CN111697186A - 一种高能量密度锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高能量密度锂离子电池，其包括正极、负极、隔膜、电解液以及封装膜。所述的正极活性物质为LiNi0.5Mn1.5O2、LiCoPO4，所述的负极活性物质为氧化亚硅、碳包覆硅、硅碳混合材料，所述的电解液为耐高电压电解液，所述的隔膜为PE陶瓷/PVDF复合隔膜，所述的封装膜为铝塑膜。本发明采用高电压LiNi0.5Mn1.5O2、LiCoPO4为正极材料，并匹配耐高电压电解液，采用高容量的硅碳材料作为负极材料，同时通过弹性粘接剂改善电池在循环过程中硅碳负极材料体积膨胀效应，两者协同效应，可有效地提高锂离子电池的能量密度，同时改善电池的循环性能。

Description

一种高能量密度锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及到一种高能量密度锂离子电池。
背景技术
众所周知，锂离子电池由于具有能量密度高、比功率大、工作电压高、循环性能好、无记忆效应、无污染等特点，受到人们的广泛关注。但随着新能源汽车的发展，人们对锂离子电池的性能要求更高，尤其是锂离子电池的能量密度，是一个急需解决的问题。根据《中国制造2025》动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。目前，锂离子电池的能量密度均低于300Wh/kg，要达到第一个规划，还需要进一步提升。
提高锂离子电池的能量密度主要方法有两种：一种是选择高电压正极活性材料；另一种是选择高容量的正、负极活性材料。作为第一种方法，目前主要局限于所使用的电解液与高电压正极无法匹配，导致循环性能大幅度降低，从而限制其应用。因此，寻求一种能匹配高电压正极的电解液迫不及待。第二种方法，提高材料容量，负极材料首选硅基材料，与石墨材料相比，硅基材料的理论储锂容量达到4200mAh/g，远高于石墨。然而，由于在充放电过程中，锂的插入和脱出带来硅材料的体积发生显著的变化，当容量达到理论最大容量时，其体积膨胀达到300%以上。而这种周期性的体积变化会破坏硅材料的结构，甚至导致硅基材料的粉化，从而导致硅基负极具有较大的不可逆容量损失与很差的循环性能，限制了其作为锂离子电池负极材料的应用。因此，目前研究者正在研究如何在充分发挥硅基材料容量的同时，使其体积膨胀最小化，以满足高能量密度锂离子电池的使用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高能量密度锂离子电池，旨在提高锂离子电池的能量密度，同时保证电池的循环性能，以满足动力电池对循环寿命的要求。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高能量密度锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液以及封装膜，所述的正极极片、负极极片分别由正、负集流体和涂覆在集流体上的正负极材料以及极耳组成，正极材料包括正极活性物质、正极导电剂及正极粘结剂，负极材料包括负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂。
所述的正极活性物质为LiNi0.5Mn1.5O2、LiCoPO4中的至少一种，所述的正极导电剂为碳纳米管、导电炭黑、导电石墨、超导碳中的至少一种，所述的正极粘结剂为聚偏氟乙烯。
所述的正极活性物质占正极材料总量92~98%，正极导电剂占正极材料总量1~4%，正极粘结剂占正极材料总量1~3%。作为优选，正极活性物质占正极材料总量94~97%，正极导电剂占正极材料总量1~3%，正极粘结剂占正极材料总量1~2%。
所述的负极活性物质为氧化亚硅、碳包覆硅、硅碳混合中的至少一种，所述的负极导电剂为碳纳米管、导电炭黑、导电石墨、超导碳中的至少一种，所述的负极粘结剂为聚丙烯酸、聚酰亚胺中的至少一种。
所述的负极活性物质占负极材料总量90~95%，负极导电剂占负极材料总量1~3%，负极粘结剂占负极材料总量2~6%。作为优选，负极活性物质占负极材料总量93~95%，负极导电剂占负极材料总量1~2%，负极粘结剂占负极材料总量3~5%。
所述的电解液为耐高电压电解液。
所述的耐高电压电解液的锂盐为双（三氟甲基磺酰）亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂中的至少一种，溶剂为碳酸二甲酯、2,2,2-三氟乙醚混合物，添加剂为乙氧基五氟环三磷腈、氟代碳酸乙烯酯混合物。
所述锂盐占电解液总量的10~50wt%，溶剂占电解液总量的50~90wt%，添加剂占电解液总量的1~10wt%。作为优选，电解液中双（三氟甲基磺酰）亚胺锂占电解液总量的30~50wt%，碳酸二甲酯、2,2,2-三氟乙醚混合物占电解液总量的60~80wt%，乙氧基五氟环三磷腈、氟代碳酸乙烯酯混合物占电解液总量的5~8wt%。
所述的隔膜为PE陶瓷/PVDF复合隔膜，PE层厚度为8~12微米，陶瓷涂层厚度为1~4微米，PVDF涂层为1~2微米。作为优选，所述的隔膜为PE陶瓷/PVDF复合隔膜，PE层厚度为8~10微米，陶瓷涂层厚度为1~3微米，PVDF涂层为1~2微米。
所述封装膜为铝塑膜。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明采用高电压LiNi0.5Mn1.5O2、LiCoPO4为正极材料，并匹配耐高电压电解液，提高锂离子电池电压，改善高电压下电池的循环性能；
（2）本发明采用高容量的硅碳材料作为负极材料，同时通过弹性粘接剂改善电池在循环过程中硅碳负极材料体积膨胀效应，有效地提高电池的循环性能；
（3）本发明采用PE陶瓷/PVDF复合隔膜，改善电解液浸润性能，保证隔膜强度；
（4）本发明通过提高锂离子电池电压及容量，两者协同效应，可有效地提高锂离子电池的能量密度。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
实施例1：
一种高能量密度锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液以及封装膜，正极极片分别由正集流体和涂覆在集流体上的正极材料以及极耳组成，正极材料由正极活性物质、正极导电剂及正极粘结剂组成，正极活性物质为LiNi0.5Mn1.5O2，正极导电剂为碳纳米管、超导碳混合物，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；负极极片分别由负集流体和涂覆在集流体上的负极材料以及极耳组成，负极材料由负极活性物质、负极导电剂及负极粘结剂组成，负极活性物质为氧化亚硅和碳包覆硅混合物，负极导电剂为碳纳米管、导电炭黑混合物，负极粘结剂为聚丙烯酸；电解液由锂盐、溶剂、添加剂组成，锂盐为双（三氟甲基磺酰）亚胺锂，溶剂为碳酸二甲酯、2,2,2-三氟乙醚混合物，添加剂为乙氧基五氟环三磷腈、氟代碳酸乙烯酯混合物。
正极材料中正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂的重量比为97%：1.2%：1.8%，导电剂中碳纳米管、超导碳的质量比为1:1.2；负极材料中负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂的重量比为95%：1%：4%，负极材料中氧化亚硅和碳包覆硅质量比为3:7，导电剂中碳纳米管、超导碳的质量比为1:1.2；电解液中双（三氟甲基磺酰）亚胺锂的浓度为5mol/L，二甲酯、2,2,2-三氟乙醚的质量比为2:1，乙氧基五氟环三磷腈、氟代碳酸乙烯酯的质量比7:3；隔膜为PE陶瓷/PVDF复合隔膜，PE层厚度为9米，陶瓷涂层厚度为3微米，PVDF涂层为1微米；封装膜为铝塑膜。
实施例2：
一种高能量密度锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液以及封装膜，正极极片分别由正集流体和涂覆在集流体上的正极材料以及极耳组成，正极材料由正极活性物质、正极导电剂及正极粘结剂组成，正极活性物质为LiNi0.5Mn1.5O2，正极导电剂为碳纳米管、超导碳混合物，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；负极极片分别由负集流体和涂覆在集流体上的负极材料以及极耳组成，负极材料由负极活性物质、负极导电剂及负极粘结剂组成，负极活性物质为氧化亚硅和碳包覆硅混合物，负极导电剂为碳纳米管、导电炭黑混合物，负极粘结剂为聚丙烯酸；电解液由锂盐、溶剂、添加剂组成，锂盐为双（三氟甲基磺酰）亚胺锂，溶剂为碳酸二甲酯、2,2,2-三氟乙醚混合物，添加剂为乙氧基五氟环三磷腈、氟代碳酸乙烯酯混合物。
正极材料中正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂的重量比为96.5%：1.5%：2.0%，导电剂中碳纳米管、超导碳的质量比为1:1.2；负极材料中负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂的重量比为94%：1.5%：4.5%，负极材料中氧化亚硅和碳包覆硅质量比为4:6，导电剂中碳纳米管、超导碳的质量比为1:1.2；电解液中双（三氟甲基磺酰）亚胺锂的浓度为5mol/L，二甲酯、2,2,2-三氟乙醚的质量比为2:1，乙氧基五氟环三磷腈、氟代碳酸乙烯酯的质量比7:3；隔膜为PE陶瓷/PVDF复合隔膜，PE层厚度为9米，陶瓷涂层厚度为3微米，PVDF涂层为1微米；封装膜为铝塑膜。
实施例3：
一种高能量密度锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液以及封装膜，正极极片分别由正集流体和涂覆在集流体上的正极材料以及极耳组成，正极材料由正极活性物质、正极导电剂及正极粘结剂组成，正极活性物质为LiNi0.5Mn1.5O2，正极导电剂为碳纳米管、超导碳混合物，正极粘结剂为聚偏氟乙烯；负极极片分别由负集流体和涂覆在集流体上的负极材料以及极耳组成，负极材料由负极活性物质、负极导电剂及负极粘结剂组成，负极活性物质为氧化亚硅和碳包覆硅混合物，负极导电剂为碳纳米管、导电炭黑混合物，负极粘结剂为聚丙烯酸；电解液由锂盐、溶剂、添加剂组成，锂盐为双（三氟甲基磺酰）亚胺锂，溶剂为碳酸二甲酯、2,2,2-三氟乙醚混合物，添加剂为乙氧基五氟环三磷腈、氟代碳酸乙烯酯混合物。
正极材料中正极活性物质、正极导电剂和正极粘结剂的重量比为96%：2.0%：2.0%，导电剂中碳纳米管、超导碳的质量比为1:1.2；负极材料中负极活性物质、负极导电剂和负极粘结剂的重量比为93%：2%：5%，负极材料中氧化亚硅和碳包覆硅质量比为5:5，导电剂中碳纳米管、超导碳的质量比为1:1.2；电解液中双（三氟甲基磺酰）亚胺锂的浓度为5mol/L，二甲酯、2,2,2-三氟乙醚的质量比为2:1，乙氧基五氟环三磷腈、氟代碳酸乙烯酯的质量比7:3；隔膜为PE陶瓷/PVDF复合隔膜，PE层厚度为9米，陶瓷涂层厚度为3微米，PVDF涂层为1微米；封装膜为铝塑膜。
本发明提供了一种高能量密度锂离子电池，提高了锂离子电池的能量密度，同时保证电池的循环性能，以满足动力电池对循环寿命的要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作出任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种高能量密度锂离子电池，其特征在于，所述的电池包括正极、负极、隔膜、电解液以及封装膜，所述的正极极片、负极极片分别由正、负集流体和涂覆在集流体上的正负极材料以及极耳组成，正极材料包括正极活性物质、正极导电剂及正极粘结剂，负极材料包括负极活性物质、负极导电剂、负极粘结剂。
2.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，特征在于，所述的正极活性物质选自LiNi0.5Mn1.5O2、LiCoPO4中的至少一种，所述的正极导电剂选自碳纳米管、导电炭黑、导电石墨、超导碳中的至少一种，所述的正极粘结剂选自聚偏氟乙烯。
3.根据权利要求2所述的一种高能量密度锂离子电池，特征在于，所述的正极活性物质占正极材料总量92~98%，正极导电剂占正极材料总量1~4%，正极粘结剂占正极材料总量1~3%。
4.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，特征在于，所述的负极活性物质为氧化亚硅、碳包覆硅、硅碳混合中的至少一种，所述的负极导电剂为碳纳米管、导电炭黑、导电石墨、超导碳中的至少一种，所述的负极粘结剂为聚丙烯酸、聚酰亚胺中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的一种高能量密度锂离子电池，特征在于，负极活性物质占负极材料总量90~95%，负极导电剂占负极材料总量1~3%，负极粘结剂占负极材料总量2~6%。
6.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，特征在于，所述的电解液为耐高电压电解液。
7.根据权利要求6所述的一种高能量密度锂离子电池，特征在于，所述的耐高电压电解液的锂盐为双（三氟甲基磺酰）亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂中的至少一种，溶剂为碳酸二甲酯、2,2,2-三氟乙醚混合物，添加剂为乙氧基五氟环三磷腈、氟代碳酸乙烯酯混合物。
8.根据权利要求6-7所述的一种高能量密度锂离子电池，特征在于，所述锂盐占电解液总量的10~50wt%，溶剂占电解液总量的50~90wt%，添加剂占电解液总量的1~10wt%。
9.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，特征在于，所述的隔膜为PE陶瓷/PVDF复合隔膜，PE层厚度为8~12微米，陶瓷涂层厚度为1~4微米，PVDF涂层为1~2微米。
10.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂离子电池，特征在于，所述的封装膜为自铝塑膜。
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