CN105070943A - 一种快速充电锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速充电锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、有机电解液和外壳，其特征在于，所述负极片上布设有径向贯穿的有脱/嵌锂能力的材料制成的纳米管。充入电解液后，纳米管中心的纳米孔可以存储电解液，在纳米管电极之间运送电荷，每个独立的纳米管都将成为一个电池，并联起来共同供电，能够实现锂电池的快速充电，10-15分钟即可完成充满电池。

Description

一种快速充电锂电池
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，尤其涉及一种快速充电锂电池。
背景技术
锂离子电池作为新一代高能电池产品，具有高能量密度、低记忆效应、循环寿命长等优点，已广泛应用于移动通信设备、手机、平板电脑、仪表电器、汽车等众多领域。传统的锂离子电池正极材料采用锂复合氧化物，比如钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂等，负极则采用碳或石墨。传统的锂离子电池充电时间长，需要耗费大量时间等待手机充满，给须尽快给设备充满电的人带来很多不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速充电锂电池。
本发明所采取的技术方案是：
一种快速充电锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、有机电解液和外壳，所述负极片上布设有径向贯穿的有脱/嵌锂能力的材料制成的纳米管。
优选地，所述纳米管为二氧化钛纳米管或碳纳米管。
进一步优选地，所述碳纳米管的制备方法包括以下步骤：
S1：对铝片进行两步阳极氧化制备氧化铝模板；
S2：将S1所得模板置于密闭反应器中，通入碳源气，于3×104~5×104Pa的气压下，600-1000℃温度下，制备得到碳纳米管阵列。
作为上述方案的进一步改进，所述负极片的制备方法，包括以下步骤：将所述碳纳米管阵列辊压，裁切成均匀的负极片。
进一步优选地，所述二氧化钛纳米管是纯钛在电解液体系中经阳极氧化制备得到的。
作为上述方案的进一步改进，所述负极片的制备方法，包括以下步骤：
S1：负极配料：将溶剂、粘结剂和所述二氧化钛纳米管真空混合，得到负极溶浆；
S2：负极拉浆：将S1所得负极溶浆蒸发部分溶剂得到负极溶胶，将负极溶胶均匀涂覆在电解铜箔表面，得到负极浆片；
S3：负极裁片：将S2所得负极浆片烘干，辊压，裁切成均匀的软负极片。
优选地，所述纳米管内径为1-50nm。
优选地，所述纳米管管长为50-300mm。
优选地，所述有机电解液包括有机溶剂、锂盐、纳米二氧化硅和锡激活剂，所述锡激活剂为金属离子、卤素离子、谷胱甘肽、EDTA有机分子、对酶原激活的生物大分子中的至少一种。
优选地，所述外壳由纳米胶体材料制成。
本发明的有益效果是：针对目前锂离子电池充电速度慢的问题，本发明提供了一种快速充电锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、有机电解液和外壳，所述负极片上布设有径向贯穿的有脱/嵌锂能力的材料制成的纳米管。充入电解液后，纳米管中心的纳米孔可以存储电解液，在纳米管电极之间运送电荷，每个独立的纳米管都将成为一个电池，并联起来共同供电，能够实现锂电池的快速充电，10-15分钟即可完成充满电池。
附图说明
图1为负极片结构简图。
图2为纳米管显微镜图。
图3为实施例1所得的碳纳米管阵列电镜图。
图4为实施例2所得的二氧化钛纳米管膜电镜图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1，本发明提供了一种快速充电锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、有机电解液和外壳，所述负极片上布设有径向贯穿的有脱/嵌锂能力的材料制成的纳米管1。所述纳米管1为二氧化钛纳米管或碳纳米管。所述纳米管1中心具有一个纳米孔2，所述纳米管1内径为1-50nm，即纳米孔2直径为1-50nm。所述纳米管1管长为50-300mm。锂电池负极由多个纳米管1并联组成，每个纳米管1就相当于一个锂电池负极，所述纳米管1中空形成纳米孔2，所述纳米孔2内可以填充电解液，在纳米管1电极之间运送电荷，所述纳米管1在负极片上径向排列。所述有机电解液包括有机溶剂、锂盐、纳米二氧化硅和锡激活剂，所述锡激活剂为金属离子、卤素离子、谷胱甘肽、EDTA有机分子、对酶原激活的生物大分子中的至少一种，所述有机电解液可以在纳米管电极之间运送电荷。所述外壳由纳米胶体材料制成，如纳米硅胶体材料。
参照图2，图2为纳米管1在显微镜下的照片，可以看到形成的纳米管1成矩阵形排列。
所述纳米管1为二氧化钛纳米管或碳纳米管。所述碳纳米管的制备方法包括以下步骤：S1：对铝片进行两次阳极氧化得到氧化铝模板；S2：将S1所得模板置于密闭反应器中，通入碳源气，于3×104~5×104Pa的气压下，600-1000℃温度下，制备得到碳纳米管阵列。优选地，所述碳纳米管的制备方法包括以下步骤：S1：取铝片，去除其表面油脂污垢，400-600℃氮气保护下退火4-6h，洗涤，电抛光5-15min，在电解液中，在10-160V氧化电压下，对铝片进行一次氧化，去除表面氧化层，在与一次氧化相同条件下进行二次氧化，从铝片上剥离氧化铝膜并去除阻挡层；S2：将S1所得模板置于密闭反应器中，通入乙炔或乙烯，于3×104~5×104Pa的气压下，600-1000℃温度下，催化生长2-6h，制备得到碳纳米管阵列。进一步优选地，所述S1中所述电解液可为草酸电解液，在草酸电解液中氧化电压为20-60V；所述电解液可为硫酸电解液，在硫酸电解液中氧化电压为10-30V；所述电解液可为磷酸电解液，在磷酸电解液中氧化电压为60-160V。进一步地，所述负极片的制备方法，包括以下步骤：将所述碳纳米管阵列辊压，裁切成均匀的负极片。
所述二氧化钛纳米管是纯钛在电解液体系中经阳极氧化制备得到的。优选地，所述二氧化钛纳米管的制备方法具体步骤为：取钛箔板作为阳极，铂电极或石墨电极做阴极，在含氟离子的溶液中，在两极施加10-22V电压，氧化10-30min，制备得到二氧化钛纳米管膜。进一步优选地，所述含氟离子的溶液中含有HF、NH4F、NaF、KF中至少一种，还可含有HCl、H2SO4、H3PO4、(NH4)2SO4、(NH4)H2PO4中的至少一种。进一步地，所述负极片的制备方法，包括以下步骤：S1：负极配料：将溶剂、粘结剂和所述二氧化钛纳米管膜真空混合，得到负极溶浆；S2：负极拉浆：将S1所得负极溶浆蒸发部分溶剂得到负极溶胶，将负极溶胶均匀涂覆在电解铜箔表面，得到负极浆片；S3：负极裁片：将S2所得负极浆片烘干，辊压，裁切成均匀的软负极片。所述溶剂为草酸、无水乙醇和水的混合物。所述粘合剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。
实施例1：
取质量分数为99.99%的铝片，使用压片机对铝片施加压力使其平整，使用丙酮去除铝片表面的油脂，乙醇洗涤一次，在500℃氮气保护下退火5h，用去离子水淋洗。以石墨作对电极，10V电压下，在体积比1:5的高氯酸+酒精混合溶液中电抛光10min，以铜板作对电极，45V电压下，在5℃，2mol·L-1的草酸中阳极氧化20h。将一次氧化得到的铝片浸入磷酸、铬酸混合液中去除铝片表面的氧化层，所述磷酸浓度为5%，铬酸浓度为2%。在与一次氧化相同条件下进行二次氧化，二次氧化时间为5h，采用逆电剥离的方法从铝片上剥离氧化铝膜并去除阻挡层。将氧化铝膜置于密闭反应器中，通入乙炔，于3×104Pa的气压下，700℃温度下，催化生长5h，制备得到碳纳米管阵列。所得到的碳纳米管阵列电镜图如图3，纳米管内径为1nm，管长为50mm。将所得的碳纳米管阵列辊压，裁切成均匀的负极片，焊接极片端后贴上胶纸编号，得到有编号的负极片；正负极卷绕，将加工好的正极片、负极片和隔膜自上而下按照“正极片-隔膜-负极片”的叠放顺序送入卷绕机中，在底部贴上胶纸并套上绝缘片固定，在底部超声焊接铝镍复合带，分别焊接正负极的极片端，形成锂电池电芯，测试是否短路；把锂电池芯装上夹具进行激光焊接，然后依次对内阻、气密性进行全检，再称重分电池的等级；将焊接后的锂电池放在真空注液机中，注入电解液，电解液为碳酸乙烯酯、六氟磷酸锂、纳米二氧化硅混合液，所述有机电解液还包氯离子、谷胱甘肽、EDTA有机分子和对酶原激活的生物大分子；注入电解液后封口，再分别把正极、负极的接口焊接起来，在正极顶上加上电池盖帽，装上电池外壳，包装薄膜纸，得到锂电池成品；将锂电池成品70℃烘烤2h，然后进行充放电循环测试，测试结果为12min可完成充电，经过3000次充放电循环后，容量降为初始容量的70%。
实施例2：
取钛箔板作为阳极，铂电极或石墨电极做阴极，电解液为含NH4F、H2SO4和醋酸钠的水和甘油混合液，所述水和甘油的体积比为1:4，所述NH4F的质量分数为0.5%，所述醋酸钠含量为0.1mol·L-1，添加H2SO4调节电解液pH为5，在两极施加10-22V电压，氧化10-30min，制备得到二氧化钛纳米管膜，所得二氧化钛纳米管膜电镜图如图4，纳米管内径为50nm，管长为300mm。将0.6质量份草酸、5质量份无水乙醇、80质量份水混合成的溶剂、0.1质量份聚偏氟乙烯和0.3质量份聚四氟乙烯混合成的粘结剂和95-98质量份所述二氧化钛纳米管膜真空混合，得到负极溶浆；将所得负极溶浆蒸发部分溶剂得到负极溶胶，通过自动涂布机将负极溶胶均匀涂覆在电解铜箔表面，得到负极浆片；将所得负极浆片送入烘干机在55-70℃，烘干7h，辊压，裁切成均匀的软负极片。焊接极片端后贴上胶纸编号，得到有编号的负极片；正负极卷绕，将加工好的正极片、负极片和隔膜自上而下按照“正极片-隔膜-负极片”的叠放顺序送入卷绕机中，在底部贴上胶纸并套上绝缘片固定，在底部超声焊接铝镍复合带，分别焊接正负极的极片端，形成锂电池电芯，测试是否短路；把锂电池芯装上夹具进行激光焊接，然后依次对内阻、气密性进行全检，再称重分电池的等级；将焊接后的锂电池放在真空注液机中，注入电解液，电解液为碳酸乙烯酯、六氟磷酸锂、纳米二氧化硅混合液，所述有机电解液还包氯离子、谷胱甘肽、EDTA有机分子和对酶原激活的生物大分子；注入电解液后封口，再分别把正极、负极的接口焊接起来，在正极顶上加上电池盖帽，装上电池外壳，包装薄膜纸，得到锂电池成品；将锂电池成品70℃烘烤2h，然后进行充放电循环测试，测试结果为12min可完成充电，经过3500次充放电循环后，容量降为初始容量的70%。

Claims (10)

1.一种快速充电锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、有机电解液和外壳，其特征在于，所述负极片上布设有径向贯穿的有脱/嵌锂能力的材料制成的纳米管。
2.根据权利要求1所述的快速充电锂电池，其特征在于，所述纳米管为二氧化钛纳米管或碳纳米管。
3.根据权利要求2所述的快速充电锂电池，其特征在于，所述碳纳米管的制备方法包括以下步骤：
S1：对铝片进行两步阳极氧化制备氧化铝模板；
S2：将S1所得模板置于密闭反应器中，通入碳源气，于3×104~5×104Pa的气压下，600~1000℃温度下，制备得到碳纳米管阵列。
4.根据权利要求3任一项所述的快速充电锂电池，其特征在于，所述负极片的制备方法，包括以下步骤：将所述碳纳米管阵列辊压，裁切成均匀的负极片。
5.根据权利要求2所述的快速充电锂电池，其特征在于，所述二氧化钛纳米管是纯钛在电解液体系中经阳极氧化制备得到的。
6.根据权利要求5任一项所述的快速充电锂电池，其特征在于，所述负极片的制备方法，包括以下步骤：
S1：负极配料：将溶剂、粘结剂和所述二氧化钛纳米管真空混合，得到负极溶浆；
S2：负极拉浆：将S1所得负极溶浆蒸发部分溶剂得到负极溶胶，将负极溶胶均匀涂覆在电解铜箔表面，得到负极浆片；
S3：负极裁片：将S2所得负极浆片烘干，辊压，裁切成均匀的软负极片。
7.根据权利要求1-6任一项所述的快速充电锂电池，其特征在于，所述纳米管内径为1-50nm。
8.根据权利要求1-6任一项所述的快速充电锂电池，其特征在于，所述纳米管管长为50-300mm。
9.根据权利要求1-6任一项所述的快速充电锂电池，其特征在于，所述有机电解液包括有机溶剂、锂盐、纳米二氧化硅和锡激活剂，所述锡激活剂为金属离子、卤素离子、谷胱甘肽、EDTA有机分子、对酶原激活的生物大分子中的至少一种。
10.根据权利要求1-6任一项所述的快速充电锂电池，其特征在于，所述外壳由纳米胶体材料制成。
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