CN106450434A - 一种高电压高能量密度的锂离子电池 - Google Patents

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李艳
徐伯雄
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Abstract

本发明涉及一种高电压高能量密度的锂离子电池，其包括正极片、负极片、连接所述正极片及负极片的隔膜、起锂离子传导作用的电解液，所述正极片包括正极电极材料和正极集流体，所述负极片包括负极电极材料和负极集流体；其中，所述正极电极材料采用高电压高压实经表面处理的镍钴铝体系材料；其中，所述负极电极材料采用高容量的纳米硅碳复合材料；所述正极集流体和负极集流体为具有多渗孔的可电传导的立体网状结构，所述正极电极材料和负极电极材料分别填充在正极集流体和负极集流体的多渗孔内；且所述填充正负极材料后的正负极多孔集流体表面包覆高离子电导胶状聚丙烯腈薄膜。

Description

一种高电压高能量密度的锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，更具体地说，是涉及一种高电压高能量密度的锂离子电池。
背景技术
随着全球石油资源日趋枯竭，大气环境污染日益严重，以及温室效应凸显的态势，对人类社会与经济的可持续发展带来了不容忽视的影响。近年来，随着科学技术的进步，以节能、环保、安全为终极目标的电动汽车、混合动力电动汽车以及燃料电池电动汽车的研发与应用已成为重要的新兴产业之一。就动力电池而言，锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、可快速充放电、工作温度范围高等诸多优点成为目前电动汽车动力源的首选电源，但安全系数低、充电难、成本高、续航里程低等问题是仍是电动车市场的普遍问题，因此，开发高容量和高功率的下一代动力型锂离子电池和电池组无疑已经成为动力电池研发的重点方向和产业的迫切需求。
锂离子电池性能的提升离不开电池材料的进步，商业化的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和镍钴锰三元体系，在能量密度、循环寿命等电池性能综合平衡中，镍钴锰三元体系成为可逆比容量、成本等重要方面达到了实际应用的要求，然而在过充和高温状态下存在的安全性隐患。三元体系进行中的新一代正极材料LiNi0.8Co0.15AI0.05O2(下面简称NCA)，NCA材料本身具有高达200mAh/g以上可逆比容量。
锂离子电池商业化的负极材料主要是石墨化碳材料，理论容量372mAh/g，高倍率放电性能较差，对溶剂的选择性强，锂扩散速度慢等，而且在低温或快速嵌锂时，石墨负极表面易出现金属锂的沉积(析锂)，存在安全隐患，不能满足动力电池的需求。硅作为一个潜在的高容量的负极材料，比石墨更高的安全性和稳定性吸引了越来越多的关注，成为最有潜力取代石墨的电池负极材料之一。硅负极的理论比能量可达3800mAh/g，远高于普遍使用的石墨负极(理论比能量～370mAh/g)，且硅的电压平台略高于石墨，在充电时可适度避免表面析锂，理论上其安全性能更好。
发明内容
针对上述的现有技术锂离子电池能量密度偏低方面所存在的不足，本发明目的在于提供一种获得较高能量密度及低成本的锂离子电池。
为了解决目前现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：
一种高电压高能量密度的锂离子电池，其包括正极片、负极片、连接所述正极片及负极片的隔膜、起锂离子传导作用的电解液，所述正极片包括正极电极材料和正极集流体，所述负极片包括负极电极材料和负极集流体；其中，所述正极电极材料采用高电压高压实经表面处理的镍钴铝体系材料；其中，所述负极电极材料采用高容量的纳米硅碳复合材料；所述正极集流体和负极集流体为具有多渗孔的可电传导的立体网状结构，所述正极电极材料和负极电极材料分别填充在正极集流体和负极集流体的多渗孔内；且所述填充正负极材料后的正负极多孔集流体表面包覆高离子电导胶状聚丙烯腈薄膜。
在其中一技术方案中，所述正极电极材料为表面包覆AlPO4或Al2O3的NCA材料。
在其中一技术方案中，所述负极电极材料为多孔结构的纳米Si-C复合材料。
在其中一技术方案中，所述正负极层的集流体为多渗孔金属泡沫的材质，所述金属选自铝、铜、镍、银、金或者不锈钢。
在其中一技术方案中，所述电解液包括高电压电解液及其添加剂，电解液的溶剂为氟代溶剂、腈类化合物、砜类化合物这三种溶剂体系中的一种。
在其中一技术方案中，所述正、负极片为面密度较大的片状结构。
在其中一技术方案中，所述隔膜为无纺布，其表面涂覆有纳米陶瓷材料。且优选地,所述纳米陶瓷材料用超短波脉冲激光沉积法沉积在无纺布表面。
本发明所设计的一种高电压高能量密度锂离子电池，电池组装完成后，经过搁置、化成、老化、分容即可。
根据以上所述，本发明所设计的一种高电压高能量密度锂离子电池，电池组装完成后，经过搁置、化成、老化、分容即可。本发明的有进步在于：
1、采用多渗孔骨架与电极材料实现立体网状结合，制备工艺简单易调节，同时可以降低电极材料与集流体之间的接触电阻，并获得较高的电极面密度及相应的高能量密度；
2、电极片表面包覆高离子电导胶状聚丙烯腈薄膜，可降低电池界面阻抗，并提高电极在高电压条件下的稳定性；
3、采用高比容量的正、负极材料体系，提高电池能量密度；
4、采用高电压电解液，避免电解液在电位高时的分解，导致电池的嵌脱5反应无法正常进行，有效地提高了锂离子电池的电化学性能
5、隔膜采用超短波脉冲激光沉积法涂覆的纳米陶瓷材料的做法或其它方法所制备的纳米陶瓷隔膜材料，有效利用纳米陶瓷材料良好热稳定性和机械性的特点，提高了锂离子电池的安全性能，同时纳米陶瓷材料的纳米级已经市场化，成本也低。
上述锂离子电池中，正、负材料均采用高能量密度的新型电极材料，提高电池的能量密度；正、负极集流体系通过其多渗孔骨架与电极材料实现立体网状结合，提高电极材料的利用率；电极片表面包覆高离子电导胶状聚丙烯腈薄膜，降低电池界面阻抗并提高电极在高电压条件下的稳定性；正负极之间的陶瓷隔膜，提高隔膜的机械强度、稳定性；高电压电解液的高离子电导率和热稳定性，提高锂离子电池的电化学性能。本发明对锂离子电池电极材料、极片、电池结构加以合理和精心设计，具有高达300Wh/kg以上能量密度，循环稳定性大于1000次。
附图说明
图1为本实施例的放电曲线图，其中：充电条件0.2C/4.45V；放电0.2C。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
介绍和概述
本发明通过举例而非给出限制的方式来进行说明。应注意的是，在本公开文件中所述的“一”或“一种”实施方式未必是指同一种具体实施方式，而是指至少有一种。
下文将描述本发明的各个方面。然而，对于本领域中的技术人员显而易见的是，可根据本发明的仅一些或所有方面来实施本发明。为说明起见，本文给出具体的编号、材料和配置，以使人们能够透彻地理解本发明。然而，对于本领域中的技术人员将显而易见的是，本发明无需具体的细节即可实施。在其他例子中，为不使本发明费解而省略或简化了众所周知的特征。
将各种操作作为多个分立的步骤而依次进行描述，且以最有助于理解本发明的方式来说明；然而，不应将按次序的描述理解为暗示这些操作必然依赖于顺序。
将根据典型种类的反应物来说明各种实施方式。对于本领域中的技术人员将显而易见的是，本发明可使用任意数量的不同种类的反应物来实施，而不只是那些为说明目的而在这里给出的反应物。此外，也将显而易见的是，本发明并不局限于任何特定的混合示例。
制备得到一种高电压高能量密度的锂离子电池，以高电压高压实经表面处理的镍钴铝酸锂NCA为正极活性材料；以高容量的纳米Si-C复合材料为负极材料；其中：
步骤一：正极片的制作程序按以下步骤操作：使用油性粘合剂将混合有导电剂的锂离子电池的正极电极材料制作成电极浆料，即将粘结剂PVDF(2.5wt％)与溶剂NMP(80wt％)充分搅拌溶解形成胶状溶液，在加入导电炭黑2.5wt％分散好，最后加入活性材料NCA95wt％，加入到上述胶状液体中混合成浆料，调节粘度，制成膏状的正极浆料。采用刮浆法将得到的正极材料浆料从多渗孔泡沫铝两侧填充到正极集流体上。将上述含正极电极浆料的正极集流体放入110℃烘箱内保温4小时除去溶剂NMP，制得干燥的正极材料活性物质混合物。将干燥后的电极材料使用压延器使其更致密，并辊压分切得到正极极片。将上述得到的压延后的电极片双面涂覆一层高离子电导胶状聚丙烯腈，放入110℃烘箱内保温4小时除去溶剂，制得正极片。
步骤二：负极片的制作程序按以下步骤操作：使用水性粘合剂将混合有导电剂的锂离子电池的负极电极材料制作成电极浆，即将CMC 1.5wt％与去离子水配置成胶液，加入导电炭黑0.5wt％分散好，再加入纳米Si-C复合材料96wt％，最后加粘结剂2.0wt％，混合成浆料，调节粘度。然后采用刮浆法，采用刮浆法将得到的负极材料浆料从多渗孔泡沫铜两侧填充到负极集流体上。干燥上述含电极浆料的负极集流体，在烘箱中去除其水分。负极面密度以对应正极活性物质容量过量比15％；将上述得到的压延后的电极片双面涂覆一层高离子电导胶状聚丙烯腈，放入110℃烘箱内保温4小时除去溶剂，制得负极片。
步骤三：正极与负极之间采用陶瓷隔膜分开，采用超短波激光脉冲沉积法将纳米陶瓷材料浆料沉积在无纺布上，得到纳米陶瓷隔膜，隔膜为0.02mm的三层陶瓷隔膜。
步骤四：将正、负极、隔膜按照一定的方式装配，电解液采用1.3mol/L的LiPF6的高电压电解液。
步骤五：电池组装完成后，经过搁置、化成、老化、分容得到成品电池。
步骤六：通过优化充放电模式对电池充放电即恒容量法，解决目前锂电池普遍采用恒流恒压的模式无法消除硅碳负极体积变化产生的应力变化问题，延长电池循环寿命。
因此，本实施方式克服了传统技术的缺陷，其具有较高的能量密度和安全性，能满足未来动力电池对高能量密度的要求。
综上所述，本发明提供了一种制作高电压高能量密度的锂离子电池的方法。本发明在产品性能上的优势和技术的先进性及生产工艺的先进性显而易见，该技术便于实现产业化并有利于提高锂离子电池的市场应用前景。
以上所述具体实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进或替换，这些改进或替换也应当视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高电压高能量密度的锂离子电池，其包括正极片、负极片、连接所述正极片及负极片的隔膜、起锂离子传导作用的电解液，所述正极片包括正极电极材料和正极集流体，所述负极片包括负极电极材料和负极集流体；其特征在于，
所述正极电极材料采用高电压高压实经表面处理的镍钴铝体系材料；其中，所述负极电极材料采用高容量的纳米硅碳复合材料；所述正极集流体和负极集流体为具有多渗孔的可电传导的立体网状结构，所述正极电极材料和负极电极材料分别填充在正极集流体和负极集流体的多渗孔内；且所述填充正负极材料后的正负极多孔集流体表面包覆高离子电导胶状聚丙烯腈薄膜。
2.根据权利要求1所述的高电压高能量密度的锂离子电池，其特征在于，所述正极电极材料为表面包覆AlPO4或Al2O3的NCA材料。
3.根据权利要求1所述的高电压高能量密度的锂离子电池，其特征在于，所述负极电极材料为多孔结构的纳米Si-C复合材料。
4.根据权利要求1所述的高电压高能量密度的锂离子电池，其特征在于，所述正负极层的集流体为多渗孔金属泡沫的材质，所述金属选自铝、铜、镍、银、金或者不锈钢。
5.根据权利要求1所述的高电压高能量密度的锂离子电池，其特征在于，所述电解液包括高电压电解液及其添加剂，电解液的溶剂为氟代溶剂、腈类化合物、砜类化合物这三种溶剂体系中的一种。
6.根据权利要求1所述的高电压高能量密度的锂离子电池，其特征在于，所述正、负极片为面密度较大的片状结构。
7.根据权利要求1所述的高电压高能量密度的锂离子电池，其特征在于，所述隔膜为无纺布，其表面涂覆有纳米陶瓷材料。
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