CN104577194A - 高能量磷酸铁锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池领域，尤其是一种高能量磷酸铁锂电池；本发明的目的是提供一种提高磷酸铁锂电池的容量，实际发挥磷酸铁锂正极材料的克比容量，同时在循环过程中容量不会发生衰减的高能量磷酸铁锂电池；本发明所设计的一种高能量磷酸铁锂电池，以磷酸铁锂、锰酸锂或磷酸锰铁锂为正极活性材料，正极的克比容量为155～162mAh/g，首次效率为98.5～99.5%，双面面密度为10～50mg/cm2，正极压实密度1.6～2.5g/cm3；以石墨为负极活性材料，石墨的克比容量为350～360mAh/g；负极压实密度为1.1～1.8g/cm3，且负极面密度以对应的正极活性物质过量比为5%～30%计算其的面密度；以LiCoO?或LiCrO?或LiNiO?或LiNixCoyMnzO?或LiNixCoyAlzO?作为活性正极补充锂材料等。

Description

高能量磷酸铁锂电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池领域，尤其是一种高能量磷酸铁锂电池。
背景技术
磷酸铁锂电池是指以磷酸铁锂电池为正极材料的一类锂离子电池，以其长寿命、高安全稳定性、宽工作温度范围、广泛的材料来源等突出特点，为业界关注，尤其是动力电池方面。但是磷酸铁锂电池也有其缺点，主要是工作电压较低，只有3.2V，相对其他常用的锂离子正极材料的3.7V来说，振实密度小1.0～1.4g/cm³，这就造成了磷酸铁锂电池的能量密度较低，目前做得最高单体磷酸亚铁锂电池型号为26650圆柱电池，能量密度也只有140.9wh/Kg，电池容量3700mAh，重量84g，电压3.2V。而现在对于锂离子电池的能量密度要求越来越高，尤其是动力电池，如果磷酸亚铁锂电池的能量密度不继续提高，那么其市场地位将会受到极大影响，同时对循环寿命的要求也越来越高。
锂离子电池的性能主要取决于正负极材料选择、设计配比以及其和电解液等的兼容性。电池设计时负极石墨都会有一定的过量即一般负极容量/正极容量≥1.03，保证活性锂的嵌入和脱出有足够的位置，避免金属锂的析出，以保证电池的安全性和循环寿命。正负极与电解液的匹配，尤其是负极与电解液能否形成稳定的固体电解质中间相膜直接影响到电池的容量发挥和寿命。石墨负极表面在充电过程中会形成一层SEI膜，在成膜时需要消耗一定量的活性锂，石墨的首次效率一般在90～95%，成膜需要消耗负极容量的5%～11%的锂。同时电池在循环过程中放电截止电压不会非常低，以免造成过放，所以高阶锂的脱嵌比例非常少，我们可以认为此部分锂储存在负极中基本不参与脱嵌锂。石墨负极表面成膜以及储存的高阶锂均来源于正极材料的活性锂，而磷酸铁锂正极材料的首次效率非常高，基本接近100%，很多材料都能够达到155～163mAh/g，石墨负极形成SEI膜所需要的活性锂来自于正极材料的可逆部分，造成磷酸铁锂电池的正极实际发挥容量降低，一般只有125～140mAh/g。对全电池来讲，容量下降了8%～14%，造成了电池的能量密度降低。
解剖1000次循环后的磷酸铁锂电池，此电池使用的磷酸铁锂正极材料克比容量159mAh/g，首次效率98%，石墨负极材料克比容量350mAh/g，首次效率92%，对解剖后的正负极材料做XRD等结构分析测试，我们发现正负极材料结构基本无变化，其容量还在。用循环后的正极片做扣式电池，以锂片作为对电极和参比电极，0.1C恒流恒压充电到3.6V，截止电流0.01C，再以0.1C的电流放电到2.5V，克比容量仍有159mAh/g,效率≥99%。负极材料亦然，用循环后的负极片做扣式电池，以锂片作为对电极和参比电极，以0.1C、0.05C、0.02C、0.01C阶梯放电到0.005V，再以0.1C的电流恒流充电到2.0V，克比容量350mAh/g,效率≥99%。这说明循环过程中容量的衰减并不是由于正负极材料结构的破坏造成活性锂无法脱嵌引起的，容量的衰减主要是来源于电池内部的一些副反应，尤其是负极表面SEI膜的重整、修复和增厚造成的活性锂被消耗掉，这一现象在最初始的循环过程中表现非常明显，尤其是高温循环或者储存过程中，大约需要消耗8～14%的容量才能保证SEI膜的稳定，此后磷酸铁锂电池的容量就基本保持稳定不变了。
所以如何提高磷酸铁锂电池的容量和寿命，保证可逆循环锂的量是至关重要的；针对以上问题，急需我们解决。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高磷酸铁锂电池的容量，实际发挥磷酸铁锂正极材料的克比容量，同时在循环过程中容量不会发生衰减的高能量磷酸铁锂电池。
为了达到上述目的，本发明所设计的一种高能量磷酸铁锂电池，以磷酸铁锂、锰酸锂或磷酸锰铁锂为正极活性材料，正极的克比容量为155～162mAh/g，首次效率为98.5～99.5%，双面面密度为10～50mg/cm²，正极压实密度1.6～2.5g/cm³；以石墨为负极活性材料，石墨的克比容量为350～360mAh/g；负极压实密度为1.1～1.8g/cm³，且负极面密度以对应的正极活性物质过量比为5%～30%计算其的面密度；以LiCoO₂或LiCrO₂或LiNiO₂或LiNixCoyMnzO₂或LiNixCoyAlzO₂作为活性正极补充锂材料，且0≤x，y、z≤1，x+y+z=1；活性正极补充锂材料的添加量占正极活性物质的0.5%～15%。
作为优选，活性正极补充锂材料与正极活性材料可以在预烧结或预混后加入，也可以与正极材料分开加入。
作为优选，正极极片的制作是先将2～5wt%粘接剂与80～120wt%溶剂甲基吡咯烷酮制成胶液，再加入1～5wt%导电剂分散好，最后加入80～95.5wt%活性材料磷酸铁锂和1～10wt%补锂材料钴酸锂，混合成浆料，调节粘度，在0.010～0.016mm的铝箔上涂布出极片，辊压分切得到正极极片；且正极双面密度为10～44mg/㎝²，压实密度1.8～2.4g/cm³。
作为优选，负极极片的制作是先将1～2wt%增稠剂与去离子水配置成胶液，加入0.5～2wt%导电炭黑分散好，再加入93.8～98wt%活性材料人造石墨，最后加2～4.4wt%粘接剂，混合成浆料，调节粘度，在0.08～0.010mm的铜箔上涂布出极片，负极压实密度1.1～1.8g/cm³。
作为优选，正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为0.012～0.025mm。
根据以上所述，本发明所设计的一种高能量磷酸铁锂电池，电池经搁置之后进行化成，首次化成后老化，充分地将气体复合后再充电截止电压为4.45～4.8V，采用自制内压监控系统实时监测电池内压，本发明所得的高能量磷酸铁锂电池的分容制度为：0.5C恒流恒压充电到3.6V，截止电流0.02C，0.5C恒流放电到2.0V。
具体实施方式
实施例1：
本实施例描述的一种高能量磷酸铁锂电池，以磷酸铁锂为正极活性材料，磷酸铁锂的克比容量为159mAh/g，首次效率为99%；以LiCoO₂作为活性正极补充锂材料，LiCoO₂的添加量占正极活性物质的2%，且LiCoO₂与正极活性材料在预烧结时加入；以天然包覆石墨负极材料，克比容量360mAh/g，首次效率94%。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂3wt%与溶剂甲基吡咯烷酮80wt%配置成胶液，在加入导电剂2wt%分散好，最后加入活性材料磷酸铁锂91.5wt%和补锂材料钴酸锂3.5wt%，混合成浆料，调节粘度，然后在0.016mm的铝箔上涂布出极片，双面面密度38mg/cm²，并辊压分切得到正极极片，压实密度2.3g/cm³；负极极片的制作是先将增稠剂1.2wt%与去离子水配置成胶液，加入导电炭黑0.5wt%分散好，再加入活性材料人造石墨96.2wt%，最后加粘结剂3.6wt%，混合成浆料，调节粘度达，在0.010mm的铜箔上涂布出极片，负极面密度以对应正极活性物质容量过量比25%计算所得面密度，且负极极片压实密度1.5g/cm³；正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为0.02mm的三层PP隔膜。
本发明所得的一种高能量磷酸铁锂电池与现有的磷酸铁锂电池性能对比如下：
实施例2：
本实施例描述的一种高能量磷酸铁锂电池，磷酸铁锂为正极活性材料，磷酸铁锂的克比容量为159mAh/g，首次效率为98.5%；以LiCoO₂作为补充活性锂材料，LiCoO₂的添加量占正极活性物质的5%，且LiCoO₂与正极活性材料在预烧结时加入；以天然包覆石墨为负极活性材料，人造石墨的克比容量为360mAh/g，首次效率为94%。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂2wt%与溶剂甲基吡咯烷酮90wt%配置成胶液，在加入导电剂1.5wt%分散好，最后加入活性材料磷酸铁锂89.5wt%和补锂材料钴酸锂7wt%，混合成浆料，调节粘度，在0.016mm的铝箔上涂布出极片，双面面密度40mg/cm²，并辊压分切得到正极极片，压实密度2.35g/cm³；负极极片的制作是先将增稠剂1.4wt%与去离子水配置成胶液，加入导电炭黑0.8wt%分散好，再加入活性材料人造石墨96wt%，最后加粘结剂3.6wt%，混合成浆料，调节粘度，在0.010mm的铜箔上涂布出极片，负极极片面密度以对应正极活性物质容量过量比20%计算所得面密度，负极压实密度1.55g/cm³；正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为0.02mm的三层PP隔膜。
本发明所得的一种高能量磷酸铁锂电池与现有的磷酸铁锂电池性能对比如下：
实施例3：
本实施例描述的一种高能量磷酸铁锂电池，磷酸铁锂为正极活性材料，磷酸铁锂的克比容量为159mAh/g，首次效率为99%；以人造石墨为负极活性材料，天然包覆石墨的克比容量为355mAh/g，首次效率为93%；以LiCrO₂作为补充活性锂材料，LiCrO₂的添加量占正极活性物质的8%，且LiCrO₂与正极活性材料在预混后加入。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂2wt%与溶剂甲基吡咯烷酮100wt%配置成胶液，在加入导电剂1wt%分散好，最后加入活性材料磷酸铁锂87wt%和补锂材料钴酸锂10wt%，混合成浆料，调节粘度，在0.016mm的铝箔上涂布出极片，双面面密度38mg/cm²，并辊压分切得到正极极片，压实密度2.4g/cm³；负极极片的制作是先将增稠剂1.6wt%与去离子水配置成胶液，加入导电炭黑0.5wt%分散好，再加入活性材料人造石墨96.4wt%，最后加粘结剂3wt%，混合成浆料，调节粘度，在0.010mm的铜箔上涂布出极片，负极面密度以对应正极活性物质容量过量比18%计算所得面密度。负极压实密度1.45g/cm³；正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为0.016mm的三层PP隔膜。
本发明所得的一种高能量磷酸铁锂电池与现有的磷酸铁锂电池性能对比如下：
实施例4：
本实施例描述的一种高能量磷酸铁锂电池，磷酸铁锂为正极活性材料，磷酸铁锂的克比容量为159mAh/g，首次效率为99%；以天然包覆石墨为负极活性材料，天然包覆石墨的克比容量为360mAh/g，首次效率为94%；以LiCrO₂作为补充活性锂材料，LiCrO₂的添加量占正极活性物质的10%，且LiCrO₂与正极活性材料在预混后加入。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂4.5wt%与溶剂甲基吡咯烷酮100wt%配置成胶液，在加入导电剂1wt%分散好，最后加入活性材料磷酸铁锂94wt%和补锂材料钴酸锂2wt%，混合成浆料，调节粘度，在0.016mm的铝箔上涂布出极片，双面面密度36mg/cm²，并辊压分切得到正极极片，压实密度2.1g/cm³；负极极片的制作是先将增稠剂1.2wt%与去离子水配置成胶液，加入导电炭黑1.7wt%分散好，再加入活性材料人造石墨95.2wt%，最后加粘结剂3.8wt%，混合成浆料，调节粘度，在0.010mm的铜箔上涂布出极片，负极面密度以对应正极活性物质容量过量比10%计算所得面密度，负极压实密度1.35g/cm³；正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为0.02mm的三层PP隔膜。
本发明所得的一种高能量磷酸铁锂电池与现有的磷酸铁锂电池性能对比如下：
实施例5：
本实施例描述的一种高能量磷酸铁锂电池，磷酸铁锂为正极活性材料，磷酸铁锂的克比容量为159mAh/g，首次效率为99%；以天然包覆石墨为负极活性材料，天然包覆石墨的克比容量为360mAh/g，首次效率为94%；以LiNiO₂作为补充活性锂材料，LiNiO₂的添加量占正极活性物质的12%，且LiNiO₂与正极活性材料在预烧结时加入。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂4.5wt%与溶剂甲基吡咯烷酮110wt%配置成胶液，在加入导电剂1wt%分散好，最后加入活性材料磷酸铁锂93.5wt%和补锂材料钴酸锂1wt%，混合成浆料，调节粘度，在0.016mm的铝箔上涂布出极片，双面面密度30mg/cm²，并辊压分切得到正极极片，压实密度2.0g/cm³；负极极片的制作是先将增稠剂1.2wt%与去离子水配置成胶液，加入导电炭黑1wt%分散好，再加入活性材料石墨96wt%，最后加粘结剂3.6wt%，混合成浆料，调节粘度，在0.010mm的铜箔上涂布出极片，负极面密度以对应正极活性物质容量过量比20%计算所得面密度，负极压实密度1.45g/cm³；正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为0.25mm的三层PP隔膜。
本发明所得的一种高能量磷酸铁锂电池与现有的磷酸铁锂电池性能对比如下：
实施例6：
本实施例描述的一种高能量磷酸铁锂电池，磷酸铁锂为正极活性材料，磷酸铁锂的克比容量为159mAh/g，首次效率为99%；表面处理石墨负极材料克比容量360mAh/g，首次效率94%；以LiNiO₂作为补充活性锂材料，LiNiO₂的添加量占正极活性物质的12%，且LiNiO₂与正极活性材料在预混后加入。
正极极片的制作是先将粘结剂2wt%与溶剂甲基吡咯烷酮120wt%配置成胶液，在加入导电剂1wt%分散好，最后加入活性材料磷酸铁锂87wt%和补锂材料钴酸锂10wt%，混合成浆料，调节粘度，在0.010mm的铝箔上涂布出极片，双面面密度38mg/cm²，并辊压分切得到正极极片，压实密度2.4g/cm³；负极极片的制作是先将增稠剂1.6wt%与去离子水配置成胶液，加入导电炭黑0.5wt%分散好，再加入活性材料人造石墨96.4wt%，最后加粘结剂3wt%，混合成浆料，调节粘度，在0.008mm的铜箔上涂布出极片，负极面密度以对应正极活性物质容量过量比18%计算所得面密度，负极压实密度1.68g/cm³；正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜0.012mm的PP隔膜。
本发明所得的一种高能量磷酸铁锂电池与现有的磷酸铁锂电池性能对比如下：

Claims (5)

1.一种高能量磷酸铁锂电池，其特征在于：以磷酸铁锂、锰酸锂或磷酸锰铁锂为正极活性材料，正极的克比容量为155～162mAh/g，首次效率为98.5～99.5%，双面面密度为10～50mg/cm²，正极压实密度1.6～2.5g/cm³；以石墨为负极活性材料，石墨的克比容量为350～360mAh/g；负极压实密度为1.1～1.8g/cm³，且负极面密度以对应的正极活性物质过量比为5%～30%计算其的面密度；以LiCoO₂或LiCrO₂或LiNiO₂或LiNixCoyMnzO₂或LiNixCoyAlzO₂作为活性正极补充锂材料，且0≤x，y、z≤1，x+y+z=1；活性正极补充锂材料的添加量占正极活性物质的0.5%～15%。
2.根据权利要求1所述的一种高能量磷酸铁锂电池，其特征在于：活性正极补充锂材料与正极活性材料在预烧结加入或在预混后加入或与正极材料分开加入。
3. 根据权利要求1所述的一种高能量磷酸铁锂电池，其特征在于：正极极片的制作是先将2～5wt%粘接剂与80～120wt%溶剂甲基吡咯烷酮制成胶液，再加入1～5wt%导电剂分散好，最后加入80～95.5wt%活性材料磷酸铁锂和1～10wt%补锂材料钴酸锂，混合成浆料，调节粘度，在0.010～0.016mm的铝箔上涂布出极片，辊压分切得到正极极片；且正极双面密度为10～44mg/㎝²，压实密度1.8～2.4g/cm³。
4. 根据权利要求1所述的一种高能量磷酸铁锂电池，其特征在于：负极极片的制作是先将1～2wt%增稠剂与去离子水配置成胶液，加入0.5～2wt%导电炭黑分散好，再加入93.8～98wt%活性材料人造石墨，最后加2～4.4wt%粘接剂，混合成浆料，调节粘度，在0.08～0.010mm的铜箔上涂布出极片，负极压实密度1.1～1.8g/cm³。
5. 根据权利要求1所述的一种高能量磷酸铁锂电池，其特征在于：正极与负极之间采用隔膜分开，且隔膜为0.012～0.025mm。
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