CN106229508A - 一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，包括壳体、以及设置在所述壳体内的电解质和一个或多个极芯体，所述电解质浸没所述一个或多个极芯体，每个极芯体包括正极板、负极板和分隔薄膜，正极板和负极板为多个交替层叠结构，分隔薄膜设置在相邻的正极板和负极板之间，分隔薄膜的边缘与所述壳体内壁固定。本发明使用镁基碳化硅复合颗粒作为负极活性物质，由于镁基碳化硅颗粒既具有较高的比容量，电化学性能优异，使得电池的循环性能得到显著改善，并且增强了锂离子二次电池的安全性能。

Description

一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池。
背景技术
随着全球范围内的能源危机及环境污染问题日益严重，寻找绿色可持续发展的新能源已成为能源领域的主要发展方向。电动汽车作为一种节能环保的新能源交通工具正在得到迅速发展，锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长、绿色无污染等优点，使其成为备受瞩目的动力电源之一。但大容量锂离子电池的安全性一直是制约其发展的主要问题之一，在滥用条件下，如高温、内短路、挤压、振动等情况下，电池会冒烟、着火甚至爆炸，给用户带来安全隐患。因此提高锂离子电池的安全性一直是动力电池研究的热点之一。
现有锂离子电池的负极活性物质大多采用石墨材料，得益于其来源丰富，电化学性能稳定，但也有其不可避免的缺点，例如其比容量偏低，副反应较多，层状结构在循环过程中易剥落等劣势，造成容量衰减，以及存在起火、爆炸的风险。普通的锂离子电池，当电池出现挤压、内短路等情况时，巨大的放热量仍然会导致电池发生着火、爆炸等安全隐患。碳化硅作为负极活性物质，具有很高的比容量但自身具有很强的膨胀效应，稳定性差，造成锂离子电池寿命偏短。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，包括壳体，以及设置在所述壳体内的电解质和一个或多个极芯体，所述电解质浸没所述一个或多个极芯体，每个所述极芯体包括正极板、负极板和分隔薄膜，所述的正极板和所述负极板为多个交替层叠结构，所述的分隔薄膜设置在相邻的正极板和负极板之间，所述分隔薄膜的边缘与所述壳体内壁固定，所述正极板包括正极集电层、正极活性物质、第一导电剂和第一粘接剂，所述正极活性物质、所述第一导电剂通过所述第一粘接剂固定在所述正极集电层的外壁上，所述负极板包括负极集电层、负极活性物质碳化硅颗粒、第二导电剂和第二粘结剂，所述负极活性物质碳化硅颗粒、所述第二导电剂通过所述第二粘接剂固定在所述负极集电层的外壁上，所述壳体的顶部设有多个与所述正极板相对应的正极接头和多个与所述负极板相对应的负极接头，所述正极集电层的一端和所述的一端穿过所述壳体与所述正极接头连接，所述负极集电层的一端穿过所述壳体与所述负极接头连接。
优选地，所述电解质为液态电解质，溶质为LiClO4或LiPF6，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯的一种或多种。
优选地，所述的电解质为固态电解质，所述固态电解质为高分子材料、β-氧化铝、Li0.29La0.57TiO3、LiAlCl4中的一种。
优选地，所述分隔薄膜为聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯-聚乙烯多层复合膜中的一种。
优选地，所述第一粘接剂和所述第二粘接剂为聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、LA132、LA133、LA135、F105中的一种或多种。
优选地，所述第一导电剂和第二导电剂为Super P或KS-6级碳/石墨粉末。
优选地，包括聚偏二氟乙烯，所述聚偏二氟乙烯覆盖于所述分隔薄膜的表面。
优选地，所述正极活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂或三元锂。
优选地，所述负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，所述镁基碳化硅复合颗粒由多孔金属镁粉同碳化硅粉体混合后，球磨筛分获得。
优选地，所述负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，所述镁基碳化硅复合颗粒由碳化硅粉体均匀分散于金属镁基片表面后，经温度-压力驱动复合，经过粉碎、球磨、筛分获得，其中所述温度-压力驱动复合的温度为0-650℃，压力为0-3.9GPa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：由于镁基碳化硅颗粒既具有较高的比容量，电化学性能优异，使得电池的循环性能得到显著改善；因碳化硅颗粒均匀分散于镁基基体内，可以充分发挥颗粒增强效果，力学性能显著的增加，使其有效缓解含硅材料在充放电过程中的膨胀效应，充放电过程中结构稳定，副反应少，具有优异循环寿命；此外，镁基与碳化硅复合后的负极材料，增强了锂离子二次电池的安全性能。
附图说明
图1为本发明提出的一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池的结构示意图。
图中，100为壳体，101为正极接头，102为负极接头，200为分隔薄膜，201为正极集电层，202为负极集电层，203为正极活性物质，204为负极活性物质碳化硅颗粒，205为第一粘结剂，205’为第二粘结剂，206为第一导电剂，206’为第二导电剂，207为镁基板，208为电解质，209为正极板，210为负极板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
主要原料来源说明：SP和KS-6为石墨碳黑导电材业内级别标准，也是国内通用品名，源于TIMREX公司同名系列产品。
实施例1
参照图1，一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，包括壳体100，以及设置在所述壳体内的电解质208和一个或多个极芯体，所述电解质208浸没所述一个或多个极芯体，每个所述极芯体包括正极板209、负极板210和分隔薄膜200，所述的正极板209和所述负极板210为多个交替层叠结构，所述的分隔薄膜200设置在相邻的正极板209和负极板210之间，所述分隔薄膜200的边缘与所述壳体100内壁固定，所述正极板209包括正极集电层201、正极活性物质203、第一导电剂206和第一粘接剂205，所述正极活性物质203、所述第一导电剂206通过所述第一粘接剂205固定在所述正极集电层201的外壁上，所述负极板210包括负极集电层202、负极活性物质204碳化硅颗粒、第二导电剂206’和第二粘结剂205’，所述负极活性物204质碳化硅颗粒、所述第二导电剂206’通过所述第二粘接剂205’固定在所述负极集电层202的外壁上，所述壳体100的顶部设有多个与所述正极板209相对应的正极接头和多个与所述负极板210相对应的负极接头，所述正极集电层201的一端和所述的一端穿过所述壳体100与所述正极接头连接，所述负极集电层202的一端穿过所述壳体与所述负极接头连接。
所述电解质为液态电解质，溶质为LiClO4，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯，所述碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯质量比为1:1:1。
所述液态电解液的浓度为1.0mol/L。
所述分隔薄膜为聚丙烯。
所述第一粘接剂和所述第二粘接剂为聚偏二氟乙烯。
所述第一导电剂和第二导电剂为Super P。
所述聚偏二氟乙烯覆盖于所述分隔薄膜的表面。
所述正极活性物质为磷酸铁锂；主要组分质量比为LiFePO4：SP：KS-6：PVDF＝92:3.5:1:3.5。
所述负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，所述镁基碳化硅复合颗粒由碳化硅粉体均匀分散于金属镁基片表面后，经温度-压力驱动复合，经过粉碎、球磨、筛分获得，其中所述温度-压力驱动复合的温度为0℃，压力为3GPa。
负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，主要组分质量比为镁基碳化硅：SP：PVDF＝92:4.5:3.5。
采用卷绕式结构制作成32650圆柱电池，容量为6.2Ah
实施例2
一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池的结构同实施例1，不同的组分及制备工艺在于：
所述电解质为液态电解质，溶质为LiPF6，溶剂为碳酸乙烯酯。
液态电解液的浓度为1.0mol/L。
所述分隔薄膜为聚乙烯。
所述第一粘接剂和所述第二粘接剂为丁苯橡胶。
所述第一导电剂和第二导电剂为KS-6级碳/石墨粉末。
所述聚偏二氟乙烯覆盖于所述分隔薄膜的表面。
所述正极活性物质为钴酸锂。
所述负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，所述镁基碳化硅复合颗粒由碳化硅粉体均匀分散于金属镁基片表面后，经温度-压力驱动复合，经过粉碎、球磨、筛分获得，其中所述温度-压力驱动复合的温度为650℃，压力为0GPa。
正极活性物质为钴酸锂，主要组分质量比为钴酸锂：SP：KS-6级碳/石墨粉末：PVDF＝92:3.5:1:3.5。
负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，主要组分质量比为镁基碳化硅：SP：聚偏二氟乙烯＝92:4.5:3.5。
采用卷绕式结构制作成103450圆柱电池，容量为5.0Ah。
实施例3
一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池的结构同实施例1，不同的组分及制备工艺在于：
所述的电解质为固态电解质，所述固态电解质为β-氧化铝。
所述分隔薄膜为聚丙烯-聚乙烯多层复合膜。
所述第一粘接剂和所述第二粘接剂为LA132。
所述第一导电剂和第二导电剂为Super P。
所述聚偏二氟乙烯覆盖于所述分隔薄膜的表面。
所述正极活性物质为锰酸锂。
优选地，所述负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，所述镁基碳化硅复合颗粒由碳化硅粉体均匀分散于金属镁基片表面后，经温度-压力驱动复合，经过粉碎、球磨、筛分获得，其中所述温度-压力驱动复合的温度为50℃，压力为3.5GPa。
正极活性物质为锰酸锂，主要组分质量比为锰酸锂：KS-6：LA132＝92:1:3.5。
负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，主要组分质量比为镁基碳化硅：SP：LA132＝92:4.5:3.5。
采用卷绕式结构制作成32650圆柱电池，容量为5.0Ah。
实施例4
一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池的结构同实施例1，不同的组分及制备工艺在于：
所述的电解质为固态电解质，所述固态电解质为Li0.29La0.57TiO3。
所述分隔薄膜为聚丙烯。
所述第一粘接剂和所述第二粘接剂为聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、LA132、LA133和LA135，所述聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、LA132、LA 133和LA135的质量比为1:1:1:1:1。
所述第一导电剂和第二导电剂为Super P。
所述聚偏二氟乙烯覆盖于所述分隔薄膜的表面。
所述正极活性物质为三元锂。
所述负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，所述镁基碳化硅复合颗粒由碳化硅粉体均匀分散于金属镁基片表面后，经温度-压力驱动复合，经过粉碎、球磨、筛分获得，其中所述温度-压力驱动复合的温度为550℃，压力为0.8GPa。
正极活性物质为三元锂，主要组分质量比为LiFePO4：SP：PVDF＝92:3.5:3.5。
负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，主要组分质量比为镁基碳化硅：SP：PVDF＝92:4.5:3.5。
采用卷绕式结构制作成32650圆柱电池，容量为6.2Ah。
表1为了对比本发明提供的一种新型锂离子电池与现有锂电池的性能参数，制备出同样结构的石墨负极体系32650锂离子电池，然后进行测试对比各方面电性能。
表1锂电池的性能参数对照表
参见表1，容量测试显示，本发明实施例1提供的锂离子电池容量高于普通锂离子电池，可达6.2Ah，明显具有更高比能量。倍率性能测试显示，本发明实施例1提供的锂离子电池在大倍率充放电性能优异，充电恒流比较高，且大倍率放电温升较低，电池安全性能更好。在3C倍率循环性能测试中，本发明实施例1提供的锂离子电池循环性能明显优于普通锂离子电池循环性能，3C循环2000周容量保持率为80％。在对满电电池进行针刺安全实验时，本发明实施例1提供的锂离子电池针刺最高温度108℃，不起火，不爆炸，而石墨负极体系锂离子电池针刺后问温度高达180℃。在对电池进行过充安全实验时，本发明实施例1提供的锂离子电池过充电(1C充电至1.5倍上限电压，保持60min)最高温度66℃，且不起火、不爆炸，而石墨负极体系锂离子电池过充电(1C充电至1.5倍上限电压，保持60min)最高温度达135℃。
本发明实施例2提供的锂离子电池在容量于普通锂离子电池一致的前题下，本发明实施例2提供的锂离子电池倍率性能测试显示，在大倍率充放电性能优异，充电恒流比更高，实现6C充电，且大倍率放电温升更低，为15℃，电池安全性能更好。在3C倍率循环性能测试中，本发明实施例2提供的锂离子电池循环性能通用优于普通锂离子电池循环性能。在对满电电池进行针刺安全实验时，本发明实施例2提供的锂离子电池针刺最高温度进一步降至102℃，不起火，不爆炸。在对电池进行过充安全实验时，本发明实施例2提供的锂离子电池过充电(1C充电至1.5倍上限电压，保持60min)最高温度仅为50℃，且不起火、不爆炸，而石墨负极体系锂离子电池过充电(1C充电至1.5倍上限电压，保持60min)最高温度达135℃。
本发明实施例3提供的锂离子电池在容量于普通锂离子电池一致的前题下，倍率性能测试显示，本发明实施例3提供的锂离子电池能提供极好的大倍率充放电性能优异，充电恒流比高达10C，同时保持较低大倍率放电温升，保证电池安全性能。在3C倍率循环性能测试中，本发明实施例3提供的锂离子电池循环性能1200周容量保持率为80％，优于普通锂离子电池。另外，本发明实施例3提供的锂离子电池针刺最高温度115℃，过充电最高温度66℃，且不起火、不爆炸，对应性能优于普通锂离子电池。
本发明实施例4提供的锂离子电池在容量于普通锂离子电池一致的前题下，提供极好的循环充放次数，在3C倍率循环性能测试中，本发明实施例3提供的锂离子电池循环性能3000周容量保持率为80％，为所有实施例中最佳。另外，本发明实施例3提供的锂离子电池针刺最高温度96℃，过充电最高温度52℃，且不起火、不爆炸，优于普通锂离子电池，且综合安全性能在实施例中最优。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，其特征在于：包括壳体，以及设置在所述壳体内的电解质和一个或多个极芯体，所述电解质浸没所述一个或多个极芯体，每个所述极芯体包括正极板、负极板和分隔薄膜，所述的正极板和所述负极板为多个交替层叠结构，所述的分隔薄膜设置在相邻的正极板和负极板之间，所述分隔薄膜的边缘与所述壳体内壁固定，所述正极板包括正极集电层、正极活性物质、第一导电剂和第一粘接剂，所述正极活性物质、所述第一导电剂通过所述第一粘接剂固定在所述正极集电层的外壁上，所述负极板包括负极集电层、负极活性物质碳化硅颗粒、第二导电剂和第二粘结剂，所述负极活性物质碳化硅颗粒、所述第二导电剂通过所述第二粘接剂固定在所述负极集电层的外壁上，所述壳体的顶部设有多个与所述正极板相对应的正极接头和多个与所述负极板相对应的负极接头，所述正极集电层的一端穿过所述壳体与所述正极接头连接，所述负极集电层的一端穿过所述壳体与所述负极接头连接。
2.根据权利要求1所述的镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，其特征在于：所述电解质为液态电解质，溶质为LiClO4或LiPF6，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，其特征在于：所述的电解质为固态电解质，所述固态电解质为高分子材料、β-氧化铝、Li0.29La0.57TiO3、LiAlCl4中的一种。
4.根据权利要求1所述的镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，其特征在于：所述分隔薄膜为聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯-聚乙烯多层复合膜中的一种。
5.根据权利要求1所述的镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，其特征在于：所述第一粘接剂和所述第二粘接剂为聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、LA132、LA133、LA135、F105中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，其特征在于：所述第一导电剂和第二导电剂为Super P或KS-6级碳/石墨粉末。
7.根据权利要求4所述的镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，其特征在于：包括聚偏二氟乙烯，所述聚偏二氟乙烯覆盖于所述分隔薄膜的表面。
8.根据权利要求1所述的一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，其特征在于：所述正极活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂或三元锂。
9.根据权利要求1所述的一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，其特征在于：所述负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，所述镁基碳化硅复合颗粒由多孔金属镁粉同碳化硅粉体混合后，球磨筛分获得。
10.根据权利要求1所述的一种镁基碳化硅负极材料的锂离子二次电池，其特征在于：所述负极活性物质为镁基碳化硅复合颗粒，所述镁基碳化硅复合颗粒由碳化硅粉体均匀分散于金属镁基片表面后，经温度-压力驱动复合，经过粉碎、球磨、筛分获得，其中所述温度-压力驱动复合的温度为0～650℃，压力为0～3.9GPa。
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