CN105206868A - 一种内燃机启动用锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机启动用锂离子二次电池，包括正极、负极和电解液，正极包括正极材料，负极包括负极材料，所述正极材料包括有正极活性物质磷酸铁锂，还含有常规活性物质、高电压活性物质和5V活性物质中的至少一种，所述负极材料包括有负极活性物质石墨，还含有钛酸锂、硬碳和合金类负极中的至少一种，所述电解液为防过充电解液。本发明的锂离子二次电池采用复合配方正负极极片设计和电解液功能化设计，获得三个或三个以上充放电平台，防过充平台防止电池组过充失效，防过放平台规避电池组过放失效，工作平台用于内燃机启动和照明等用电，从电芯本体上做到功能化设计，提高电池组的可靠性，简化启动电池系统，降低成本，提高性能。

Description

一种内燃机启动用锂离子二次电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种内燃机启动用锂离子二次电池。
背景技术
内燃机启动电源一般采用铅酸电池，目前逐渐被锂离子二次电池替代。锂离子二次电池存在抗过充电和过放电能力差的缺点，在使用过程中必须加保护板进行管理。内燃机启动电池为安全起见，一般采用磷酸铁锂电池，以额定电压12V的电池组为例，四个电池串联成组。受制于磷酸铁锂单电池3.5V以上电压急剧上升的特点，当电池组充电到14V以上时，电池组电压快速上升，特别是在发动机对电池组大电流充电时，容易出现过充电，致使个别电池过充到4.0V以上，带来整组电池失效。磷酸铁锂电池由于价格较高，功率性能优秀，在市场推广过程中主要采取降低容量获得性价比，一般是替代同样使用条件下铅酸启动电池的容量的20%-50%，此时，该磷酸铁锂启动电池点火启动等启动电池主要功能已超过铅酸启动电池。此种策略就容易出现照明系统或启停系统忘记断电关机下，致使电池过放电，个别电池出现电压低于1.7V，12V电池组电压低于7V，导致电池失效。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种内燃机启动用锂离子二次电池，该锂离子二次电池采用正负极和电解液功能化设计，获得三个或三个以上充放电平台（防过充平台、工作平台、防过放平台），防过充平台规避电池组过充风险，工作平台起到启动电池功能，防过放平台解决电池组过放电风险，提高电池组的可靠性，简化启动电池系统，降低成本，提高性能。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种内燃机启动用锂离子二次电池，所述锂离子二次电池包括正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳，正极包括正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极材料，负极包括负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极材料，所述正极材料包括有正极活性物质磷酸铁锂，还含有常规活性物质、高电压活性物质和5V活性物质中的至少一种，所述负极材料包括有负极活性物质石墨，还含有钛酸锂、硬碳和合金类负极中的至少一种，所述电解液为防过充电解液。
本发明的锂离子二次电池采用正负极和电解液功能化设计，获得三个或三个以上充放电平台（防过充平台、工作平台、防过放平台），防过充平台规避电池组过充风险，工作平台起到启动电池功能，防过放平台解决电池组过放电风险，提高电池组的可靠性，简化启动电池系统，降低成本，提高性能。
一、防过充平台材料设计方案
1、正极防过充配方设计
A、在磷酸铁锂中加常规活性物质；
B、在磷酸铁锂中加高电压活性物质；
C、在磷酸铁锂中加5V活性物质；
D、采用5V多平台正极活性物质；
2、电解液防过充设计：
A、采用氧化还原飞梭型防过充电解液。
B、采用电聚合型防过充电解液。
二、防过放平台材料设计方案
1、正极防过放配方设计：
A、采用5V多平台正极活性物质
2、负极防过放配方设计：
A、采用在石墨中加钛酸锂
B、采用在石墨中加硬碳
C、采用在石墨中加合金类负极。
三、工作平台设计方案
正极：采用磷酸铁锂；
负极：采用石墨；
电解液：启动电池功能型电解液；
优选的，所述常规活性物质为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴酸锂和镍钴锰酸锂中的至少一种。
优选的，所述高电压活性物质为高电压钴酸锂、高电压镍酸锂、高电压锰酸锂、高电压镍钴酸锂和高电压镍钴锰酸锂中的至少一种。
优选的，所述5V活性物质为橄榄石结构的磷酸盐、橄榄石结构的氟磷酸盐、富锂层状固溶体、尖晶石结构的锰系氧化物和反尖晶石结构的钒系氧化物中的至少一种。
更为优选的，所述5V活性物质为LiCoPO4、LiNiPO4、Li2CoPO4F、Li2NiPO4F、Li2FeMn3O8、Li2CoMn3O8、Li2CuMn3O8、Li3V2(PO4)3、LiNi0.5Mn1.5O4、LiTiMnO4、LiCrMnO4、xLi2MnO3(1-x)LiMO2(M=Co、Fe或Ni1/2Mn1/2，x=0-1)、反尖晶石结构V(LiNi)O4和反尖晶石结构V(LiCo)O4中的至少一种。
优选的，所述合金类负极为锡基合金负极、铝基合金负极或硅基合金负极。
优选的，所述防过充电解液为氧化还原飞梭型电解液或电聚合型电解液。
优选的，所述锂离子二次电池组成额定电压为6V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为2-10V,防过充平台电压在7.0-10.0V，工作平台电压在5.0-6.99V，防过放平台电压在2.0-4.99V。
优选的，所述锂离子二次电池组成额定电压为12V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为4-20V，防过充平台电压在14.0-20.0V，工作平台电压在10.0-13.99V，防过放平台电压在4.0-9.99V。
优选的，所述锂离子二次电池组成额定电压为24V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为8.0-40V，防过充平台电压在28.0-40.0V，工作平台电压在20.00-27.99V，防过放平台电压在8.0-19.99V。
所述锂离子二次电池的防过充平台容量占电池容量的0%-25%；所述锂离子二次电池的防过放平台容量占电池容量的0%-25%；所述锂离子二次电池的工作容量占电池容量的50%-90%。
本发明的有益效果在于：本发明的锂离子二次电池采用复合活性物质的正负极材料配方设计和电解液功能化设计，获得三个或三个以上充放电平台（防过充平台、工作平台、防过放平台），防过充平台规避电池组过充风险，工作平台起到启动电池功能，防过放平台解决电池组过放电风险，提高电池组的可靠性，简化启动电池系统，降低成本，提高性能。
附图说明
图1是本发明所述锂离子二次电池的充电曲线图。
图2是本发明所述锂离子二次电池的倍率放电曲线图。
图3是本发明所述锂离子二次电池组成的电池组的充电曲线图。
图4是本发明所述锂离子二次电池组成的电池组的倍率放电图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图1-4对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
一种内燃机启动用锂离子二次电池，所述锂离子二次电池包括正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳，正极包括正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极材料，负极包括负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极材料，所述正极材料包括有正极活性物质磷酸铁锂，还含有常规活性物质，所述负极材料包括有负极活性物质石墨，还含有钛酸锂，所述电解液为防过充电解液。
所述常规活性物质为钴酸锂。
所述防过充电解液为氧化还原飞梭型电解液。
所述锂离子二次电池的额定电压为12V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为4-20V，防过充平台电压在14.0-20.0V，工作平台电压在10.0-13.99V，防过放平台电压在4.0-9.99V。
实施例2
一种内燃机启动用锂离子二次电池，所述锂离子二次电池包括正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳，正极包括正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极材料，负极包括负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极材料，所述正极材料包括有正极活性物质磷酸铁锂，还含有常规活性物质、高电压活性物质和5V活性物质中的任意两种，所述负极材料包括有负极活性物质石墨，还含有钛酸锂、硬碳和合金类负极中的任意两种，所述电解液为防过充电解液。
所述常规活性物质为镍酸锂。
所述高电压活性物质为高电压镍酸锂。
所述5V活性物质为Li2CoMn3O8。
所述合金类负极为铝基合金负极。
所述防过充电解液为氧化还原飞梭型电解液。
所述锂离子二次电池额定电压为12V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为4-20V，防过充平台电压在14.0-20.0V，工作平台电压在10.0-13.99V，防过放平台电压在4.0-9.99V。
实施例3
一种内燃机启动用锂离子二次电池，所述锂离子二次电池包括正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳，正极包括正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极材料，负极包括负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极材料，所述正极材料包括有正极活性物质磷酸铁锂，还含有常规活性物质、高电压活性物质和5V活性物质，所述负极材料包括有负极活性物质石墨，还含有钛酸锂、硬碳和合金类负极，所述电解液为防过充电解液。
所述常规活性物质为锰酸锂。
所述高电压活性物质为高电压锰酸锂。
所述5V活性物质为Li2CuMn3O8。
所述合金类负极为硅基合金负极。
所述防过充电解液为电聚合型电解液。
所述锂离子二次电池组成额定电压为24V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为8.0-40V，防过充平台电压在28.0-40.0V，工作平台电压在20.00-27.99V，防过放平台电压在8.0-19.99V。
实施例4
一种内燃机启动用锂离子二次电池，所述锂离子二次电池包括正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳，正极包括正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极材料，负极包括负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极材料，所述正极材料包括有正极活性物质磷酸铁锂，还含有常规活性物质、高电压活性物质和5V活性物质，所述负极材料包括有负极活性物质石墨，还含有钛酸锂、硬碳和合金类负极，所述电解液为防过充电解液。
所述常规活性物质为镍钴锰酸锂。
所述高电压活性物质为高电压镍钴锰酸锂。
所述5V活性物质为Li3V2(PO4)3。
所述合金类负极为锡基合金负极。
所述防过充电解液为电聚合型电解液。
所述锂离子二次电池组成额定电压为6V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为2-10V,防过充平台电压在7.0-10.0V，工作平台电压在5.0-6.99V，防过放平台电压在2.0-4.99V。
实施例5
一种内燃机启动用锂离子二次电池，所述锂离子二次电池包括正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳，正极包括正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极材料，负极包括负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极材料，所述正极材料包括有正极活性物质磷酸铁锂，还含有常规活性物质、高电压活性物质和5V活性物质，所述负极材料包括有负极活性物质石墨，还含有钛酸锂、硬碳和合金类负极，所述电解液为防过充电解液。
所述常规活性物质为镍钴锰酸锂。
所述高电压活性物质为高电压镍钴锰酸锂。
所述5V活性物质为反尖晶石结构V(LiNi)O4或反尖晶石结构V(LiCo)O4。
所述合金类负极为铝基合金负极。
所述防过充电解液为氧化还原飞梭型电解液。
所述锂离子二次电池组成额定电压为12V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为4-20V，防过充平台电压在14.0-20.0V，工作平台电压在10.0-13.99V，防过放平台电压在4.0-9.99V。
所述锂离子二次电池的防过充平台容量占电池容量的0%-25%；所述锂离子二次电池的防过放平台容量占电池容量的0%-25%；所述锂离子二次电池的工作容量占电池容量的50%-90%。
实施例6
本实施例与上述实施例5的不同之处在于：
所述常规活性物质为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴酸锂和镍钴锰酸锂中的两种或两种以上的混合物。
所述高电压活性物质为高电压钴酸锂、高电压镍酸锂、高电压锰酸锂、高电压镍钴酸锂和高电压镍钴锰酸锂中的两种或两种以上的混合物。
所述5V活性物质为LiCoPO4、LiNiPO4、Li2CoPO4F、Li2NiPO4F、Li2FeMn3O8、LiNi0.5Mn1.5O4、LiTiMnO4、LiCrMnO4、xLi2MnO3(1-x)LiMO2(M=Co、Fe或Ni1/2Mn1/2，x=0-1)中的至少一种。
从图1-4可以看出，本发明的锂离子二次电池采用正负极和电解液功能化设计，获得三个或三个以上充放电平台（防过充平台、工作平台、防过放平台），防过充平台规避电池组过充风险，工作平台起到启动电池功能，防过放平台解决电池组过放电风险，提高电池组的可靠性，简化启动电池系统，降低成本，提高性能。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内燃机启动用锂离子二次电池，所述锂离子二次电池包括正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳，正极包括正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极材料，负极包括负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极材料，其特征在于：所述正极材料包括有正极活性物质磷酸铁锂，还含有常规活性物质、高电压活性物质和5V活性物质中的至少一种，所述负极材料包括有负极活性物质石墨，还含有钛酸锂、硬碳和合金类负极中的至少一种，所述电解液为防过充电解液。
2.根据权利要求1所述的一种内燃机启动用锂离子二次电池，其特征在于：所述常规活性物质为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴酸锂和镍钴锰酸锂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种内燃机启动用锂离子二次电池，其特征在于：所述高电压活性物质为高电压钴酸锂、高电压镍酸锂、高电压锰酸锂、高电压镍钴酸锂和高电压镍钴锰酸锂中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种内燃机启动用锂离子二次电池，其特征在于：所述5V活性物质为橄榄石结构的磷酸盐、橄榄石结构的氟磷酸盐、富锂层状固溶体、尖晶石结构的锰系氧化物和反尖晶石结构的钒系氧化物中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种内燃机启动用锂离子二次电池，其特征在于：所述合金类负极为锡基合金负极、铝基合金负极或硅基合金负极。
6.根据权利要求1所述的一种内燃机启动用锂离子二次电池，其特征在于：所述防过充电解液为氧化还原飞梭型电解液或电聚合型电解液。
7.根据权利要求1所述的一种内燃机启动用锂离子二次电池，其特征在于：所述锂离子二次电池组成额定电压为6V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为2-10V，防过充平台电压在7.0-10.0V，工作平台电压在5.0-6.99V，防过放平台电压在2.0-4.99V。
8.根据权利要求1所述的一种内燃机启动用锂离子二次电池，其特征在于：所述锂离子二次电池组成额定电压为12V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为4-20V，防过充平台电压在14.0-20.0V，工作平台电压在10.0-13.99V，防过放平台电压在4.0-9.99V。
9.根据权利要求1所述的一种内燃机启动用锂离子二次电池，其特征在于：所述锂离子二次电池组成额定电压为24V的电池组，其单电芯电压范围为1-5V，电池组的电压范围为8.0-40V，防过充平台电压在28.0-40.0V，工作平台电压在20.00-27.99V，防过放平台电压在8.0-19.99V。
10.根据权利要求1所述的一种内燃机启动用锂离子二次电池，其特征在于：所述锂离子二次电池的防过充平台容量占电池容量的0%-25%；所述锂离子二次电池的防过放平台容量占电池容量的0%-25%；所述锂离子二次电池的工作容量占电池容量的50%-90%。
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