酮、丙烯碳酸酯或二甲基乙酰胺中的一种或多种混合。
本发明的有益效果：本发明将钴酸锂与锰钴镍酸锂两种正极材料按一定的比例进行混合，弥补了镍钴锰酸锂电导率和振实密度低的缺陷，降低了整机的成本，提高了活性物质比容量；由于纤维内部的阻隔作用以及纤维与纤维之间的网络阻隔作用可以缓冲活性金属锡嵌脱锂离子使得巨大体积膨胀或收缩变化，极大地抑制电极材料的粉化、崩裂和团聚，从而能够提高电极材料的循环性能和保持电极稳定，获得可逆比容量和循环性能好的负极材料。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细地说明。
将5重量份的层状LiCoO2，4重量份的层状LiNi0.2Co0.6Mn0.2O2层状和1重量份的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的混合物在混料机中进行干混后作为正极活性物质，所占重量比例为90%，用重量比例为5%的聚偏二氟乙烯为粘合剂，重量比例为2%的纳米碳纤维，和3%重量比例的超导炭黑导电剂，余量的N-甲基吡咯烷酮溶液，将上述物质依次加入真空搅拌罐中，然后超声波搅拌，制备成化学成分均匀且无气泡的正极浆料，将正极浆料涂布在厚度为30μm的铝箔上，正极活性物质在集流体上的表面涂抹量为100g/m2，然后对正极进行烘干和辊压。
对于负极，将配置好的1.75mL四氯化锡和15mL无水乙酸的均匀溶胶溶液加入到20mL聚乙烯吡咯烷酮的二甲基乙酰胺溶液，浓度为12wt%中，然后在超声波的搅拌下直至形成均一的溶液用于静电纺丝。静电纺丝的过程中，选用内径为1.5mm的注射针头，施加静电电压为15kV，纺丝液流量为0.5mL/h，金属滚筒与针头之间的接收距离为15cm，滚筒外径线速度为4m/s，经过6小时的纺丝得到一定厚度的部分平行取向的纳米纤维毡/膜，再用纤维毡/膜置于碳化炉中在800℃氩气的保护下烘焙2h，升温速度为8℃/min，以7℃/min的降温速度冷却取出则可得到锡、碳纳米纤维复合薄膜材料，其中锡的粒径为20nm左右，锡在纳米纤维表面上的负载量约为15wt%，而纳米纤维管的直径为350～450.首次放电容量为750mAh/g，循环20次后容量任保持在330mAh/g。
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。本行业的技术人应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，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)

1.一种功率高的锂离子电池，包括正极片、负极片及置于正、负极片之间的隔膜与电解液，其特征在于：所述正极包括粘合剂、导电剂以及正极活性物质，所述正极活性物质包括钴酸锂与锰钴镍酸锂，所述负极采用碳、锡纳米纤维复合薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的一种功率高的锂离子电池，其特征在于：所述钴酸锂与锰钴镍酸锂的重量比为1：（0.2～9）,所述正极材料的质量百分比为，正极活性物质78～96%、粘合剂2～10%、导电剂2～10%。
3.根据权利要求2所述的一种功率高的锂离子电池，其特征在于：所述锰钴镍酸锂的化学式为LiNi0.5-xCo2xMn0.5-xO2，其中0＜x＜0.5。
4.根据权利要求3所述的一种功率高的锂离子电池，其特征在于：所述正极活性物质在集流体上的表面涂覆量为70～150g/m2。
5.根据权利要求4所述的一种功率高的锂离子电池，其特征在于，所述正极的制作包括以下步骤：
A、将溶剂、粘合剂、正极活性物质以及导电剂加入真空罐中搅拌，通过超声波搅拌设备进行浆料的混合；
B、将该浆料涂覆在流体上，经过烘干，辊压制成正极。
6.根据权利要求1所述的一种功率高的锂离子电池，其特征在于：所述负极采用碳基纳米纤维作为锂离子电池负极复合薄膜材料的载体；采用金属锡纳米颗粒作为锂离子电池复合材料的掺杂剂，锡基掺杂剂的含量占复合薄膜材料的10～35wt%，薄膜材料的厚度为4～50μm；碳基纳米纤维相互穿插交织，形成网格空隙；锡基掺杂剂纳米颗粒均匀地包裹于纳米纤维中，或者均匀分散和镶嵌在碳基纳米纤维上或者碳基纳米纤维的网格空隙中；其中，锡基掺杂剂纳米颗粒的直径为10～160nm，碳基纳米纤维的直径为200～500nm，网格空隙的直径为0.5～5μm。
7.根据权利要求6所述的一种功率高的锂离子电池，其特征在于：所述负极用锡、碳纳米纤维复合薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
A、将锡前驱体溶液与碳纤维的前驱体聚合物溶液配成均一的纺丝液；
B、用静电纺丝法制得锡的前驱体、聚合物纳米纤维膜，所述静电纺丝法的参数为，纺丝液中，聚合物的质量浓度为8～16wt%，锡前驱体的摩尔浓度为0.2～2mol/L，注射器针头内径为0.6～2mm，施加静电电压为8～20kV，纺丝液流量为0.3～1.7mL/h，接收距离为10～30cm，采用单针或多针头纺丝；
C、在保护气体气氛下于600～1250℃进行碳化，最后降温冷却至室温，其中，升温速度为1～10℃/min，降温速度2～20℃/min，碳化时间为1～6小时，得到一种锂离子电池负极用锡、碳纤维复合薄膜材料。
8.根据权利要求7所述的一种功率高的锂离子电池，其特征在于：所述的锡前驱体为四氯化锡、二氯化亚锡、2-乙基己酸锡盐、2-乙基己基酯二甲基锡、顺丁烯二酸二丁基锡、二丁基二月硅酸锡、二丁基单丁酯双马来酸锡、二顺丁烯二酸单丁酯二辛基锡、或二顺丁烯二酸单异辛酯二辛基锡的一种或多种，相应的溶剂包括乙二醇、无水乙酸、乙醇、丙酮的一种或多种组合；所述的制备碳基纳米纤维的聚合物为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛的一种或多种组合，相应的溶剂为二甲基甲酰胺、乙酸乙烯酯、丁烯碳酸酯、二甲基碳酸酯、二甲基亚砜、N-甲基-2-吡咯烷二酮、丙烯碳酸酯或二甲基乙酰胺中的一种或多种混合。
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