CN116435582B - 一种可瞬间高能大倍率放电的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

一种可瞬间高能大倍率放电的锂离子电池。通过离子注入法向钴酸锂正极材料掺入元素Y可以有效提高电池的高倍率放电性能，而在离子注入后退火处理可利于元素Y的扩散，可进一步优化电池性能，并且，在大量的试验过程中，发明人意外地发现分段退火可以获得更为优秀的试验效果。另外，本发明负极材料的碳含量需控制在5.4wt％‑10.9wt％，这样可以保证钴酸锂电池的30C倍率放电达成率超过70％，50C倍率放电达成率超过50％，以满足无人机、巡飞系列飞行器、引信发射供电系统等领域瞬时大倍率放电的使用需求。

Description

一种可瞬间高能大倍率放电的锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种可瞬间高能大倍率放电的锂离子电池。
背景技术
目前，锂离子电池成为包括手机、平板电脑、笔记本电脑、数码相机、电动工具和玩具在内的便携式消费电子设备的首选电池，这主要是因为它的耐用性、高比能量以及可以在相当高的功率下工作。
然而，在某些作为动力驱动需要超高倍率放电时，锂离子电池的容量会迅速下降，极化增加，循环寿命，比功率和比能量也会受到显著影响。有鉴于此，有必要设计一种可瞬间高能大倍率放电且性能稳定的锂离子电池。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可瞬间高能大倍率放电的锂离子电池，该电池在30C/50C倍率下放电仍具有优异的放电比容量。
一种可瞬间高能大倍率放电的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括碳掺杂的硅负极材料和钴酸锂正极材料，
所述碳掺杂的硅负极材料由以下方法制备而得：
将硅粉原料、氢氧化锂和酚醛树脂放入球磨罐中，以乙二醇为介质，在不锈钢珠环境下球磨使其混合均匀，75-80℃下干燥3-5h得到前驱体。将前驱体放入管式炉中，在惰性气体下于450-480℃烧结，升温至700-720℃后保温12-15h，最后冷却至室温得到碳掺杂的硅负极材料，通过控制物料配比调整负极材料的碳含量约5.4wt％-10.9wt％，并使锂含量为6.1-7.5wt％，将碳掺杂的硅负极材料溶于去离子水和无水乙醇的混合溶液中，然后将其均匀涂覆于铜箔表面，烘干固化后切片；
所述钴酸锂正极材料由以下方法制备而得：
将粘结剂PVDF溶于NMP中，搅拌均匀后添加乙炔黑并搅拌，而后加入LiCoO2搅拌后得到浆料，使用涂膜机将浆料均匀涂覆在铝箔上，得到厚度为10-12μm的涂膜，放入烘箱中干燥10-12h，而后切片得到LiCoO2正极片半成品，其中，Li CoO2、乙炔黑、粘结剂PVDF按照质量比为8.5∶1.2∶1.5，将LiCoO2正极片半成品放入金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中，通过离子注入工艺向含有Li CoO2的正极片半成品表面注入金属Y，金属Y的注入量为8×106ions/cm2。
优选地，所述球磨时间为2.5-5h。
优选地，所述烧结时间为2-5h。
优选地，所述惰性气体为氩气。
优选地，所述离子注入后还包括退火处理。
优选地，所述退火处理为分段退火处理。
通过离子注入法向钴酸锂正极材料掺入元素Y可以有效提高电池的高倍率放电性能，而在离子注入后退火处理可利于元素Y的扩散，可进一步优化电池性能，然而，在大量的试验过程中，发明人意外地发现分段退火可以获得更为优秀的试验效果。另外，本发明负极材料的碳含量需控制在5.4wt％-10.9wt％，这样可以保证钴酸锂电池的30C倍率放电达成率超过70％，50C倍率放电达成率超过50％，以满足无人机、巡飞系列飞行器、引信发射供电系统等领域瞬时大倍率放电的使用需求。
具体实施方式
下面通过具体实施例来验证本发明的技术效果，但是本发明的实施方式不局限于此。
实施例1
将粘结剂PVDF溶于NMP中，搅拌均匀后添加乙炔黑并搅拌1h，而后加入Li CoO2搅拌3h后得到浆料，使用涂膜机将浆料均匀涂覆在铝箔上，得到厚度为12μm的涂膜，放入烘箱中于80℃下干燥12h，而后切片得到LiCoO2正极片半成品。其中，LiCoO2、乙炔黑、粘结剂PVDF按照质量比为8.5∶1.2∶1.5。将Li CoO2正极片半成品放入金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中，通过离子注入工艺向含有LiCoO2的正极片半成品表面注入金属Y，金属Y的注入量为8×106ions/cm2。
实施例2
将粘结剂PVDF溶于NMP中，搅拌均匀后添加乙炔黑并搅拌1h，而后加入Li CoO2搅拌3h后得到浆料，使用涂膜机将浆料均匀涂覆在铝箔上，得到厚度为12μm的涂膜，放入烘箱中于80℃下干燥12h，而后切片得到LiCoO2正极片半成品。其中，LiCoO2、乙炔黑、粘结剂PVDF按照质量比为8.5∶1.2∶1.5。将Li CoO2正极片半成品放入金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中，通过离子注入工艺向含有LiCoO2的正极片半成品表面注入金属Y，金属Y的注入量为8×106ions/cm2。将离子注入后的正极片在真空中于300℃下退火12h。
实施例3
将粘结剂PVDF溶于NMP中，搅拌均匀后添加乙炔黑并搅拌1h，而后加入Li CoO2搅拌3h后得到浆料，使用涂膜机将浆料均匀涂覆在铝箔上，得到厚度为12μm的涂膜，放入烘箱中于80℃下干燥12h，而后切片得到LiCoO2正极片半成品。其中，LiCoO2、乙炔黑、粘结剂PVDF按照质量比为8.5∶1.2∶1.5。将Li CoO2正极片半成品放入金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中，通过离子注入工艺向含有LiCoO2的正极片半成品表面注入金属Y，金属Y的注入量为8×106ions/cm2。将离子注入后的正极片在真空中分别于300℃下退火4h，260℃下退火4h，220℃下退火4h。
对比例1
将粘结剂PVDF溶于NMP中，搅拌均匀后添加乙炔黑并搅拌1h，而后加入Li CoO2搅拌3h后得到浆料，使用涂膜机将浆料均匀涂覆在铝箔上，得到厚度为12μm的涂膜，放入烘箱中于80℃下干燥12h，而后切片得到LiCoO2正极片成品。其中，LiCoO2、乙炔黑、粘结剂PVDF按照质量比为8.5∶1.2∶1.5。
另外，本发明还提供了负极材料的制备方法，具体为：将硅粉原料、氢氧化锂和酚醛树脂放入球磨罐中，以乙二醇为介质，在不锈钢珠环境下球磨3h使其混合均匀，75℃下干燥3h得到前驱体。将前驱体放入管式炉中，在惰性气体下于480℃烧结2.5h，升温至720℃后保温12h，最后冷却至室温得到碳掺杂的硅负极材料，通过控制物料配比调整负极材料的碳含量，并使锂含量为6.1wt％。将碳掺杂的硅负极材料溶于去离子水和无水乙醇的混合溶液中，然后将其均匀涂覆于铜箔表面，烘干固化后切片。
以下，我们将实施例1-3、对比例1的正极材料与上述负极材料组建为锂电池，选用电解液为1mo l/L的Li PF6/EC+DMC+EMC(1∶1∶1)。同时，为了实验的可比性，需保证其余条件(包括电池隔膜、集流体材料、电池外壳体等)均一致。实验结果如表1所示。表1中，碳含量表示负极材料中碳的质量百分比，30C达成率表示“30C倍率下放电比容量/0.5C倍率下放电比容量”，50C达成率表示“50C倍率下放电比容量/0.5C倍率下放电比容量”。
表1各试验组的测试数据
正极 负极碳含量/wt％ 30C达成率/％ 50C达成率/％
实施例1 5.4 76.0 68.5
实施例1 7.7 79.3 69.7
实施例1 10.9 72.2 59.5
实施例1 1.1 53.6 32.4
实施例1 15.0 56.7 40.5
对比例1 7.7 50.9 39.8
实施例2 7.7 82.5 72.3
实施例3 7.7 86.7 76.2
从表1可以看出，通过离子注入法向钴酸锂正极材料掺入元素Y可以有效提高电池的高倍率放电性能，而在离子注入后退火处理可利于元素Y的扩散，可进一步优化电池性能，然而，在大量的试验过程中，发明人意外地发现分段退火可以获得更为优秀的试验效果，这其中的原理不甚清晰，还有待进一步研究，此处不再赘述。
另外，本发明负极材料的碳含量需控制在5.4wt％-10.9wt％，这样可以保证钴酸锂电池的30C达成率超过70％，50C达成率超过50％，以满足无人机、巡飞系列飞行器、引信发射供电系统等领域的使用需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可瞬间高能大倍率放电的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括碳掺杂的硅负极材料和钴酸锂正极材料，
所述碳掺杂的硅负极材料由以下方法制备而得：
将硅粉原料、氢氧化锂和酚醛树脂放入球磨罐中，以乙二醇为介质，在不锈钢珠环境下球磨使其混合均匀，75-80℃下干燥3-5h得到前驱体，将前驱体放入管式炉中，在惰性气体下于450-480℃烧结，升温至700-720℃后保温12-15h，最后冷却至室温得到碳掺杂的硅负极材料，通过控制物料配比调整负极材料的碳含量为5.4wt％-10.9wt％，并使锂含量为6.1-7.5wt％，将碳掺杂的硅负极材料溶于去离子水和无水乙醇的混合溶液中，然后将其均匀涂覆于铜箔表面，烘干固化后切片；
所述钴酸锂正极材料由以下方法制备而得：
将粘结剂PVDF溶于NMP中，搅拌均匀后添加乙炔黑并搅拌，而后加入LiCoO2搅拌后得到浆料，使用涂膜机将浆料均匀涂覆在铝箔上，得到厚度为10-12μm的涂膜，放入烘箱中干燥10-12h，而后切片得到LiCoO2正极片半成品，其中，LiCoO2、乙炔黑、粘结剂PVDF按照质量比为8.5∶1.2∶1.5，将LiCoO2正极片半成品放入金属蒸汽真空弧电源离子注入设备中，通过离子注入工艺向含有LiCoO2的正极片半成品表面注入金属Y，金属Y的注入量为8×106ions/cm2。
2.一种如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述球磨时间为2.5-5h。
3.一种如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述烧结时间为2-5h。
4.一种如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
5.一种如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述离子注入后还包括退火处理。
6.一种如权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述退火处理为分段退火处理。
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