CN111129575A - 一种新能源设备专用电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新能源设备专用电池，包括电池正极、电池负极和非水电解质；所述电池正极呈双层结构，内层结构是锰酸锂和镍钴锰酸锂的复合物，外层是金属氧化物包覆层；所述电池负极由集流体和涂敷在该集流体上的负极材料构成，所述负极材料由碳素材料、导电剂、粘结剂和添加剂组成，所述添加剂的锂离子接收能力是碳素材料的锂离子接收能力2倍以上；所述非水电解质包括溶剂和锂盐，所述溶剂为有机类酯、酮混合溶剂溶剂，锂盐为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂或者高氯酸锂中的一种；电池正极、电池负极固定设置在非水电解质中，且电池正极、电池负极设置有隔膜。

Description

一种新能源设备专用电池
技术领域
本发明涉及新能源电池应用技术领域，具体涉及一种新能源设备专用电池。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、比能量密度大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应以及环境污染小等优点，已经广泛应用于电子消费品市场，也是未来电动车辆和各种电动工具的理想动力源。锂二次电池通常采用石墨、钛酸锂或者硅合金等材料作为负极活性物质，LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4和LiCoxNiyMnzO2三元材料等作为正极活性物质，正、负极之间使用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或者它们的复合物作为隔膜，另外锂二次电池中需要灌注电解液，以起到正负极之间传输离子的作用。电解液和电极材料，以及电解液和隔膜之间均存在液/固的界面。
其正极材料锰酸锂循环性能较差且电化学稳定性却大大限制了其产业化，在充放电过程中，尤其是当深度充放电时，存在结构不稳定，容量衰减快，高温循环性能差的问题；其负极材料在充电过程中，负极表面析锂形成锂枝晶，锂枝晶易刺穿隔膜引起电池内部短路，严重影响锂离子电池的安全性能；非水电解质则存在着低温下部分碳酸酯溶剂因熔点高导致凝固，电解质析出使电解液电导率急剧下降，导致电池无法正常使用，在高寒冷地区，甚至南北极区域，一般锂电池将无法使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是正极材料结构不稳定，负极材料充电时易发生断路现象，非水电解质材料在低温情况下容易凝固，无法在南北极高冷寒地带使用，针对现有技术的上述缺陷，本发明提供。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种新能源设备专用电池，包括电池正极、电池负极和非水电解质；所述电池正极呈双层结构，内层结构是锰酸锂和镍钴锰酸锂的复合物，外层是金属氧化物包覆层；所述电池负极由集流体和涂敷在该集流体上的负极材料构成，所述负极材料由碳素材料、导电剂、粘结剂和添加剂组成，所述添加剂的锂离子接收能力是碳素材料的锂离子接收能力两倍以上；所述非水电解质包括溶剂和锂盐，所述溶剂为有机类酯、酮混合溶剂溶剂，锂盐包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂；电池正极、电池负极固定设置在非水电解质中，且电池正极、电池负极设置有隔膜。
作为本发明的一种优选技术方案，所述镍钴锰酸锂是富镍浓度梯度型镍钴锰酸锂，且镍钴锰酸锂的占电池正极总质量的0.1～20％；所述金属氧化物包覆层中金属氧化物可以是氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化钙中任意一种，或四者中任意多种任意比例混合的混合物；金属氧化物包覆层的质量百分含量电池正极总质量的0.05～10％。
作为本发明的一种优选技术方案，所述负极材料中碳素材料包括但不限于人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳，且添加剂的质量为碳素材料质量的0.3％～0.6％。
作为本发明的一种优选技术方案，添加剂为硅、硅氧化物、锡、锡氧化物、过渡金属氧化物中的一种或数种任意比例混合，其中过渡金属氧化物为铁、钴、镍、钨、钛、钒、锰、铜的氧化物中的一种或数种任意比例混合。
作为本发明的一种优选技术方案，所述非水电解质中溶剂包括1,3-二氧杂环戊酮、3-戊酮、2-氯丁烷，且1,3-二氧杂环戊酮、3-戊酮、2-氯丁烷质量比为1～3：1～6：1～8。
作为本发明的一种优选技术方案，所述非水电解质中中锂盐的浓度为1mol/kg～1.5mol/kg；锂盐中六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂的质量比为1～2：2～5：3～6，最佳比例为1:3:4。
作为本发明的一种优选技术方案，所述隔膜为聚丙烯膜、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜、尼龙布、玻璃纤维、聚乙烯醇膜和石棉纸中的至少一种；且聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜中各成分的占比为1:0.9～1.2:0.9～1.5，最佳比例为1:1.1:1.3。
本发明所达到的有益效果是：本发明通过设置双层结构包裹正极材料，解决了锰酸锂正极材料高温循环性差、比容量低、衰减快等突出问题；通过设置添加剂本身也是具有锂离子插入/脱出能力的活性材料，将其所吸收的锂离子大部分固定、不参与后续的充放电循环，从而减轻或消除所述添加剂的体积反复膨胀收缩现象，改善由此导致的电极结构破坏，具有更好的循环寿命特性；通过使用有机类酯、酮混合溶剂溶剂具有较低的熔点，且低温条件下具有优良的稳定性和溶解性，能够更好地在低温条件下使用。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：本发明提供一种新能源设备专用电池，包括电池正极、电池负极和非水电解质；所述电池正极呈双层结构，内层结构是锰酸锂和镍钴锰酸锂的复合物，外层是金属氧化物包覆层；所述电池负极由集流体和涂敷在该集流体上的负极材料构成，所述负极材料由碳素材料、导电剂、粘结剂和添加剂组成，所述添加剂的锂离子接收能力是碳素材料的锂离子接收能力两倍以上；所述非水电解质包括溶剂和锂盐，所述溶剂为有机类酯、酮混合溶剂溶剂，锂盐包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂；电池正极、电池负极固定设置在非水电解质中，且电池正极、电池负极设置有隔膜。
进一步的，所述镍钴锰酸锂是富镍浓度梯度型镍钴锰酸锂，且镍钴锰酸锂的占电池正极总质量的0.1～20％；所述金属氧化物包覆层中金属氧化物可以是氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化钙中任意一种，或四者中任意多种任意比例混合的混合物；金属氧化物包覆层的质量百分含量电池正极总质量的0.05～10％。
进一步的，所述负极材料中碳素材料包括但不限于人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳，且添加剂的质量为碳素材料质量的0.3％～0.6％。
进一步的，添加剂为硅、硅氧化物、锡、锡氧化物、过渡金属氧化物中的一种或数种任意比例混合，其中过渡金属氧化物为铁、钴、镍、钨、钛、钒、锰、铜的氧化物中的一种或数种任意比例混合。
进一步的，所述非水电解质中溶剂包括1,3-二氧杂环戊酮、3-戊酮、2-氯丁烷，且1,3-二氧杂环戊酮、3-戊酮、2-氯丁烷质量比为1～3：1～6：1～8。
进一步的，所述非水电解质中中锂盐的浓度为1mol/kg～1.5mol/kg；锂盐中六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂的质量比为1～2：2～5：3～6，最佳比例为1:3:4。
进一步的，所述隔膜为聚丙烯膜、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜、尼龙布、玻璃纤维、聚乙烯醇膜和石棉纸中的至少一种；且聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜中各成分的占比为1:0.9～1.2:0.9～1.5，最佳比例为1:1.1:1.3。
具体的：所述正极材料使用双层结构，内层结构是锰酸锂和镍钴锰酸锂的复合物，外层是金属氧化物包覆层，锰酸锂和镍钴锰酸锂为发生正极反应的材料，外层金属氧化物均匀包裹反应的材料，从而避免了锰酸锂正极材料高温循环性差、比容量低、衰减快的问题；且镍钴锰酸锂是富镍浓度梯度型镍钴锰酸锂，提高了电极的比容量。
负极材料使用碳素材料加添加剂混合，添加剂可以接受比碳素材料更多的由正极迁移来的锂离子，从而即便是在较小的负极过量比条件下也不会产生析锂，因此可以减少负极的用量并提高电池的比容量；且添加剂的质量为碳素材料质量的0.3％～0.6％，添加量太少，吸收正极迁移过来锂离子的比例太少，使得降低负极设计过量比的效果不大；添加量太大，添加剂本身也占据空间，使得提高电池设计容量的效果不大；添加剂本身是具有锂离子插入/脱出能力的活性材料，其吸收的锂离子大部分固定、不参与后续的充放电循环，从而减轻或消除所述添加剂的体积反复膨胀收缩现象，改善由此导致的电极结构破坏，具有更好的循环寿命特性。
锂离子非水电解质以1,3-二氧杂环戊酮、3-戊酮、2-氯丁烷作为溶剂，1,3-二氧杂环戊酮在使用过程中能形成稳定的SEI膜；3-戊酮、2-氯丁烷均具有较低的熔点，低温和常温下具有较好的化学稳定性，在较低的温度下仍能表现出较好的溶解性。采用上述三种溶剂配合使用并合理配比，使得上述锂离子电池电解液在低温下也能具有较好的电化学性能和稳定性，使之能够在低温条件下仍然能够使用。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新能源设备专用电池，其特征在于，包括电池正极、电池负极和非水电解质；所述电池正极呈双层结构，内层结构是锰酸锂和镍钴锰酸锂的复合物，外层是金属氧化物包覆层；所述电池负极由集流体和涂敷在该集流体上的负极材料构成，所述负极材料由碳素材料、导电剂、粘结剂和添加剂组成，所述添加剂的锂离子接收能力是碳素材料的锂离子接收能力两倍以上；所述非水电解质包括溶剂和锂盐，所述溶剂为有机类酯、酮混合溶剂溶剂，锂盐包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂；电池正极、电池负极固定设置在非水电解质中，且电池正极、电池负极设置有隔膜。
2.根据权利要求1所述的一种新能源设备专用电池，其特征在于，所述镍钴锰酸锂是富镍浓度梯度型镍钴锰酸锂，且镍钴锰酸锂的占电池正极总质量的0.1～20％；所述金属氧化物包覆层中金属氧化物可以是氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化钙中任意一种，或四者中任意多种任意比例混合的混合物；金属氧化物包覆层的质量百分含量电池正极总质量的0.05～10％。
3.根据权利要求1所述的一种新能源设备专用电池，其特征在于，所述负极材料中碳素材料包括但不限于人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳，且添加剂的质量为碳素材料质量的0.3％～0.6％。
4.根据权利要求3所述的一种新能源设备专用电池，其特征在于，添加剂为硅、硅氧化物、锡、锡氧化物、过渡金属氧化物中的一种或数种任意比例混合，其中过渡金属氧化物为铁、钴、镍、钨、钛、钒、锰、铜的氧化物中的一种或数种任意比例混合。
5.根据权利要求1所述的一种新能源设备专用电池，其特征在于，所述非水电解质中溶剂包括1,3-二氧杂环戊酮、3-戊酮、2-氯丁烷，且1,3-二氧杂环戊酮、3-戊酮、2-氯丁烷质量比为1～3：1～6：1～8。
6.根据权利要求1所述的一种新能源设备专用电池，其特征在于，所述非水电解质中中锂盐的浓度为1mol/kg～1.5mol/kg；锂盐中六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂的质量比为1～2：2～5：3～6，最佳比例为1:3:4。
7.根据权利要求1所述的一种新能源设备专用电池，其特征在于，所述隔膜为聚丙烯膜、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜、尼龙布、玻璃纤维、聚乙烯醇膜和石棉纸中的至少一种；且聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜中各成分的占比为1:0.9～1.2:0.9～1.5，最佳比例为1:1.1:1.3。
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