CN106876671A - 一种快充锂离子二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快充锂离子二次电池，所述电池包括正极体系和负极体系，所述正极体系包括以下质量分数的组分：镍钴锰酸锂45%~55%；镍钴铝酸锂35%~45%；M的含锂氧化物5%~15%；镓化物1%~5%；其中，M选自铯、钾、镨、钨、钒、铒、铷、铕中的至少两种元素；所述镓化物选自砷化镓、碲化镓、锑化镓、硒化镓中的至少一种。本发明的锂离子二次电池，具有较高的快充性能，且在整个充电过程中，充电温升低，不超过12℃。本发明的电池安全性能高，即使在电池穿刺短路后，也不会产生高温、爆炸的现象。

Description

一种快充锂离子二次电池

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种快充锂离子二次电池。

背景技术

锂离子电池作为一种清洁环保的功能元件，目前已经在越来越多的领域得到了越来越广泛的应用。例如，在消费电子产品领域、电动车领域、储能系统领域以及最近新兴的平衡车领域等。

其中，人们常用的消费电子产品，如手机和笔记本电脑等数码产品，随着其智能终端的升级，耗电量也随之增加，一般情况下智能移动设备充满电约需要2~4h，给用户带来了诸多不便，因此，怎样缩短锂电池的充电时间成为锂电池广泛使用急待解决的问题。现有技术中，为了解决上述问题，申请号2014105430735（可快充的锂离子电池）中提出，将镍钴铝酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂等具有高克容量和高电压平台特性的材料与磷酸铁锂和钛酸锂等具有优异倍率性能和安全性能的材料进行简单的物理混合得到的正极材料，在充电过程中，能够延长低电压恒流充电的时间，提升充电速度。但是，其在实际充电过程中，充电12min时，其充电流量仅能达到满容量的60%左右，还不能完全满足客户的需求。为此，如何进一步提高充电速度，是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种快充锂离子二次电池，该电池具有良好的快充性能及优异的循环寿命、电池充电过程中温升小。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种快充锂离子二次电池，所述电池包括正极体系和负极体系，所述正极体系包括以下质量分数的组分：镍钴锰酸锂45%~55%；镍钴铝酸锂35%~45%；M的含锂氧化物5%~15%；镓化物1%~5%；其中，M选自铯、钾、镨、钨、钒、铒、铷、铕中的至少两种元素；所述镓化物选自砷化镓、碲化镓、锑化镓、硒化镓中的至少一种。在正极体系中添加镓化物和M的含锂化合物，有助于锂离子进出。

优选地，所述正极体系中含有所述镓化物2%~3%。

优选地，所述M的含锂氧化物是由铯、镨及铕元素的含锂氧化物混合而成的。

优选地，所述正极体系还掺杂有0.5%~1%的N的氧化物，其中，N选自镁、钛、锌、铬、铜中的至少一种元素。在正极体系中掺杂上述氧化物，能有效提高正极材料的稳定性，确保电池在使用过程中的安全性。

优选地，所述负极体系包含有竹炭粉、多晶硅与纳米锗。负极体系中，添加多晶硅、锗材料，能大大提高锂离子进出负极的速率，同时提高了锂电池的充放电性能和充放电的次数。

进一步优选地，所述负极体系中还掺杂有氮化镓粉末、锑化镓及氮化镓铝中的至少一种。掺杂氮化镓粉末等物质，能够将垒势提升数倍，同时大大降低负极体系的内阻，提高电池的热能耗散性能。

进一步优选地，所述负极体系中还掺杂有氟化物，所述氟化物选自六氟化四碳、四氟化碳中的一种或两者的组合。通过掺杂氟化物，能够提高锂离子进出负极的速率。

优选地，所述锂离子二次电池的电解液中添加有2,4-二硝基苯胺。在电解液中添加2,4-二硝基苯胺，能够降低电解液的粘稠度。

进一步优选地，所述锂离子二次电池的电解液中还添加有氟代碳酸乙烯酯、N-甲基甲酰胺及乙腈。通过在电解液中添加氟代碳酸乙烯酯等物质，形成SEI膜的性能更好，形成紧密结构层但又不增加阻抗，能够阻止电解液的进一步分解。

优选地，所述锂离子二次电池的电解液中的电解质选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷化锂、二草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂中的至少一种。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的快充锂离子二次电池，其正极采用了镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、M的含锂氧化物、镓化物，其中，镓化物能够在正极形成管状通道，配合M的含锂氧化物能够提高锂离子进出正极的速度，同时，在负极采用了竹炭粉，其渗透能力强，有效地提高锂离子进出负极的速度，本发明的锂离子电池即使在电池穿刺短路后，也不会产生高温、爆炸，电池的安全性能得到了保证。本发明的锂离子二次电池，以容量为5000mAH的电池为例，其在常温下，采用5C恒流充电至4.2V，再以4.2V的恒压充电至0.05C，期间，恒流充电时间8min时，其充电量能达到满容量的70.7%，而整个电池充满时间不超过42min，且其充电过程中的最大温升不超过12℃。同时，采用5C充/1C放循环500次后，其容量保持率仍能到达98.2%以上。

附图说明

附图1为本发明的实施例3与对比例的5C充电速度曲线及温升曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

实施例1

本例中，提供了一种锂离子二次电池。

正极体系包括如下质量分数的组分组成：镍钴锰酸锂47%、镍钴铝酸锂40%、M的含锂氧化物10%、镓化物2.5%、N的氧化物0.5%。其中，M的含锂氧化物包括铯的含锂氧化物2%、钾的含锂氧化物3%、镨的含锂氧化物1%、钒的含锂氧化物2%、铕的含锂氧化物2%；镓化物为砷化镓0.5%、碲化镓1.5%、硒化镓0.5%；N的氧化物为氧化镁0.2%、氧化锌0.2%、氧化钛0.1%。

负极体系包括如下质量分数的组分组成：竹炭粉35%、多晶硅30%、纳米锗35%。

本实施例中，其电解液的电解质为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂的混合物；其添加剂中添加了2,4-二硝基苯胺，且还添加有氟代碳酸乙烯酯、N-甲基甲酰胺及乙腈。

实施例2

本例中的锂离子电池，其与实施例1相比的不同之处在于，本例中的电池，其正极体系是由如下质量分数的组分组成：镍钴锰酸锂45%、镍钴铝酸锂45%、M的含锂氧化物6%、镓化物3%、N的氧化物1%，其中，M的含锂氧化物中包括铯的含锂氧化物2%、镨的含锂氧化物1%、铕的含锂氧化物3%，镓化物为碲化镓2%、锑化镓1%；N的氧化物为氧化钛0.3%、三氧化铬0.4%、氧化铜0.3%。

实施例3

本例的锂离子电池，其与实施例1相比的不同之处在于，本例中的电池，其正极体系是由如下质量分数的组分组成：镍钴锰酸锂50%、镍钴铝酸锂35%、M的含锂氧化物12%、镓化物3%，其中，M的含锂氧化物中包括钾的含锂氧化物5%、钨的含锂氧化物3%、铒的含锂氧化物2%、铷的含锂氧化物2%，镓化物为砷化镓1%、碲化镓1%、硒化镓1%。

实施例4

本例中的锂离子电池，其与实施例1相比的不同之处在于，本例中的电池，其负极体系是由如下质量分数的组分组成：竹炭粉32%、多晶硅30%、纳米锗30%、氮化镓粉末5%、锑化镓3%。

实施例5

本例中的锂离子电池，其与实施例1相比的不同之处在于，本例中的电池，其负极体系是由如下质量分数的组分组成：竹炭粉30%、多晶硅32%、纳米锗28%、氮化镓粉末4%、氮化镓铝5%、六氟化四碳1%。

实施例6

本例中的锂离子电池，其与实施例2相比其正极体系一致，不同之处在于，其负极体系是由如下质量分数的组分组成：竹炭粉28%、多晶硅30%、纳米锗32%、氮化镓铝5%、锑化镓3.5%、四氟化碳1%、六氟化四碳0.5%。

实施例7

本例中的锂离子电池，其与实施例1相比的不同之处在于，本例中的电池，其电解液中未添加氟代碳酸乙烯酯、N-甲基甲酰胺及乙腈。

实施例8

本例中提供了一种锂离子二次电池。

正极体系由如下质量分数的组分组成：镍钴锰酸锂52%、镍钴铝酸锂37%、M的含锂氧化物7%、镓化物3.2%、N的氧化物0.8%。其中，M的含锂氧化物包括钨的含锂氧化物3%、钒的含锂氧化物3%、铷的含锂氧化物1%；镓化物为碲化镓2%、硒化镓1.2%；N的氧化物为氧化锌0.4%、氧化铬0.4%。

负极体系由如下质量分数的组分组成：竹炭粉30%、多晶硅28%、纳米锗28%、氮化镓粉末4%、锑化镓4%、氮化镓铝3%、六氟化四碳2%、四氟化碳1%。

本实施例的电解液中，其电解质为四氟硼酸锂、三氟甲磺酸锂、二草酸硼酸锂的混合物。该电解液中的添加剂中也添加了2,4-二硝基苯胺，且还添加有氟代碳酸乙烯酯、N-甲基甲酰胺及乙腈。

对比例

正极体系由如下质量分数的组分组成：镍钴锰酸锂80%、磷酸铁锂15%、导电剂炭黑2.5%、粘结剂聚偏氟乙烯2.5%。

负极体系由如下质量分数的组分组成：天然石墨94%、导电剂炭黑2%、粘结剂聚偏氟乙烯2%、稳定剂羧甲基纤维素钠2%。

电解液，其有机溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸乙烯酯的混合物，三者的体积比为2：2：3，添加剂包括占电解液总质量的质量比为1%的PS和占电解液总质量的质量比2%的FEC，锂盐为六氟硼酸锂。

对实施例1至8和对比例提供的电池进行容量和充放电测试，其所测电池的容量均为5000mAH，充电方式以5C的恒流充电至4.2V，再以4.2V的恒压充电至0.05C。其中，充电结果及充电过程中的温升见表1。

另外，对实施例1至8和对比例提供的电池进行循环寿命测试，循环设为5C充电/1C放电的加速循环，所得结果见表1。

表1 实施例1至8和对比例的电池的测试结果。

组别	5C充恒流充电至4.2V/min	5C充恒压充电至0.05C/min	5C充满时间/min	温升/℃	5C充电/1C放电/500次循环容量保持率
						实施例1	8	32	40	11	98.3
实施例2	9	30	39	10	98.5
						实施例3	9	33	42	12	98.4
实施例4	9	30	39	11	98.5
						实施例5	9	29	38	10	98.4
实施例6	9	28	37	9	98.3
						实施例7	9	32	41	11	98.2
实施例8	9	28	37	9	98.3
						对比例			52	20	98.5

从表1中，我们可以看出，相对于对比例来说，本发明的锂离子二次电池的充电速度更快，且温升低，使得电池在使用过程中更加安全。同时，从表中，我们可以看出，在其他条件相同的情况下，在正极材料中添加了镁、钛、锌、铬、铜中两种或以上的元素的氧化物能提高电池的充电速度；或是，在其他条件相同的情况下，在负极材料中添加六氟化四碳、四氟化碳中的一种或两者的结合，也能提高电池的充电速度。从表1中，我们可以看出，实施例6和8中的电池的充电速度最快，且温升还低。同时，本发明的锂离子电池经过5C充电、1C放电，500次循环后，其容量保持率仍能保持98.2%以上。

此外，图1中还给出了实施例3与对比例的5C（倍率）充电速度曲线，由表1和图1可以看出，本发明的电池相较于对比例中的电池，具有更高的充电速度提升，且恒流段充电8min，就能达到满容量的70.7%。同时在充电过程中，本发明的电池其温升要比对比例低的多。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快充锂离子二次电池，所述电池包括正极体系和负极体系，其特征在于，所述正极体系包括以下质量分数的组分：镍钴锰酸锂45%~55%；镍钴铝酸锂35%~45%；M的含锂氧化物5%~15%；镓化物1%~5%；其中，M选自铯、钾、镨、钨、钒、铒、铷、铕中的至少两种元素；所述镓化物选自砷化镓、碲化镓、锑化镓、硒化镓中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述正极体系中含有所述镓化物2%~3%。

3.根据权利要求1所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述M的含锂氧化物是由铯、镨及铕元素的含锂氧化物混合而成的。

4.根据权利要求1所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述正极体系还掺杂有0.5%~1%的N的氧化物，其中，N选自镁、钛、锌、铬、铜中的至少一种元素。

5.根据权利要求1所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述负极体系包含有竹炭粉、多晶硅与纳米锗。

6.根据权利要求5所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述负极体系中还掺杂有氮化镓粉末、锑化镓及氮化镓铝中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述负极体系中还掺杂有氟化物，所述氟化物选自六氟化四碳、四氟化碳中的一种或两者的组合。

8.根据权利要求1所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述锂离子二次电池的电解液中添加有2,4-二硝基苯胺。

9.根据权利要求8所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述锂离子二次电池的电解液中还添加有氟代碳酸乙烯酯、N-甲基甲酰胺及乙腈。

10.根据权利要求1至9任一项权利要求所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述锂离子二次电池的电解液中的电解质选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷化锂、二草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂中的至少一种。