CN105161756A - 一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池，包括正极材料、负极材料、导电剂、粘结剂、正极片、负极片、隔膜、电解液和壳体，所述正极材料是以磷酸铁锂为主的正极活性物质以及钒酸锂为预警功能的辅助正极活性物质，其中磷酸铁锂的重量比含量是50%-80%，钒酸锂的重量比含量是15%-45%；本发明电池比现有的磷酸铁锂离子电池多一个电量耗尽预警的电压平台，该电压平台比现有的磷酸铁锂锂离子电池的放电平台低，当放电电压到达该预警平台时，就可以在无需软件支持的情况下，通过更简单可靠的电子电路测量特征的预警平台电压，准确提供电量耗尽预警，而且能在预警后仍剩下一定的容量供应急使用。

Description

一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池。
背景技术
近年来随着电动汽车（EV）产业蓬勃发展，磷酸铁锂锂离子电池作为动力电池成为主流，因此磷酸铁锂锂离子电池的需求量增长迅速，对磷酸铁锂锂离子电池也提出了更为苛刻的要求，电动汽车能力来源于电池组，电池组由多个单体电池通过串联和并联方式组成，它要求单体电池具备一致性好，体积小、能量密度高、重量轻、循环寿命长、安全性高和环境友好等优点。另一方面，电动汽车对磷酸铁锂离子电池的剩余电量估计精度要求不断提高，准确估计剩余电量可以提高电池组安全性、延长电池组寿命等，但由于磷酸铁锂锂离子电池的充放电曲线是一个平坦的平台，因此其剩余电量与电压呈非线性关系，通过简单的电压测量方法很难准确估算其剩余电量。
为此人们进行了许多研究，如通过电子电路和各种剩余电量估计算法组成电池剩余电量估计系统来预测磷酸铁锂电池的充放电曲线与电压的非线性关系，用于估算电池的剩余电量。例如中国发明专利号（CN204030731U）公开了一种基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统,该系统包括：采集板：完成电池组信息的实时采集，并将结果反馈给主控板；主控板：主控板将采集板上传的各电池组相关数据进行分析、存储并显示，同时对电池组总体电压电流及当前电量进行测算，并通过冗余CAN总线通信模块对下层单体电池进行充放电管理和控制；CAN总线通信模块：总个系统的通信媒介，所述CAN总线通信模块设有2套总线。均衡模块：通过主控板的控制，实现各电池之间使用量的均衡；显示模块：连接主控模块，显示模块主要用于提供用户查看系统运行状态数据，向用户提供报警提示和系统参数设定功能。
上述方法虽然能提高剩余电量估计精度，但存在电子电路复杂、开发成本高、可靠性差的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有的磷酸铁锂离子电池剩余电量估计系统存在电子电路复杂、开发成本高、可靠性差等问题，而提供一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池，该电池通过更简单可靠的电子电路测量特征的预警平台电压，准确地提供电量耗尽预警，而且能在预警后仍剩下一定的容量供应急使用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池，包括正极材料、负极材料、导电剂、粘结剂、正极片、负极片、隔膜、电解液和壳体，与现有技术不同的是：
所述正极材料包括以磷酸铁锂为主的正极活性物质及以钒酸锂为预警的辅助正极活性物质，其中磷酸铁锂的重量比含量是50%-80%，钒酸锂的重量比含量是15%-45%；
所述导电剂的重量比含量是1.5%～10%；
所述粘结剂的重量比含量是3%～10%。
作为优选，所述负极材料为人工石墨、天然石墨、中间相炭微球的一种；或者上述几种材料混合而成。
作为优选，所述导电剂为碳纳米管、乙炔黑、鳞片石墨或导电炭黑中的一种；或上述多种材料混合而成。
作为优选，所述粘结剂是聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠中的一种；或上述多种材料混合而成。
所述正极片是将上述粘结剂与溶剂甲基吡咯烷酮配成溶液，加入导电剂，分散后加入活性材料磷酸铁锂和辅助正极材料钒酸锂混合成浆料，在铝箔上涂布而成。
所述负极片为用增稠剂和去离子水配置成胶液，加入导电剂，再加入负极材料和粘结剂，混合成浆料，在铜箔上涂布而成。
作为优选，所述正极片、隔膜和负极片依次叠放并采用叠片式结构或卷绕式结构组成卷芯。
作为优选，所述壳体为铝塑复合膜、铝壳或者钢壳。
本发明与现有技术相比，制作出的具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池拥有双放电平台，可提供耗尽预警电压，在无需软件支持的情况下，通过更简单可靠的电子电路测量特征电压平台即可准确提供电量耗尽预警，而且能在预警后仍剩下一定的容量供应急使用，从根本上克服了传统方法中的电子电路复杂、开发成本高、可靠性差的问题；而且本发明制作过程简单，成本低，电量耗尽预警准确。
附图说明
图1是本发明的具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池的充放电曲线图。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明所述具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
本实施例描述的一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池，以磷酸铁锂为主的正极活性物质，磷酸铁锂的克比容量为160mAh／g，首次效率为98%；以钒酸锂为预警功能的辅助正极活性物质，钒酸锂的添加量占正极活性物质的15%，且钒酸锂与正极活性物质为物理混合；以天然石墨负极材料，克比容量360mAh／g，首次效率95%。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂与溶剂甲基吡咯烷酮配成溶液，加入导电剂，分散后加入活性材料磷酸铁锂和辅助正极材料钒酸锂混合成浆料，正极材料中粘结剂：导电剂：活性物质（包括磷酸铁锂和钒酸锂）的质量百分比为：1.5wt%：3.0wt%：95.5wt%，然后在16um的铝箔上涂布出极片，并辊压分切制成正极极片，压实密度2.2g／cm3；负极极片的制作是先将增稠剂去离子水配置成胶液，加入导电炭黑分散好，再加入活性材料人造石墨，最后加粘结剂，混合成浆料，负极材料中粘结剂：导电剂：活性物质的质量百分比为：2wt%：1.5wt%：96.5wt%，在8um的铜箔上涂布出极片，负极片压实密度1.5g/cm3；将以上制作好的正极片和负极片用隔膜（厚度为16μm）分隔。
本实施例采用的电池型号为524482，容量为2000mAh，采用卷绕式结构。
对上述制得的锂离子电池以0.5C电流对其进行充放电测试以及容量测试，结果显示，该电池的理论容量为2000mAh，该电池实际发挥容量为2025mAh。
对上述制得的锂离子电池分别进行针刺安全试验、高处跌落试验、模拟振动台试验以及挤压试验，所有试验过程中电池均无爆炸、无起火现象。
对比例：正极采用磷酸铁锂，负极使用人造石墨，隔膜使用16um单层聚乙烯隔膜，常规制作的电池。
本发明所得的一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池与对比例性能对比如下：
性能对比项目 对比例 本发明的锂离子电池
首次充电容量 mAh 2078 2196
首次放电容量 mAh 1911 2034
首次效率 % 91.9% 92.6%
容量 mAh 1905 2025
重量 g 32.5 32.7
循环寿命 2000次 2000次
充放电平台数 1 2
放电到达耗尽电压后所剩余容量mAh 10 103
实施例2
本实施例描述的一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池，以磷酸铁锂为主的正极活性物质，磷酸铁锂的克比容量为160mAh／g，首次效率为98%；以钒酸锂为预警功能的辅助正极活性物质，钒酸锂的添加量占正极活性物质的30%，且钒酸锂与正极活性物质为物理混合；以天然石墨负极材料，克比容量360mAh／g，首次效率95%。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂与溶剂甲基吡咯烷酮配成溶液，加入导电剂，分散后加入活性材料磷酸铁锂和辅助正极材料钒酸锂混合成浆料，正极材料中粘结剂：导电剂：活性物质（包括磷酸铁锂和钒酸锂）的质量百分比为：1.5wt%：3.0wt%：95.5wt%，然后在16um的铝箔上涂布出极片，并辊压分切制成正极片，压实密度2.2g／cm3；负极极片的制作是先将增稠剂去离子水配置成胶液，加入导电炭黑分散好，再加入活性材料人造石墨，最后加粘结剂，混合成浆料，负极材料中粘结剂：导电剂：活性物质的质量百分比为：2wt%：1.5wt%：96.5wt%，在8um的铜箔上涂布出极片，负极片压实密度1.5g/cm3；将以上制作好的正极片和负极片用隔膜（厚度为16μm）分隔。
本实施例采用的电池型号为524482，容量为2000mAh，采用卷绕式结构。
对上述制得的锂离子电池以0.5C电流对其进行充放电测试以及容量测试，结果显示，该电池的理论容量为2000mAh，该电池实际发挥容量为1986.48mAh。
对上述制得的锂离子电池分别进行针刺安全试验、高处跌落试验、模拟振动台试验以及挤压试验，所有试验过程中电池均无爆炸、无起火现象。
对比例：正极采用磷酸铁锂，负极使用人造石墨，隔膜使用16um单层聚乙烯隔膜，常规制作的电池。
本发明所得的一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池与对比例性能对比如下：
性能对比项目 对比例 本发明的锂离子电池
首次充电容量 mAh 2078 2235
首次放电容量 mAh 1911 2078
首次效率 % 91.9% 92.9%
容量 mAh 1905 2060
重量 g 32.5 32.4
循环寿命 2000次 2000次
充放电平台数 1 2
放电到达耗尽电压后所剩余容量mAh 10 198
实施例3
本实施例描述的一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池，以磷酸铁锂为主的正极活性物质，磷酸铁锂的克比容量为160mAh／g，首次效率为98%；以钒酸锂为预警功能的辅助正极活性物质，钒酸锂的添加量占正极活性物质的45%，且钒酸锂与正极活性物质为物理混合；以天然石墨负极材料，克比容量360mAh／g，首次效率95%。
其中，正极极片的制作是先将粘结剂与溶剂甲基吡咯烷酮配成溶液，加入导电剂，分散后加入活性材料磷酸铁锂和辅助正极材料钒酸锂混合成浆料，正极材料中粘结剂：导电剂：活性物质（包括磷酸铁锂和钒酸锂）的质量百分比为：1.5wt%：3.0wt%：95.5wt%，然后在16um的铝箔上涂布出极片，并辊压分切制成正极片，压实密度2.2g／cm3；负极极片的制作是先将增稠剂去离子水配置成胶液，加入导电炭黑分散好，再加入活性材料人造石墨，最后加粘结剂，混合成浆料，负极材料中粘结剂：导电剂：活性物质的质量百分比为：2wt%：1.5wt%：96.5wt%，在8um的铜箔上涂布出极片，负极片压实密度1.5g/cm3；将以上制作好的正极片和负极片用隔膜（厚度为16μm）分隔。
本实施例采用的电池型号为524482，容量为2000mAh，采用卷绕式结构。
对上述制得的锂离子电池以0.5C电流对其进行充放电测试以及容量测试，结果显示，该电池的理论容量为2000mAh，该电池实际发挥容量为1986.48mAh。
对上述制得的锂离子电池分别进行针刺安全试验、高处跌落试验、模拟振动台试验以及挤压试验，所有试验过程中电池均无爆炸、无起火现象。
对比例：正极采用磷酸铁锂，负极使用人造石墨，隔膜使用16um单层聚乙烯隔膜，常规制作的电池。
本发明所得的一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池与对比例性能对比如下：
性能对比项目 对比例 本发明的锂离子电池
首次充电容量 mAh 2078 2315
首次放电容量 mAh 1911 2152
首次效率 % 91.9% 93%
容量 mAh 1905 2150
重量 g 32.5 32.2
循环寿命 2000次 2000次
充放电平台数 1 2
放电到达耗尽电压后所剩余容量mAh 10 346

Claims (8)

1.一种具有电量耗尽预警功能的磷酸铁锂锂离子电池，包括正极材料、负极材料、导电剂、粘结剂、正极片、负极片、隔膜、电解液和壳体，其特征在于：
所述正极材料包括以磷酸铁锂为主的正极活性物质及以钒酸锂为预警的辅助正极活性物质，其中磷酸铁锂的重量比含量是50%-80%，钒酸锂的重量比含量是15%-45%；
所述导电剂的重量比含量是1.5%～10%；
所述粘结剂的重量比含量是3%～10%。
2.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂离子电池，其特征在于：所述负极材料为人工石墨、天然石墨、中间相炭微球的一种；或者上述几种材料混合而成。
3.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂离子电池，其特征在于：所述导电剂为碳纳米管、乙炔黑、鳞片石墨或导电炭黑中的一种；或上述多种材料混合而成。
4.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂离子电池，其特征在于：所述粘结剂是聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠中的一种；或上述多种材料混合而成。
5.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂离子电池，其特征在于：所述正极片是将上述粘结剂与溶剂甲基吡咯烷酮配成溶液，加入导电剂，分散后加入活性材料磷酸铁锂和辅助正极材料钒酸锂混合成浆料，在铝箔上涂布而成。
6.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂离子电池，其特征在于：所述负极片为用增稠剂和去离子水配置成胶液，加入导电剂，再加入负极材料和粘结剂，混合成浆料，在铜箔上涂布而成。
7.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂离子电池，其特征在于：所述正极片、隔膜和负极片依次叠放，采用叠片式结构或卷绕式结构组成卷芯。
8.根据权利要求1所述的磷酸铁锂锂离子电池，其特征在于：所述壳体为铝塑复合膜、铝壳或者钢壳。
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