CN108321391A - 一种新型石墨烯基全固体金属锂电池及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型石墨烯基全固体金属锂电池,其包括正极、负极、固体电解质、隔膜和电池外壳。该电池的正极集流体采用LiFePO4‑石墨烯基复合物,负极集流体采用金属锂,隔膜采用聚丙烯,固体电解质采用V2S5‑石墨烯基复合材料,其中所述的正极与固体电解质中间涂覆一层隔膜,负极与固体电解质中间也涂覆一层隔膜,以平行排列,收纳于电池外壳内,电池由插入袋式将正极,负极,隔膜和固体电解质层叠而成,正、负极的基板上有一凸起部分与引线相连形成导电极耳;本发明的石墨烯全固体金属锂电池降低了电池的内阻,有优越的电子电导率、锂离子转化率和金属锂的可充性,提高了电极固/固界面接触的稳定性;能量密度高,安全性强,适用于新能源汽车的动力电池。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池领域,具体是一种新型石墨烯基全固体金属锂电池及其工作方法。
背景技术
随着电动汽车的突飞猛进的发展,动力电池的问题一直成为热点,解决动力电池的能量密度和安全性依然是首要问题,动力电池的创新性技术直接影响电动汽车的跨越性发展。普通的传统动力电池能量密度小,体积大,安全性差,内阻较高,这些都是由于电解液的低导电率、电极的低通导能力等原因。
动力电池作为电动汽车的核心零件,全固态锂电池虽然存在很大的技术优势,但是也存在上述的一些问题,不解决这些问题,全固态锂电池就不能够实现,也就不能得到推广应用。因此,为了解决全固态锂电池中固态电解质材料的离子电导率低、固/固界面接触性和稳定性差等问题,现提出一种新型石墨烯基全固体金属锂电池。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型结构的石墨烯基全固体金属锂电池,旨在解决全固态锂电池中固态电解质材料的离子电导率低、固/固界面接触性和稳定性差以及安全性等问题,通过改变正极、电解质以及结构来降低电池的内阻,提高电子电导率、锂离子转化率和金属锂的可充性、可逆性、循环性、寿命长,同时提高了电极与固体电解质固/固界面接触紧密度和稳定性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种新型石墨烯基全固体金属锂电池,包括正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物、第一隔膜聚丙烯、固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料、第二隔膜聚丙烯、负极集流体金属锂和电池外壳,所述电池外壳内设有正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物和负极集流体金属锂,正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物和负极集流体金属锂之间设有固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料;所述正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物和固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料之间涂覆有第一隔膜聚丙烯,固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料和负极集流体金属锂之间涂覆有第二隔膜聚丙烯。
所述正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物的顶端设有正极引线,负极集流体金属锂的顶端设有负极引线,正极引线和负极引线分别作为正极和负极的导电极耳。
所述正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物、第一隔膜聚丙烯、固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料、第二隔膜聚丙烯和负极集流体金属锂依次紧密叠加,串联组成高电压单体或者并联组成高电流单体。
一种新型石墨烯基全固体金属锂电池的使用方法,充电时,电子从正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物经过外电路和充电机被输送到负极集流体金属锂,锂离子经过第一隔膜聚丙烯、第二隔膜聚丙烯和固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料,进入负极集流体金属锂的晶体结构中;放电时,由于负极集流体金属锂自身不存在电子和锂离子迁移,并且固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料是石墨烯基复合物,内部存在大量的网状孔隙结构有较强的储锂能力,在范德华力和接触渗透的作用下吸附金属锂离子,使负极集流体金属锂的晶体结构不能形成电中性,而发生电子从外部电路中用电器输送回正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物的晶体结构中。
本发明的有益效果:
1、成本低,毒性小,比容量高,电子很容易转移,电池的内阻小,提高了输出功率,增大了比表面积;同时优良的机械性能提高了电极材料结构稳定性和循环稳定性;
2、更大的增加了离子的电导率,解决了固态电解质材料的离子电导率偏低的难题;
3、较大的提高了该电池系统成组效率和能量密度;
4、解决了固/固界面接触性和稳定性,提高了固/固界面结合力和渗透力,形成良好的导电通路;
5、实现负极集流体金属锂的可充性、可逆性、循环性,同时延长了电池使用寿命,电池的安全性也显著提高;
6、本发明实施方便,可用于新能源开发产业,便于推广。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明锂电池结构示意图;
图2是本发明锂电池充电原理示意图;
图3是本发明锂电池放电原理示意图。
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。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
一种新型石墨烯基全固体金属锂电池,如图1所示,包括正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1、第一隔膜聚丙烯2、固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3、第二隔膜聚丙烯4、负极集流体金属锂5和电池外壳6,电池外壳6内设有正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1和负极集流体金属锂5,正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1和负极集流体金属锂5之间设有固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3;正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1和固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3之间涂覆有第一隔膜聚丙烯2,固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3和负极集流体金属锂5之间涂覆有第二隔膜聚丙烯4;正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1、第一隔膜聚丙烯2、固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3、第二隔膜聚丙烯4和负极集流体金属锂5依次紧密叠加,串联组成高电压单体或者并联组成高电流单体,较大的提高了该电池系统成组效率和能量密度。
正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1的顶端设有正极引线7,负极集流体金属锂5的顶端设有负极引线8,正极引线7和负极引线8分别作为正极和负极的导电极耳。
正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1成本低,毒性小,比容量高,并且在石墨烯的作用下,电子11很容易转移,降低了电池的内阻,提高了输出功率,增大了比表面积,同时优良的机械性能提高了电极材料结构稳定性和循环稳定性。
固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3是一种硫化物复合材料,该材料比一般的硫化物更大的增加了锂离子12的电导率,解决了固态电解质材料中锂离子12电导率偏低的难题。
正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1与固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3中间涂覆的隔膜聚丙烯2起着隔离的作用,防止电池内部短路。充放电时,一方面阻止电子11通过,一方面提高锂离子12电导率,解决金属锂的可充性问题,提高了循环稳定性;同时正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1与固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3都属于石墨烯基复合物,内部存在六边形网状结构,增加了相互接触的频率,同时石墨烯之间会由于范德华力和毛细管作用相互吸附融入在一起,解决了固/固界面接触性和稳定性,提高了固/固界面结合力和渗透力,形成良好的导电通路。
负极集流体金属锂5与固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3之间涂覆了一层第二隔膜聚丙烯4,目的在于让结构不分正负极。充电时,电子11从正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1经过外电路和充电机9被输送到负极集流体金属锂5,锂离子12经过第一隔膜聚丙烯2、第二隔膜聚丙烯4和固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3,进入负极集流体金属锂5的晶体结构中;放电时,由于负极集流体金属锂5自身不存在电子11和锂离子12迁移,并且固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料3是石墨烯基复合物,内部存在大量的网状孔隙结构有较强的储锂能力,在范德华力和接触渗透的作用下吸附金属锂离子12,使负极集流体金属锂5的晶体结构不能形成电中性,而发生电子11从外部电路中用电器10输送回正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物1的晶体结构中,从而极大的提高电池单次使用寿命以及储电量,实现负极集流体金属锂5的可充性、可逆性、循环性。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (3)
1.一种新型石墨烯基全固体金属锂电池,包括正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物(1)、第一隔膜聚丙烯(2)、固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料(3)、第二隔膜聚丙烯(4)、负极集流体金属锂(5)和电池外壳(6),其特征在于,所述电池外壳(6)内设有正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物(1)和负极集流体金属锂(5),正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物(1)和负极集流体金属锂(5)之间设有固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料(3);所述正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物(1)和固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料(3)之间涂覆有第一隔膜聚丙烯(2),固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料(3)和负极集流体金属锂(5)之间涂覆有第二隔膜聚丙烯(4);
所述正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物(1)的顶端设有正极引线(7),负极集流体金属锂(5)的顶端设有负极引线(8),正极引线(7)和负极引线(8)分别作为正极和负极的导电极耳。
2.根据权利要求1所述的一种新型石墨烯基全固体金属锂电池,其特征在于,所述正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物(1)、第一隔膜聚丙烯(2)、固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料(3)、第二隔膜聚丙烯(4)和负极集流体金属锂(5)依次紧密叠加,串联组成高电压单体或者并联组成高电流单体。
3.一种新型石墨烯基全固体金属锂电池的使用方法,其特征在于,充电时,电子(11)从正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物(1)经过外电路和充电机(9)被输送到负极集流体金属锂(5),锂离子(12)经过第一隔膜聚丙烯(2)、第二隔膜聚丙烯(4)和固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料(3),进入负极集流体金属锂(5)的晶体结构中;
放电时,由于负极集流体金属锂(5)自身不存在电子(11)和锂离子(12)迁移,并且固体电解质V2S5-石墨烯基复合材料(3)是石墨烯基复合物,内部存在大量的网状孔隙结构有较强的储锂能力,在范德华力和接触渗透的作用下吸附金属锂离子(12),使负极集流体金属锂(5)的晶体结构不能形成电中性,而发生电子(11)从外部电路中用电器(10)输送回正极集流体LiFePO4-石墨烯基复合物(1)的晶体结构中。
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