CN105355964A - 一种不胀气的钛酸锂电池 - Google Patents

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王超
刘海胜
许高洁
刘志宏
徐红霞
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Abstract

本发明提供了一种不胀气的钛酸锂电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，电解液主要由离子液体、锂盐组成。该钛酸锂电池使用离子液体电解液，替代传统六氟磷酸锂（LiPF6）有机溶剂电解液，从根本上解决钛酸锂电池在充电过程中，富锂态钛酸锂（Li7Ti5O12）在六氟磷酸锂（LiPF6）的催化作用下，与烷基碳酸酯有机溶剂发生脱羧基、脱羰基和脱氢反应而产气的问题。本发明钛酸锂电池在充放电及存储的过程中不产生气体，有利于提高钛酸锂电池的循环寿命和储存寿命。

Description

一种不胀气的钛酸锂电池
技术领域
本发明属于钛酸锂电池技术领域，特别涉及一种不胀气的钛酸锂电池。
背景技术
钛酸锂（Li4Ti5O12）是尖晶石结构，具有锂离子的三维扩散通道。Li4Ti5O12相对锂电极的电位为1.55V(vsLi/Li+)，理论容量为175mAh/g。Li+的插入和脱嵌对材料结构几乎没有影响，被称为“零应变”电极材料，具有循环性能优良、放电电压平稳、能够在大多数液体电解质的稳定电压区间使用、嵌锂电位高而不易引起金属锂析出、库仑效率高、材料来源广、清洁环保等优良特性。
但是以钛酸锂为负极的锂离子电池在充放电循环及储存的过程中容易发生胀气，对于软包电池尤为明显。这将导致电芯鼓包，电池的性能也会因此下降，极大降低钛酸锂电池的理论寿命。经研究发现，产生的气体主要为氢气、二氧化碳、甲烷、乙烷等，其原因主要与富锂态钛酸锂（Li7Ti5O12）在六氟磷酸锂（LiPF6）的催化作用下，与烷基碳酸酯有机溶剂发生脱羧基、脱羰基和脱氢反应产生的。因此切断产气反应是解决钛酸锂电池的胀气问题的关键，也是促进钛酸锂电池发展的关键。
发明内容
本发明目的在于提供一种不胀气的钛酸锂电池。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种不胀气的钛酸锂电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，其特征在于，电解液主要由离子液体、锂盐组成。
所述离子液体为咪唑类离子液体、吡啶类离子液体、吡咯类离子液体和吡嗪类离子液体中的一种或几种，
咪唑类离子液体的结构通式为：
吡啶类离子液体的结构通式为：
吡咯类离子液体的结构通式为：
吡嗪类离子液体的结构通式为：
其中，R为CH3(CH2)n，n为0，1，2或3，Y-为双氟甲基磺酰亚胺阴离子（FSI-）或双三氟甲基磺酰亚胺阴离子（TFSI-）。
所述锂盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI），浓度为0.5M~1.5M，最优浓度为0.5M~1M。
正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和镍钴锰锂中的一种或几种；负极活性材料为钛酸锂。
所述的钛酸锂电池采用叠层或者卷绕结构，隔膜位于正极与负极之间，使用铝塑膜封装工艺，制作为额定容量为1Ah的软包电池。
本发明所具有的优点：
本发明所述的钛酸锂电池使用双三氟甲基磺酰亚胺锂-离子液体电解液替代传统的六氟磷酸锂-烷基碳酸酯有机溶剂类电解液，从根本上解决富锂态钛酸锂（Li7Ti5O12）在六氟磷酸锂（LiPF6）的催化作用下，与EC等烷基碳酸酯有机溶剂发生反应而产气的问题，避免钛酸锂电池在循环、存储中的胀气，从而提高钛酸锂电池的循环性能和储存性能。
附图说明
图1是实施例1与比较实例一充放电循环1500圈以后电池厚度变化图。
图2是实施例2充放电1500圈的容量循环示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明及其有益效果进行解释和说明，但并不是作为本发明的限制，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
本实施例提供一种不胀气的钛酸锂电池，其正极材料为三元镍钴锰锂，负极材料为钛酸锂，使用的隔膜为PP材质，使用的电解液为离子液体Py13TFSI，锂盐为LiTFSI，浓度为0.5M。采用卷绕结构制作成额定容量为1Ah的软包钛酸锂电池。
实施例2
本实施例提供一种不胀气的钛酸锂电池，其正极材料为三元镍钴锰锂，负极材料为钛酸锂，使用的隔膜为PP材质，使用的电解液为离子液体Pp14FSI，锂盐为LiTFSI，浓度为1M。采用卷绕结构制作成额定容量为1Ah的软包钛酸锂电池。
实施例3
本实施例提供一种不胀气的钛酸锂电池，其正极材料为磷酸铁锂，负极材料为钛酸锂，使用的隔膜为PP材质，使用的电解液为离子液体EMI-TFSI，锂盐为LiTFSI，浓度为1M。采用叠片结构制作成额定容量为1Ah的软包钛酸锂电池。
实施例4
本实施例提供一种不胀气的钛酸锂电池，其正极材料为磷酸铁锂，负极材料为钛酸锂，使用的隔膜为PP材质，使用的电解液为离子液体EMI-FSI，锂盐为LiTFSI，浓度为1M。采用叠片结构制作成额定容量为1Ah的软包钛酸锂电池。
比较实例一
本比较实例提供一种常规的钛酸锂电池，其正极材料为三元镍钴锰锂，负极材料为钛酸锂，使用的隔膜为PP材质，使用常规的六氟磷酸锂（LiPF6）有机溶剂电解液，锂盐为LiPF6，浓度为1M，有机溶剂为碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）和碳酸甲乙酯（EMC），其中EC、DEC和EMC的体积比为1:1:1。采用叠片结构制作成额定容量为1Ah的软包钛酸锂电池。
将上述实施例及比较实例进行测试。首先记录循环前各个电池的厚度d1，然后在1.5~2.7V的电压范围内，1C倍率下充放电循环1500圈，记录各个电池的厚度d2，计算其厚度膨胀率（d2-d1）/d1，厚度膨胀率及容量保持率如表一所示。
表一
由上表对比发现，比较实例使用传统的六氟磷酸锂有机溶剂电解液的钛酸锂电池在循环1500圈以后，膨胀率高达10.5%，原因主要为在充电过程中，富锂态钛酸锂（Li7Ti5O12）在六氟磷酸锂（LiPF6）的催化作用下，与烷基碳酸酯有机溶剂发生脱羧基、脱羰基和脱氢反应而产气，而且因为胀气的原因，电池的容量保持率下降到86.2%；实施例中使用离子液体电解液替换传统的六氟磷酸锂有机溶剂电解液，钛酸锂电池循环1500圈以后厚度膨胀率维持在0.95%~1.6%，膨胀率较低。因而对比说明此发明的钛酸锂电池确实不胀气，具有较好的循环性能。

Claims (5)

1.一种不胀气的钛酸锂电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，其特征在于，电解液主要由离子液体、锂盐组成。
2.根据权利要求1所述的一种不胀气的钛酸锂电池，其特征在于，所述离子液体为咪唑类离子液体、吡啶类离子液体、吡咯类离子液体和吡嗪类离子液体中的一种或几种；
咪唑类离子液体的结构通式为：
吡啶类离子液体的结构通式为：
吡咯类离子液体的结构通式为：
吡嗪类离子液体的结构通式为：
其中，R为CH3(CH2)n，n为0，1，2或3，Y-为双氟甲基磺酰亚胺阴离子（FSI-）或双三氟甲基磺酰亚胺阴离子（TFSI-）。
3.根据权利要求1所述的一种不胀气的钛酸锂电池，其特征在于，所述锂盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI），浓度为0.5M~1.5M。
4.根据权利要求1所述的一种不胀气的钛酸锂电池，其特征在于，正极活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和镍钴锰锂中的一种或几种；负极活性材料为钛酸锂。
5.根据权利要求1所述的一种不胀气的钛酸锂电池，其特征在于，该电池采用叠层或者卷绕结构，隔膜位于正极与负极之间，使用铝塑膜封装工艺，制作为额定容量为1Ah的软包电池。
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