CN110299555A - 一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池 - Google Patents

一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，包括正极、负极以及电解质，所述正极和电解质采用化学键纠缠系数小的材料制成，其中，正极和电解质至少有一个采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成，在采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成的正极或电解质外侧施加强磁场。本发明通过采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2作为锂离子电池的正极和电解质，同时施加强磁场使LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2稳定，与现有含氧锂离子电池相比，充电速度高了20倍以上，同时，能提高了锂离子电池的功率密度、倍率，能量密度也相应稳定，比容量高达890mAh/g，也使得锂离子电池具有较好的循环次数。

Description

一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池。
背景技术
锂离子电池：是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
现有的锂离子电池，一般是采用LiCoO2、LiFePO4等三元含氧材料作为电池正极，LiPF6等做电解质材料，现有的锂离子电池存在充电速度慢的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，解决现有锂离子电池充电速度慢的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，包括正极、负极以及电解质，所述正极和电解质采用化学键纠缠系数小的材料制成，其中，正极和电解质至少有一个选择采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成，在采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成的正极或电解质外侧施加强磁场。
现有的锂离子电池采用三元含氧材料作为电池正极是因为LiCoO2、LiFePO4等三元含氧材料化学性质稳定性好，可用于锂离子电池。现有的锂离子电池中采用含有氧原子和氟原子的化合物比较稳定，锂离子电池能量密度高，但功率密度低，充电速度慢。申请人对现有的含氧锂离子电池充电速度慢的根本原因进行分析发现：含氧和氟化合物的化学键纠缠系数较大，化学键纠缠系数较大导致电流传导的纠缠越大，对电流能量传导速度影响大，导致锂离子运动速度慢，进而导致了现有锂离子电池充放电功率小、充电速度慢的问题。
本发明所述化学键纠缠系数具体是指电流能量经过化合物时，其化学键对电流能量有纠缠，纠缠系数越大，电流能传导速度越慢，氧化合物的化学键纠缠系数都比硫化合物大。所述强磁场是相对普通磁场而言，普通磁场在一般情况下人体感应不到，通常大于0.7T的磁场为强磁场。
其中，氧原子的外层电子束缚能是13.618ev(297.7K)，硫原子的外层电子束缚能是10.36ev(297.7K)，基于这点，含氧化合物的化学键纠缠系数大于含硫化合物的化学键纠缠系数。
本发明的正极和电解质选择采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成，上述硫化合物不含氧，即本发明所述锂离子电池权利要求4中都不含氧和氟，能够最大限度提高锂离子的移动速度，和电流能量传导速度，进而提高锂离子电池的充放电速度，本发明在于充电速度快，电流能传导速度和锂离子移动速度可比现有锂离子电池快20倍以上。同时，提高了锂离子电池的功率密度、倍率，能量密度也相应高，(比容量高达890mAh/g)，使得锂离子电池具有较好的循环次数。本发明所述锂离子电池可适用于汽车动力电源。
目前还没有采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2作为锂离子电池的正极和电解质，是因为在常规条件下，基本不存在LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2，申请人通过大量的研究发现：施加强磁场一方面可以使FeS2、NiS2、TiS3或CoS2和锂化合时稳定，另一方面，强磁场能够使生成的LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2显示出良好的电化学性能。化学键的键能分布更均匀。
目前也存在充电速度在1分钟以内的超级电容电池技术，但是超级电容电池不是锂离子电池，与本申请没有可比性。况且，超级电容电池能量密度非常低，续航力太短，作为汽车动力电源，其续航能力显然满足不了市场需求。
综上，本发明通过采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2作为锂离子电池的正极和电解质材料，同时施加强磁场使LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2稳定，与现有含氧和含氟锂离子电池相比，充电速度高了20倍以上，同时，相应提高了锂离子电池的功率密度、倍率，能量密度也相应高(比容量高达890mAh/g)，并使得锂离子电池具有较好的循环次数。
进一步地，正极选择采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成，所述电解质采用化学键纠缠系数相对较小的材料制成，在正极外侧施加强磁场。
进一步地，电解质选择采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成，所述正极采用化学键纠缠系数相对较小的材料制成，在电解质外侧施加强磁场。
进一步地，正极和电解质均选择采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成，在正极和电解质的外侧均施加强磁场。
进一步地，强磁场由2个对称设置在正极或电解质两侧的强永磁材料产生。
进一步地，强永磁材料为铷铁硼、钐钴或铝镍钴。
进一步地，强磁场的大小为1.30-1.3104T，工作温度小于120℃。
强磁场的大小对锂离子电池的充放电及电化学性能具有影响，强磁场过大，则材料离子性较弱，磁场过小，LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2的稳定性不好，申请人通过大量的研究发现：将强磁场的大小设置为1.30-1.3104T，既能使得LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2的稳定性好，同时具有较好的离子性和电化学性能，不会影响锂离子的“入嵌”和“脱嵌”。
当外加磁场小于申请所述范围时，硫化合物均不能稳定，更严重甚至消失；当外加磁场大于申请所述范围时，硫化合物会出现电化学性能下降，离子性减弱。
进一步地，电解质设置在正极和负极之间，在电解质内设置有隔膜。
进一步地，负极采用碳材料制成或硅材料或元素周期表第四类主族元素中的一种组成。
进一步地，所述化学键纠缠系数相对较小的材料为氯酸锂(LiClO4)、钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)或钛酸锂(Li2TiO3)。
对锂离子电池来说，化学键纠缠系数小的材料为硫化合物，其余含氧化合物做电解质或正极，其自身具有稳定性；但充放电速度远不如正极和电解质全用硫化合物快。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2作为锂离子电池的正极材料和电解质材料，同时施加强磁场使LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2稳定，与现有含氧和氟锂离子电池相比，充电速度高了20倍以上。同时，具有提高了锂离子电池的功率密度、倍率，能量密度也相应高，比容量高达890mAh/g，锂离子电池具有较好的循环次数。而且是环境友好材料。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是实施例1-4所述锂离子电池的示意图；
图2是实施例5-8所述锂离子电池的示意图；
图3是实施例9-12所述锂离子电池的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，包括正极、负极以及电解质，所述电解质设置在正极和负极之间，在电解质内设置有隔膜，所述负极采用碳材料或硅材料制成，所述正极采用LiFeS2制成，电解质采用LiClO4制成，正极外侧对称设置2个强永磁材料铷铁硼磁极，永磁材料铷铁硼形成强磁场B1，强磁场B1的值为1.3012T，工作温度小于120℃。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为50min，比容量为≤890mAh/g，续航力为正常，而普通含氧锂离子电池(钴酸锂+六氟磷酸锂+c)的充电时间为300min(＞95％)，比容量为＞150mAh/g。
实施例2：
如图1所示，本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：所述正极采用LiNiS2制成，磁场B1＝1.3038T。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为41min(＞95％)，比容量为≤860mAh/g。
实施例3：
如图1所示，本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：所述正极采用Li2TiS3制成，磁场B1＝1.3104。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为36min(≥95％)，比容量为600mAh/g。
实施例4：
如图1所示，本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：所述正极采用LiCoS2制成，磁场B1＝1.3012T。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为48min(≥95％)，比容量为680mAh/g。
实施例5：
如图2所示，一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，包括正极、负极以及电解质，所述电解质设置在正极和负极之间，在电解质内设置有隔膜，所述负极采用碳材料或硅材料制成，所述正极采用LiCoO2制成，电解质采用LiFeS2制成，电解质外侧对称设置2个强永磁材料铷铁硼磁极，2个强永磁材料铷铁硼磁极形成强磁场B2，强磁场B2的大小为1.3012T，工作温度小于120℃。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为10min(＞95％)，比容量为＞135mAh/g。
实施例6：
如图2所示，本实施例基于实施例5，与实施例5的区别在于：所述电解质采用LiNiS2制成；强磁场B2的大小为1.3038T。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为6min(＞95％)，比容量为＞135mAh/g。
实施例7：
如图2所示，本实施例基于实施例5，与实施例5的区别在于：所述电解质采用Li2TiS3制成；强磁场B2的大小为1.3104T。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为5.5min(＞95％)，比容量为＞170mAh/g。
实施例8：
如图2所示，本实施例基于实施例5，与实施例5的区别在于：所述电解质采用LiCoS2制成；强磁场B2的大小为1.3012T。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为8min(＞95％)，比容量为＞135mAh/g。
实施例9：
如图3所示，一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，包括正极、负极以及电解质，所述电解质设置在正极和负极之间，在电解质内设置有隔膜，所述负极采用碳或硅材料制成(优选的)，所述正极和电解质分别采用LiFeS2和LiNiS2制成，正极和电解质外侧对称设置2个强永磁材料铷铁硼磁极，2个强永磁材料铷铁硼形成强磁场B3，LiFeS2为1.3012T和LiNiS2为1.3038T，工作温度小于120℃。
在本实施例中，正极和电解质都不含氧和氟，能够最大限度提高锂离子的移动速度，和电流能量传导速度，进而提高锂离子电池的充放电速度。
在本实施例中所述锂离子电池的充电时间为＜5min(＞95％)，比容量为890mAh/g。
实施例10：
如图3所示，本实施例基于实施例9，与实施例9的区别在于：所述正极采用LiNiS2，强磁场B3为1.3038T，电解质为LiFeS2制成，强磁场B3为1.3012T。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为＜3min(＞95％)，比容量为860mAh/g。
实施例11：
如图3所示，本实施例基于实施例9，与实施例9的区别在于：所述正极采用Li2TiS3制成，强磁场B3为1.3104T，电解质为LiNiS2制成，强磁场B3为1.3038T。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为＜3min(＞95％)，比容量为600mAh/g。
实施例12：
如图3所示，本实施例基于实施例9，与实施例9的区别在于：所述正极采用LiCoS2制成强磁场B3为1.3012T，电解质为LiNiS2制成，强磁场B3为1.3038T。
在本实施例中，所述锂离子电池的充电时间为＜3min(＞95％)，比容量为650mAh/g。
综上：
1、由实施例1至实施例4的对比，实施例5至实施例8的对比，实施例9至实施例12的对比可知：LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2中Li2TiS3的效果最佳，其次是LiNiS2、LiCoS2，最后是LiFeS2。
2、由实施例1至实施例12的对比可知：当电解质和正电极同时使用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2中时，并施加强磁场所制备的锂离子性能优于电解质或正电极单独使用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2的电池。具体地，
实施例1与实施例11对比的区别在于：实施例11的正极和电解质都采用强磁场，正极磁场B3＝1.3104T时，电解质磁场B3＝1.3038T，实施例1电解质无磁场；实施例11的充电时间大大小于实施例1，但是实施例1的比容量大于实施11的比容量。如果磁场强度小于本申请设置的最小值，硫化合物的稳定性差，甚至化合物消失。
实施例2与实施例11对比的区别在于：实施例11的正极和电解质都采用强磁场，正极磁场B3＝1.3104T时，电解质磁场B3＝1.3038T，实施例2的强磁场B1＝1.3038T，实施例2电解质无磁场；实施例11的充电时间大大小于实施例2，实施例2的比容量大于实施例11。如果磁场强度小于本申请设置的最小值，硫化合物的稳定性差，甚至化合物消失。
实施例5与实施例11对比的区别在于：实施例11的正极和电解质都采用强磁场，正极磁场B3＝1.3104T时，电解质磁场B3＝1.3038T，实施例5正极无磁场；实施例11的充电时间小于实施例5，实施例5的比容量小于实施例11；
实施例6与实施例11对比的区别在于：实施例11的正极和电解质都采用强磁场，正极磁场B3＝1.3104T时，电解质磁场B3＝1.3038T，实施例6正极无磁场，实施例11的充电时间小于实施例6，实施例6的比容量小于实施例11。
3、当外加磁场小于LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2的标准稳定磁场(能够使LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2在当时条件下稳定的磁场)，硫化合物均不能稳定，更严重甚至消失。
4、当外加磁场大于LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2的标准稳定磁场，硫化合物会出现电化学性能下降，离子性减弱。
因此，本发明通过采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2作为锂离子电池的正极和电解质，同时施加强磁场使LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2稳定，与现有含氧锂离子电池相比，充电速度高了20倍以上，同时，具有提高了锂离子电池的功率密度、倍率，能量密度也相应稳定在高值，比容量高达890mAh/g，同时锂离子电池具有较好的循环次数。
并且，外加强磁场的大小对锂离子电池的性能具有影响。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，包括正极、负极以及电解质，其特征在于，所述正极和电解质采用化学键纠缠系数小的材料制成，其中，正极和电解质至少有一个选择采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成，在采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成的正极或电解质外侧施加强磁场。
2.根据权利要求1所述的一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，其特征在于，所述正极选择采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成，所述电解质采用化学键纠缠系数相对较小的材料制成，只在正极外侧施加强磁场。
3.根据权利要求1所述的一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，其特征在于，所述电解质采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成，所述正极采用化学键纠缠系数相对较小的材料制成，只在电解质外侧施加强磁场。
4.根据权利要求1所述的一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，其特征在于，所述正极和电解质均选择采用LiFeS2、LiNiS2、Li2TiS3或LiCoS2制成，在正极和电解质的外侧均施加强磁场。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，其特征在于，所述强磁场由2个对称设置在正极或电解质两侧的强永磁材料产生。
6.根据权利要求5所述的一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，其特征在于，所述强永磁材料为铷铁硼、钐钴或铝镍钴。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，其特征在于，所述强磁场的大小为1.30-1.3104T，工作温度小于120℃。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，其特征在于，所述电解质设置在正极和负极之间，在电解质内设置有隔膜。
9.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，其特征在于，所述负极采用碳材料制成或硅材料或元素周期表第四类主族元素中的一种组成。
10.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于正极和电解质的快速充电锂离子电池，其特征在于，所述化学键纠缠系数相对较小的材料为LiClO4、LiCoO2、LiMn2O4或Li2TiO3。
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