CN105406131A

CN105406131A - 一种电容型混合负极极片锂离子动力电池

Info

Publication number: CN105406131A
Application number: CN201510854318.0A
Authority: CN
Inventors: 李朝
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2016-03-16

Abstract

本发明公开了一种电容型混合负极极片锂离子动力电池，包括负极片、正极片和隔膜，负极片、正极片和隔膜相互间隔卷绕或层叠设计，隔膜设置在负极片和正极片之间，负极片为混合负极极片，混合负极极片为三层复合结构，负极极片包括第一负极层、第二负极层和负极集流体层，第一负极层和第二负极层分别涂覆在负极集流体的阴面和阳面，第一负极层为钛酸锂负极材料层，第二负极层为天然石墨、人造石墨、软碳和硬碳混合体系组成的石墨负极材料层，软碳、硬碳的质量占混合体系的50-95%，正极材料层为包含有质量分数5-50%活性炭的正极材料层。本发明的电容型混合负极极片锂离子动力电池具有综合性能优异、加工可操作性强和成本低廉的特点。

Description

一种电容型混合负极极片锂离子动力电池

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体为一种电容型混合负极极片锂离子动力电池。

背景技术

随着现代社会信息化和智能化的高速发展，以及环境污染和能源匮乏日渐严重，社会对蓄电器件的容量和输出功率要求越来越高，锂离子电池和电容器等成为当前研究热点。锂离子电池具有能量密度高、自放电率低等优点，但倍率性能不理想，功率密度较低，而且锂离子电池的电压范围在3.0～4.1V之间，高于4.1V时，电池正极材料和电解液不稳定、易氧化，负极表面易析锂形成锂枝晶，带来安全隐患。电容器虽然具有功率密度高、循环寿命长等优点，但能量密度相对较低，而且自放电率较大。

为了满足高能量密度、高输出特性的需求，近年来，将锂离子电池和电容器的蓄电原理结合的、被称之为混合式电容器的蓄电装置引人注目。但是，目前将锂离子电池与电容器的联用多局限在锂离子电池和活性炭双层电解电容器联用，一般把活性炭材料加入到锂离子电池的活性材料中，如中国专利申请CN103021671A提出了一种锂离子电池电容器，透过在正极活性材料中加入活性炭和在负极活性材料中加入软碳或硬碳形成双电层活性炭电容器，使其制备的锂离子电池电容器同时具有锂离子电池高能量密度和电容器高公路的特点，拓宽了其使用的温度范围和电压范围，具有优良的电量（电荷）保持率。但是，在其技术方案中，活性碳占正极活性材料容量百分比的5.0%～50.0%，软碳或硬碳等A类材料占负极活性材料容量百分比的50.0～95.0%，严重降低了锂离子电池的能量密度；而且，把诸如软碳或硬碳等A类材料加入负极材料、活性炭加入正极材料中，在加工过程在正极和负极的混浆过程即需要加入，不仅加工难度较大不利于生产效率的提升，而且给正负极打浆过程造成诸多不确定因素，产品品质严重依赖于混浆的均匀性，品质风险过高。

发明内容

本发明的目的是提供一种电容型混合负极极片锂离子动力电池，充分考虑石墨负极容量大、嵌锂电位抵、成本低廉的特点和钛酸锂负极循环寿命长、倍率性能良好、安全性能优异、与电解液相容性好的特点，具有综合性能优异、加工可操作性强和成本低廉的特点。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种电容型混合负极极片锂离子动力电池，包括负极片、正极片和隔膜，所述负极片、正极片和隔膜相互间隔卷绕或层叠设计，所述隔膜设置在负极片和正极片之间，所述负极片为混合负极极片，所述混合负极极片为三层复合结构，所述负极极片包括第一负极层、第二负极层和负极集流体层，所述第一负极层和第二负极层分别涂覆在负极集流体的阴面和阳面，所述第一负极层为钛酸锂负极材料层，所述第二负极层为天然石墨、人造石墨、软碳和硬碳混合体系组成的石墨负极材料层，所述软碳、硬碳的质量占混合体系的50-95%，所述正极材料层为包含有质量分数5-50%活性炭的磷酸铁锂正极材料层、锰酸锂正极材料层、钴酸锂正极材料层或镍钴锰三元正极材料层。

进一步地，所述第一负极层和第二负极层在卷绕或层叠中错位相隔，从而实现了锂离子动力电池在卷绕或层叠时结构的一致性，保证了电池性能的一致性。

进一步地，所述负极片、正极片和隔膜相互间隔卷绕形成圆柱状结构，满足圆柱钢壳电池的生产要求，特别是容量型圆柱电池生产设计的需要。

进一步地，所述负极片、正极片和隔膜相互间隔层叠形成方形结构，满足方形软包电池的生产要求，特别是功率型锂离子动力电池生产设计的需要。

进一步地，所述负极集流体层为铜箔，铜箔作为常规的负极集流体，加工工艺成熟，便于负极材料涂布的调试和加工。

进一步地，所述隔膜为PE隔膜、PP隔膜或PE/PP复合隔膜，可以根据实际的电池类型选择不同材质和厚度的隔膜。

进一步地，所述正极片为三层复合结构，所述正极片包括正极集流体层和涂覆在正极集流体层的正极材料层。正极片的结构为常规结构，可以直接利用现有工艺进行生产，提供生产的通用性，降低加工设计成本。

进一步地，所述电容型混合负极极片锂离子动力电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯（DMC)、碳酸二乙酯（DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯（EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC占10%～20%，EC占25%～50%。锂离子电池电解液体系与活性炭超级电容器的电解液体系均为性质现实的有机溶剂体系，既满足锂离子电池的要求，又满足了活性炭超级电容器的工作需要，有效简化了加工制造过程。

进一步地，所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯（VEC)、碳酸亚乙烯酯（VC)，浓度为O.5～3.0%，防过充添加剂有环已苯（CHB)、联苯、二甲苯，浓度为O.5～3.0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯（AS)、邻苯二甲酸酐（PA)，其浓度为O.5～3.0%。

本发明一种电容型混合负极极片锂离子动力电池，具有如下的有益效果：

第一、综合性能优异，同时发挥石墨负极与正极中的诸如磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、钴酸锂、锰酸锂等形成锂离子电池发挥人造石墨、天然石墨的容量大、嵌锂电位抵、成本低廉的特点和钛酸锂负极与诸如磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、钴酸锂、锰酸锂等形成锂离子电池发挥钛酸锂负极具有的循环寿命长、倍率性能良好、安全性能优异、与电解液相容性好的特点，，还通过石墨负极中的软碳、硬碳与正极中的活性炭形成超级电容器，充分发挥超级电容器功率密度高、循环寿命长的特点，显著提升整个锂离子动力电池的综合性能；

第二、加工可操作性强，石墨负极和钛酸锂负极分开搅拌和涂覆，分别涂覆在负极集流体的阴面和阳面，没有直接混合材料加工的不确定性，加之石墨负极中诸如人造石墨、天然石墨、软碳和硬碳均为石墨体系具有较好的兼容性，有效利用现有负极的工艺和设备，同时最终制得的负极片只有一种，简化层叠和卷绕的结构，直接利用现有的层叠或卷绕设备即可进行加工，且加工过程与常规过程无特殊工装或操作要求；

第三、成本低廉，在充分提升锂离子动力电池性能的基础上，有效发挥了石墨负极材料成本低廉的优势，而且加工过程与现有加工操作过程通用性强，有效节省了加工制造的成本。

附图说明

附图1为本发明一种电容型混合负极极片锂离子动力电池混合负极极片结构示意图；

附图2为本发明一种电容型混合负极极片锂离子动力电池方形层叠状结构示意图；

附图3为本发明一种电容型混合负极极片锂离子动力电池圆柱状卷绕结构示意图；

附图4为本发明一种电容型混合负极极片锂离子动力电池正极片结构示意图；

附图中标记包括：1、负极片，2、正极片，3、隔膜，4、钢壳，5、绝缘片，6、盖帽，7、正极材料层，8、铝塑膜，9、第一负极层，10、负极集流体层，11、第二负极层，12、正极集流体层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种电容型混合负极极片锂离子动力电池，包括负极片1、正极片2和隔膜3，所述负极片1、正极片2和隔膜3相互间隔卷绕或层叠设计，所述隔膜3设置在负极片1和正极片2之间，所述负极片1为混合负极极片，所述混合负极极片为三层复合结构，所述负极极片包括第一负极层9、第二负极层11和负极集流体层10，所述第一负极层9和第二负极层11分别涂覆在负极集流体10的阴面和阳面，所述第一负极层9为钛酸锂负极材料层，所述第二负极层11为天然石墨、人造石墨、软碳和硬碳混合体系组成的石墨负极材料层，所述软碳、硬碳的质量占混合体系的50-95%，，所述石墨负极材料包括人造石墨和/或天然石墨。所述第一负极层9和第二负极层11在卷绕或层叠中错位相隔。所述负极集流体层10为铜箔。所述隔膜3为PE隔膜、PP隔膜或PE/PP复合隔膜。所述正极材料层7为包含有质量分数5-50%活性炭的磷酸铁锂正极材料层、锰酸锂正极材料层、钴酸锂正极材料层或镍钴锰三元正极材料层。所述电容型混合负极极片锂离子动力电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯（DMC)、碳酸二乙酯（DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯（EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC占10%～20%，EC占25%～50%。所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯（VEC)、碳酸亚乙烯酯（VC)，浓度为O.5～3.0%，防过充添加剂有环已苯（CHB)、联苯、二甲苯，浓度为O.5～3.0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯（AS)、邻苯二甲酸酐（PA)，其浓度为O.5～3.0%。

实施例2

如图2所示，所述负极片1、正极片2和隔膜3相互间隔层叠形成方形结构。本申请所述的电容型混合负极极片锂离子动力电池为方形层叠状结构，电池通过铝塑膜8封装为方形，隔膜3包覆正极片2和负极片1，正极片2和负极片1相互间隔，所述第一负极层9和第二负极层11在层叠中错位相隔。所述电容型混合负极极片锂离子动力电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯（DMC)、碳酸二乙酯（DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯（EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC占10%～20%，EC占25%～50%。所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯（VEC)、碳酸亚乙烯酯（VC)，浓度为O.5～3.0%，防过充添加剂有环已苯（CHB)、联苯、二甲苯，浓度为O.5～3.0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯（AS)、邻苯二甲酸酐（PA)，其浓度为O.5～3.0%。

实施例3

如图3所示，所述负极片1、正极片2和隔膜3相互间隔卷绕形成圆柱状结构。本申请所述的电容型混合负极极片锂离子动力电池为圆柱形卷绕结构，卷绕后的电芯设置在圆柱形钢壳4中，隔膜3包覆正极片2和负极片1，正极片2和负极片1相互间隔，所述第一负极层9和第二负极层11在层叠中错位相隔，钢壳4上面焊接有盖帽6，盖帽6和电芯之间设有绝缘片5，盖帽6与正极片2连接，钢壳4底部与负极片1连接。

实施例4

如图4所示，所述正极片2为三层复合结构，所述正极片2包括正极集流体层12和涂覆在正极集流体层12的正极材料层7，所述正极集流体层12为铝箔。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种电容型混合负极极片锂离子动力电池，包括负极片（1）、正极片（2）和隔膜（3），所述负极片（1）、正极片（2）和隔膜（3）相互间隔卷绕或层叠设计，所述隔膜（3）设置在负极片（1）和正极片（2）之间，其特征在于：所述负极片（1）为混合负极极片，所述混合负极极片为三层复合结构，所述负极极片包括第一负极层（9）、第二负极层（11）和负极集流体层（10），所述第一负极层（9）和第二负极层（11）分别涂覆在负极集流体（10）的阴面和阳面，所述第一负极层（9）为钛酸锂负极材料层，所述第二负极层（11）为天然石墨、人造石墨、软碳和硬碳混合体系组成的石墨负极材料层，所述软碳、硬碳的质量占混合体系的50-95%，所述正极材料层（7）为包含有质量分数5-50%活性炭的磷酸铁锂正极材料层、锰酸锂正极材料层、钴酸锂正极材料层或镍钴锰三元正极材料层。

2.根据权利要求1所述的电容型混合负极极片锂离子动力电池，其特征在于：所述第一负极层（9）和第二负极层（11）在卷绕或层叠中错位相隔。

3.根据权利要求2所述的电容型混合负极极片锂离子动力电池，其特征在于：所述负极片（1）、正极片（2）和隔膜（3）相互间隔卷绕形成圆柱状结构。

4.根据权利要求2所述的电容型混合负极极片锂离子动力电池，其特征在于：所述负极片（1）、正极片（2）和隔膜（3）相互间隔层叠形成方形结构。

5.根据权利要求3或4所述的电容型混合负极极片锂离子动力电池，其特征在于：所述负极集流体层（10）为铜箔。

6.根据权利要求5所述的电容型混合负极极片锂离子动力电池，其特征在于：所述隔膜（3）为PE隔膜、PP隔膜或PE/PP复合隔膜。

7.根据权利要求6所述的电容型混合负极极片锂离子动力电池，其特征在于：所述正极片（2）为三层复合结构，所述正极片（2）包括正极集流体层（12）和涂覆在正极集流体层（12）的正极材料层（7）。

8.根据权利要求7所述的电容型混合负极极片锂离子动力电池，其特征在于：所述电容型混合负极极片锂离子动力电池还包括锂离子电池电解液，所述锂离子电池电解液由溶剂、电解质盐和添加剂组成，其中溶剂由碳酸二甲酯（DMC)、碳酸二乙酯（DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯（EC)四元组分组成，其体积百分如下：DMC占20%～30%，DEC占20%～30%，EMC占10%～20%，EC占25%～50%。

9.根据权利要求7所述的电容型混合负极极片锂离子动力电池，其特征在于：所述添加剂由成膜添加剂、防过充添加剂和高温添加剂组成，其中，成膜添加剂有碳酸乙烯亚乙酯（VEC)、碳酸亚乙烯酯（VC)，浓度为O.5～3.0%，防过充添加剂有环已苯（CHB)、联苯、二甲苯，浓度为O.5～3.0%，高温添加剂有1，3-丙烷磺内酯（AS)、邻苯二甲酸酐（PA)，其浓度为O.5～3.0%。