CN114270557A - 用于动力工具的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本文提供一种用于动力工具的锂离子电池。锂离子电池包括：含有某一重量含量的硅基材料的碳基负极、包括含镍的锂金属氧化物的正极、和置于负极和正极之间的不可燃的电解质。负极的硅基材料的重量含量为不低于5％。锂金属氧化物的镍成分不低于锂金属氧化物的其他金属成分。

Description

用于动力工具的锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池。更具体地，本发明涉及一种用于动力工具的锂离子电池，其具有更高的能量和功率密度和改善的热稳定性。
背景技术
随着便携式电子装置、医疗装置、电动车辆等使用的激增，锂离子电池行业迅速发展。目前，锂离子电池包括负极和正极，以及在负极和正极之间用于分隔负极和正极但允许锂离子运动的电解质。许多研究正在积极进行，以为下一代锂离子电池提供更高的能量和功率密度和更好的性能。
根据不同的应用，有些因素比其他因素考虑得更多。例如，便携式电子装置、电动车辆和能量存储系统需要更高的能量密度，便携式动力工具、草坪和园林工具以及真空吸尘器需要更高的功率密度，而改善安全性对所有应用都很重要。然而，锂离子电池用于动力工具的独立研究还没有像锂离子电池用于其他装置(如电动车辆)的研究那样积极地进行。
发明内容
本发明提供了用于动力工具的锂离子电池，该锂离子电池包括含有某一重量含量的硅基材料的碳基负极、包括含镍的锂金属氧化物的正极、和置于负极和正极之间的不可燃的电解质。负极的硅基材料的重量含量为不低于5％。锂金属氧化物的镍成分不低于锂金属氧化物的其他金属成分。
负极可包括石墨和该硅基材料。硅基材料可包括硅、氧化硅(SiOx)或硅和氧化硅(SiOx)的组合。硅基材料可以是以石墨、石墨烯或其他碳基材料涂覆的。硅基材料的重量含量范围可以是5％至40％。硅基材料的重量含量可以是8％。硅基材料的重量含量范围可以是15％至40％，优选15％。
正极可以包括LiaNixAyBzO2，其中a≥1，x≥0.5，y+z＝1-x。x、y和z的比率选自由6:2:2、8:1:1、以及9:0.5:0.5组成的组。
正极可包括核壳梯度材料。核壳梯度材料可包括LiNiMnCoO2，并且Ni的含量从电池外壳到电池核心增加。正极可包括掺杂或表面涂层。掺杂物或涂层材料可包括碳、锆、铝或锗。
电解质可以包括离子液体(IL)。IL可以是质子或非质子的。IL包含阳离子和阴离子。阳离子可包括咪唑鎓、吡啶鎓、吡咯烷鎓或哌啶鎓。阴离子可包括溴离子、氯离子、碘离子、磷酸根、BF4 -、PF6 -、TFSI-或FSI-。
锂离子电池容量可以不低于4Ah。锂离子电池可以是圆柱型、棱柱型或软包型的锂离子电池。
根据本发明，本文提供一种用于动力工具的锂离子电池。锂离子电池具有不低于4Ah的容量并且满足预定的安全要求。
当锂离子电池处于正常状态下、不燃烧或起火时，可以确定符合预定的安全要求。锂离子电池可以满足预定的安全要求，而不需要任何熔断元件、冗余电路或固件保护。
锂离子电池可包含：含有某一重量含量的硅基材料的碳基负极，包括含镍的锂金属氧化物的核壳梯度正极、和置于负极和正极之间的不可燃的电解质。
锂金属氧化物可以包含LiNiMnCoO2，并且Ni的含量从电池外壳到电池核心增加。
硅基材料可包含硅、氧化硅(SiOx)或硅和氧化硅的组合，并且负极的硅基材料的重量含量范围为5％至40％。
根据本发明，提供的电池电芯可以特别适用于需要高功率(电压，如18V、36V、48V和54V)并同时需要大容量的动力工具电池组。
通过考虑以下具体实施方式和权利要求，本发明的其他特征和方面将变得清楚。
在详细解释本发明的任何独立构造之前，应该理解的是，本发明的应用不限于在以下描述中阐述的或在以下附图中展示的构造细节和部件布置。本发明能够具有其他独立构造并且能够以各种方式来实现或执行。并且，应当理解的是，在此所使用的措辞和术语是为了说明的目的而不应视为限制性的。
本文使用的“包括”和“包含”及其变型旨在涵盖下文所列各项及其等同物以及附加项。本文使用的“由……组成”及其变型旨在仅涵盖下文所列的项及其等同物。
附图说明
本发明的这些和其他特征将从以下仅作为示例并参考附图的描述中变得更加明显。
图1示出了根据本发明的一个实施例的锂离子电池的透视图。图1(a)示出了示例的圆柱型锂离子电池，图1(b)示出了示例的棱柱型锂离子电池，图1(c)示出了示例的软包型锂离子电池。
图2示出了根据本发明的另一个实施例的圆柱型锂离子电池的透视图。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的棱柱型锂离子电池的透视图。
图4示出了根据本发明的另一个实施例的软包型锂离子电池的透视图。
在详细解释本发明的任何实施例之前，应该理解的是，本发明的应用不限于在以下描述中阐述的或在以下附图中展示的实施例细节和部件布置。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式来实践或执行。并且，应当理解的是，在此所使用的措辞和术语是为了说明的目的而不应视为限制性的。
具体实施方式
本文描述的锂离子电池包括正极和负极以及置于正极和负极之间的电解质。在放电期间负极通过该电极释放锂时锂氧化产生电子而释放锂离子。锂离子穿过电解质朝正极移动，并且通过消耗电子而中和。为对锂离子电池进行充电，锂离子流反向穿过电芯。
相比于用于其他应用(包括便携式电子装置、医疗装置、存储装置、电动汽车等)，本文描述的锂离子电池优选地用于动力工具。
本文描述的锂离子电池可以依据动力工具的不同种类的应用而设置成不同类型，如圆柱形电芯、棱柱形电芯或软包形电芯。例如，优选地使用具有低ACIR(交流内阻，小于20mOhm)、低DCIR(直流内阻，小于30mOhm)、直径18mm且长65mm(18650)的圆柱形电芯，具有低ACIR(小于15mOhm)、低DCIR(小于25mOhm)、直径21mm长70mm(21700)的圆柱形电芯，或具有低ACIR(小于5mOhm)、低DCIR(小于10mOhm)、总体尺寸为长90mm宽65mm且厚不超过5mm并且具有位于电芯相反两端的外部连接的电触点的软包形电芯。
考虑到更高的能量密度和更高的功率以及减少安全问题，为了提供一种性能更好的用于动力工具的锂离子电池，下文将描述锂离子电池的每个元件所使用的材料。
在一个实施例中，负极主要包括碳基材料。负极主要包括但不限于石墨。负极进一步包括某一重量含量的硅基材料。在一个示例中，硅基材料包括硅、氧化硅(SiOx)、或硅和氧化硅(SiOx)的组合。硅基材料可以是以石墨、石墨烯或其他碳基材料涂覆的。
在一个示例中，硅基材料的重量含量不小于5％。在另一个示例中，硅基材料的重量含量范围为5％至40％。在这种情况下，根据硅基材料的重量含量，石墨的重量含量范围为60％至95％。在又另一个示例中，硅基材料的重量含量为约8％。
在又另一个示例中，硅基材料的重量含量范围为15％至40％。在这种情况下，根据硅基材料的重量含量，石墨的重量含量范围为60％至85％。优选地，硅基材料的重量含量为约15％。硅的理论比容量远高于石墨，也就是说，是石墨容量的十倍以上。因此，负极中引入硅导致锂离子电池的容量增加。考虑到硅的大体积膨胀，可以基于锂离子电池在不同种类动力工具中的应用而调整硅含量。
根据一个实施例，正极包括锂金属氧化物。锂金属氧化物包含镍。例如，锂金属氧化物包括但不限于LiNiO2、LiNiCoO2、LiNiMnCoO2、LiNiCoAlO2或LiNiMnCoAlO2。优选地，锂金属氧化物包括LiaNixAyBzO2，其中a≥1，x≥0.5，y+z＝1-x。优选地，LiaNixAyBzO2可以包括LiNixMnyCozO2或LiNixCoyAlzO2。
在一个示例中，锂金属氧化物是LiNixMnyCozO2，并且Ni、Mn和Co的成分可以分别表示为x、y和z，其中x≥0.5，y+z＝1-x。在此，Ni的成分x不低于其他成分，也就是说y和z。例如，LiNixMnyCozO2可以是LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2或LiNi0.9Mn0.05Co0.05O2。在该示例中，Ni、Mn和Co成分(x、y和z)的比率分别是6:2:2、8:1:1和9:0.5:0.5。
在另一个实施例中，正极包括核壳梯度(CSG)材料。该核壳梯度材料包括LiNixAyBzO2，其中，x+y+z＝1。LiNixAyBzO2可以包括LiNixMnyCozO2或LiNixCoyAlzO2。x、y和z的比率可以从电池核心到电池外壳逐渐变化。例如，Ni的成分x可以从电池外壳到电池核心增加。也就是说，Ni的成分可以在核心处是最大，并且在外壳处可以是最小。另一方面，A和B的成分，即y和z可以从核心处向外壳处增加。例如，在核心处，LiNixAyBzO2可以是LiNi0.8A0.1B0.1O2，并且在外壳处，LiNixAyBzO2可以是LiNi1/3A1/3B1/3O2。在核心和外壳之间，LiNixAyBzO2的成分x可以从核心处到外壳处从0.8逐渐减少到1/3，同时成分y和z从核心处到外壳处从0.1增加到1/3，其中x+y+z＝1。在此，y和z的值可以相同或不同，只要他们满足x+y+z＝1。
对于另一个示例，核壳梯度材料包括两个或更多个离散的锂金属氧化物材料层。例如，核壳梯度材料包括三个离散的锂金属氧化物材料层。在该示例中，锂金属氧化物材料是LiNixAyBzO2(其中x+y+z＝1)，并且三层锂金属氧化物材料有不同的Ni、A和B的成分。如上所述，A和B可以是Mn和Co，或Co和Al。Ni的成分可以从外层到核心层增加。在此，最内层(即，核心层)包括三层中最高的Ni成分，Ni成分在下一外层减少并且在最外层进一步减少。例如，最内层材料是LiNi0.8A0.1B0.1O2，第二层至最内层是LiNi0.6A0.2B0.2O2，并且最外层是LiNi1/3A1/3B1/3O2。本领域技术人员将理解本发明的范围不限于这些示例，只要Ni成分在内层(即核心)中较高并且在外层(即外壳)中相对较低即可。这种结构可以为电池提供更好的热安全性以及更高的容量。
在又另一个实施例中，正极包括掺杂或表面涂层。掺杂物或涂层材料包括但不限于碳、锆、铝或锗。
根据一个实施例，在负极和正极之间提供了电解质。电解质包括不可燃的电解质。不可燃的电解质包括离子液体(IL)。IL可以是质子或非质子的。IL包含阳离子和阴离子。阳离子包括但不限于咪唑鎓、吡啶鎓、吡咯烷鎓、哌啶鎓等。阴离子包括但不限于溴离子、氯离子、碘离子、磷酸根、BF4 -、PF6 -、TFSI-、FSI-等。一些示例阳离子和阴离子的化学式提供如下。
Figure BDA0003503490620000061
Figure BDA0003503490620000071
当温度增加，某些离子化合物由于热活化而变为液体。在此状态下的盐通常表示为“熔盐”，其中的一些在环境温度下、甚至在非常低的温度下保持为液体。此类熔盐被称为“环境温度离子液体”或“离子液体”。通过为电解质引入离子液体，锂离子电池可以体现更好的热稳定性，减少安全问题，如短路、过充或挤压导致的失火或爆炸等。
根据一个示例，锂离子电池可以是但不限于如图1所示的圆柱型、棱柱型或软包型。例如，图1(a)示出了示例圆柱型锂离子电池，其包含壳体(10)、负极(20)、分隔板(30)、正极(40)和不可燃的电解质(45)。图1(b)示出了示例棱柱型锂离子电池，其包含壳体(10)、负极(20)、分隔板(30)、正极(40)和不可燃的电解质(45)。图1(c)示出了示例软包型锂离子电池，其包含软包(10)、负极(20)、分隔板(30)、正极(40)和不可燃的电解质(45)。每种类型电池的负极(20)和正极(40)可以包括如本文所描述的、相应地用于负极和正极的材料和特征。每个电池也包括置于负极和正极之间的不可燃的电解质(45)。不可燃的电解质(45)可以插设在不同的正极层、负极层和分隔板层之间。电解质(45)包括本文描述的离子液体(IL)。
图2示出了圆柱型锂离子电池(50)的另一个示例。锂离子电池(50)包括卷成圆柱形罐的阴极层(即正极51)、阳极层(即负极52)和两个分隔板层(53)。锂离子电池(50)进一步包括：用于使阴极与正极端子连接的阴极导线(54)；用于使阳极与负极端子连接的阳极导线(55)；阳极罐(56)；顶盖(57)；用于防止两个导体之间短路的绝缘体(58)；用于填充罐和正极端子之间的空间的垫片(59)；在高温下限制电流而保护电池的正温度系数(PTC)元件(60)；以及释放多余气体的安全通风口(61)。
图3示出了另一个示例棱柱型锂离子电池(70)。锂离子电池(70)包括卷曲并压平以装入棱柱形罐的阴极层(71)、阳极层(72)和两个分隔板层(73)。锂离子电池(70)进一步包括阴极导线(74)、阴极引脚(75)、盖板(76)、端子板(77)、绝缘壳体(78)、绝缘体(80)、垫片(81)、安全通风口(82)和阳极罐(83)。
图4示出了另一个示例软包型锂离子电池(90)。锂离子电池(90)包括阴极(91)、阳极(92)、顶部绝缘体(93)、铝层压膜(94)、阴极接片(95)和阳极接片(96)。
根据一个实施例，锂离子电池提供用于动力工具，其容量不小于4Ah并且满足预定的安全要求。在此，当锂离子电池处于正常状态下、不燃烧或起火时，确定符合预定的安全要求。正常状态在此定义为没有任何会导致起火或燃烧的冲击的状态。特别是，根据本发明的锂离子电池可以被设计为满足预定的安全要求，而不需要任何熔断元件、冗余电路或固件保护。这可以通过包括本文描述的负极、正极和电解质的材料或结构的锂离子电池来实现。在其他示例中，负极可以包括石墨和某一重量含量的硅基材料。某一重量含量的硅基材料为不低于5％，优选地范围为5％至40％。在一个示例中，硅基材料的重量含量为约8％。在另一个示例中，硅基材料的重量含量范围为15％至40％，优选地约15％。硅基材料可以包括硅、氧化硅(SiOx)或硅和氧化硅的组合。硅基材料可以是以石墨、石墨烯或其他碳基材料涂覆的。正极可以包括含镍的锂金属氧化物的核壳梯度材料。锂金属氧化物可包括LiNixAyBzO2，其中，x+y+z＝1。LiNixAyBzO2可以包括LiNixMnyCozO2或LiNixCoyAlzO2。x、y和z的比率可以从电池核心到电池外壳逐渐变化或离散地变化。例如，Ni的成分x可以从外壳到核心增加。电解质是不可燃的电解质并且可以包括本文描述的离子液体。
根据本发明，锂离子电池的内阻不超过10mOhm。锂离子电池可以在上至20A的电流下完全放电，而在放电结束时温度不超过75℃。锂离子电池可以在1小时或更短时间内完成充电。锂离子电池可以在低至0℃的温度下充电。
应理解的是，以上仅示出并描述了可以执行本发明的示例，并且可以在不脱离本发明的精神的情况下对其做出修改和/或变更。
还应理解的是，为清楚起见而在分开的实施例的背景下描述的本发明的某些特征还可以在单个实施例中以组合方式提供。反过来，为简洁起见在单个实施例的背景下描述的本发明的各种特征也可以分开地或以任何合适的子组合方式提供。

Claims (22)

1.一种用于动力工具的锂离子电池，该锂离子电池包含：
含有某一重量含量的硅基材料的碳基负极；
包括含镍的锂金属氧化物的正极；以及
置于该负极和该正极之间的不可燃的电解质，
其中，该负极的硅基材料的重量含量不低于5％，并且其中，该锂金属氧化物中镍的成分不低于该锂金属氧化物的其他金属的成分。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中，该负极包含石墨和该硅基材料。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其中，该硅基材料包括硅、氧化硅(SiOx)或硅和氧化硅的组合。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池，其中，该硅基材料是以石墨、石墨烯或其他碳基材料涂覆的。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中，该硅基材料的重量含量范围为5％至40％。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池，其中，该硅基材料的重量含量为约8％。
7.根据权利要求5所述的锂离子电池，其中，该硅基材料的重量含量范围为15％至40％。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其中，该硅基材料的重量含量为约15％。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中，该正极包含LiaNixAyBzO2，其中a≥1，x≥0.5，y+z＝1-x。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其中，x、y和z的比率选自由6:2:2、8:1:1、以及9:0.5:0.5组成的组。
11.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中，该正极包含核壳梯度材料。
12.根据权利要求11所述的锂离子电池，其中，该核壳梯度材料包含LiNiMnCoO2，并且Ni的含量从该电池的外壳到该电池的核心增加。
13.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中，该电解质包含离子液体(IL)。
14.根据权利要求13所述的锂离子电池，其中，该IL包含阳离子和阴离子，并且其中这些阳离子包含咪唑鎓、吡啶鎓、吡咯烷鎓或哌啶鎓，并且这些阴离子包含溴离子、氯离子、碘离子、磷酸根、BF4 -、PF6 -、TFSI-或FSI-。
15.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中，该锂离子电池容量不低于4Ah。
16.根据权利要求1所述的锂离子电池，其中，该锂离子电池是圆柱型、棱柱型或软包型的锂离子电池。
17.一种用于动力工具的锂离子电池，其特征在于，该锂离子电池具有不低于4Ah的容量并且满足预定的安全要求。
18.根据权利要求17所述的锂离子电池，其中，当该锂离子电池处于正常状态下、不燃烧或起火时，确定符合该预定的安全要求。
19.根据权利要求18所述的锂离子电池，其中，该锂离子电池满足该预定的安全要求，而不需要任何熔断元件、冗余电路或固件保护。
20.根据权利要求16所述的锂离子电池，其中，该锂离子电池包含：含有某一重量含量的硅基材料的碳基负极、包括含镍的锂金属氧化物的核壳梯度正极、和置于该负极和该正极之间的不可燃的电解质。
21.根据权利要求20所述的锂离子电池，其中，该锂金属氧化物包含LiNiMnCoO2，并且Ni的含量从该电池外壳到该电池核心增加。
22.根据权利要求20所述的锂离子电池，其中，该硅基材料包含硅、氧化硅(SiOx)或硅和氧化硅的组合，并且该负极的硅基材料的重量含量范围为5％至40％。
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