CN117878422A - 一种具有长循环寿命和快充性能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有长循环寿命和快充性能电池，涉及技术领域。具体包括：正极，涂覆有正极活性材料；负极，涂覆有负极活性材料，所述负极活性材料包括涂覆于负极箔材上的MXene基底和嵌入所述MXene基底的锡纳米颗粒；隔膜，设于所述正极和负极之间，用于隔离正极和负极；以及电解质，用于传导锂离子在所述正极或负极之间运动。旨在克服锂离子电池中锡电极体积膨胀、容易脱落的问题。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子动力电池技术领域，特别涉及一种具有长循环寿命和快充性能电池。
背景技术
锂离子电池有着能量密度高、工作电压高、循环寿命长、环境污染小等优势，其作为储能设备的应用越来越广泛，小到便携电话、笔记本电脑、微型相机，大到电动车、不间断电源以及太阳发电系统等，并有进一步作为动力和储能电源取代传统镍镉和铅酸等电池的趋势，已成为当今世界极具发展潜力的新型绿色高能化学电源。
锂离子负极作为电池的重要组成部分一直受到广泛关注。传统的锂离子电池以石墨作为负极，虽然具有循环性能好的优点，但其理论比容量仅为372mAh/g，难以满足电动汽车等高能量密度应用要求。且其大电流下易发生锂沉积问题，存在一定安全问题。
为了解决上述技术问题，市面上出现了采用锡电极材料，然而锡电极材料在多次充放电的过程中会产生巨大的体积膨胀效应(>260％)，致使电极材料粉化，易从导电网络剥离脱落，最终导致电池容量迅速下降，限制了其商业化发展。
因此，如何克服锂离子电池中锡电极体积膨胀、容易脱落的问题，成为了亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有长循环寿命和快充性能电池，旨在克服锂离子电池中锡电极体积膨胀、容易脱落的问题。
为了实现上述目的，本发明提出一种具有长循环寿命和快充性能电池，包括：
正极，涂覆有正极活性材料；
负极，涂覆有负极活性材料，所述负极活性材料包括涂覆于负极箔材上的MXene基底和嵌入所述MXene基底的锡纳米颗粒；
隔膜，设于所述正极和负极之间，用于隔离正极和负极；以及
电解质，用于传导锂离子在所述正极或负极之间运动。
在本申请中的一实施例中，所述锡纳米颗粒的直径R1，5um≤R1≤10um；比表面积为S1，为0.5m2/g≤S1≤2m2/g。
在本申请中的一实施例中，所述负极活性材料质量与负极集流体总质量的比值为A，90％≤A≤98％。
在本申请中的一实施例中，所述隔膜为以聚丙烯隔离膜。
在本申请中的一实施例中，所述正极活性材料为LiNi1-x-yCoxMnyO2、Li1+xNi1- yMnyO2、Li1+xNiO2、Li1+xCo1-yNiyO2中的至少一种；其中，0.3≥x≥-0.3，0.8≥y≥0.3。
在本申请中的一实施例中，所述正极活性材料的颗粒直径为R2，5um≤R2≤10um；比表面积为S1，为0.5m2/g≤S1≤1.5m2/g。
在本申请中的一实施例中，所述正极活性材料质量与正极集流体总质量的比值为B，92％≤B≤96％。
在本申请中的一实施例中，所述电解质包括有机溶剂和溶于所述有机溶剂的锂盐。
在本申请中的一实施例中，有机溶剂包括：乙睛、四氢呋喃、乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂、二乙基碳酸脂、二甲基碳酸脂、二甲基亚砜中的至少一种。
在本申请中的一实施例中，所述锂盐为LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3中的一种。
采用上述技术方案，MXene是一种具有良好电导性的二维材料，其导电性能优于传统的碳材料。使用MXene基底作为负极活性材料可以提供更高的电导率，从而降低电池内部的电阻，提高电池的放电性能和能量传输效率。MXene基底上嵌入锡纳米颗粒可以提供更高的储能容量。锡具有较高的比容量，能够可存储更多的锂离子，因此在负极活性材料中引入锡纳米颗粒可以提高电池的储能密度和能量存储能力。MXene基底和锡纳米颗粒具有良好的循环稳定性，可以减少电池在充放电循环中的容量衰减。MXene基底具有优异的化学稳定性和机械强度，而锡纳米颗粒能够抑制锂离子的体积变化，从而减少电极的结构破坏和容量损失。MXene基底具有良好的离子和电子传输特性，能够促进快速的充放电反应。同时，锡纳米颗粒具有较小的颗粒尺寸和较高的表面积，有利于锂离子的迅速嵌入和脱嵌，提高电池的充放电速率和功率性能。
附图说明
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细的说明，其中：
图1为本发明第一种实施例的结构示意图；
10、正极；20、负极；30、隔膜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。应当理解，以下具体实施例仅用以解释本发明，并不对本发明构成限制。
如图1所示，为了实现上述目的，本发明提出一种具有长循环寿命和快充性能电池，包括：
正极10，涂覆有正极10活性材料；
负极20，涂覆有负极20活性材料，所述负极20活性材料包括涂覆于负极20箔材上的MXene基底和嵌入所述MXene基底的锡纳米颗粒；
隔膜30，设于所述正极10和负极20之间，用于隔离正极10和负极20；以及
电解质，用于传导锂离子在所述正极10或负极20之间运动。
具体的，正极10包括正极10活性材料的涂覆层和正极10集流体。正极10活性材料是一种具有嵌入/脱嵌锂离子能力的化合物，通常是金属氧化物或磷酸盐。正极10活性材料被涂覆在正极10集流体上，正极10集流体一般采用铝箔或其他导电性材料，以提供电极的导电性。
负极20包括负极20活性材料的涂覆层和负极20集流体。负极20活性材料由涂覆在负极20箔材上的MXene基底和嵌入在MXene基底的锡纳米颗粒组成。MXene基底是一种二维材料，具有优异的导电性和嵌锂能力，而锡纳米颗粒具有高嵌锂容量。负极20活性材料的涂覆层可以改善负极20的电导性和嵌锂能力，从而提高电池的性能。
隔膜30位于正极10和负极20之间，起到隔离正极10和负极20的作用。隔膜30通常由聚合物材料制成，具有微孔结构，可以允许离子通过，同时阻止电极之间的直接接触。隔膜30的设计旨在提供离子传输的通道，同时防止电池内部发生短路。通过保持正负极20之间的隔离，隔膜30有助于维持电池的电荷平衡和安全性。
电解质是一种传导离子的介质，位于正极10和负极20之间。它可以是液态电解质、聚合物电解质或固态电解质。电解质中含有可溶解的离子，例如正离子(如锂离子)和负离子(如氧离子)。在电池充放电过程中，离子在电解质中移动，从正极10流向负极20或从负极20流向正极10，以完成电池的充放电过程。
正极10和负极20之间通过隔膜30隔开，形成了一个电池结构。在充电过程中，通过外部电源，电池施加一个电压，使得正极10活性材料中的离子(如锂离子)被氧化并嵌入负极20活性材料中。同时，负极20活性材料中的离子被还原，并嵌入正极10活性材料中。这个过程在放电过程中反转，离子从负极20活性材料中脱嵌并嵌入正极10活性材料中。隔膜30起到隔离正负极20的作用，禁止电极之间的直接电子流动，但允许离子在正负极20之间传输，以维持电池的电荷平衡。
采用上述技术方案，MXene是一种具有良好电导性的二维材料，其导电性能优于传统的碳材料。使用MXene基底作为负极20活性材料可以提供更高的电导率，从而降低电池内部的电阻，提高电池的放电性能和能量传输效率。MXene基底上嵌入锡纳米颗粒可以提供更高的储能容量。锡具有较高的比容量，能够可存储更多的锂离子，因此在负极20活性材料中引入锡纳米颗粒可以提高电池的储能密度和能量存储能力。MXene基底和锡纳米颗粒具有良好的循环稳定性，可以减少电池在充放电循环中的容量衰减。MXene基底具有优异的化学稳定性和机械强度，而锡纳米颗粒能够抑制锂离子的体积变化，从而减少电极的结构破坏和容量损失。MXene基底具有良好的离子和电子传输特性，能够促进快速的充放电反应。同时，锡纳米颗粒具有较小的颗粒尺寸和较高的表面积，有利于锂离子的迅速嵌入和脱嵌，提高电池的充放电速率和功率性能。
在本申请中的一实施例中，所述锡纳米颗粒的直径R1，5um≤R1≤10um；比表面积为S1，为0.5m2/g≤S1≤2m2/g。
采用上述技术方案，锡纳米颗粒相比传统负极20材料(如石墨)具有更高的嵌锂容量。由于其较大的比表面积和较小的颗粒尺寸，锡纳米颗粒能够提供更多的嵌锂活性位点，从而实现更高的锂离子储存能力。同时，锡纳米颗粒具有良好的电导性，可以减少电极材料的电阻，提高电池的功率输出能力，同时减少充放电过程中的能量损失。
在本申请中的一实施例中，所述负极20活性材料质量与负极20集流体总质量的比值为A，90％≤A≤98％。
采用上述技术方案，负极20活性材料在电池中承担储存和释放锂离子的功能。通过将较高比例的负极20活性材料添加到负极20集流体中，可以增加电池中可用的嵌锂容量，从而提高电池的能量密度。高能量密度的电池可以存储更多的能量，并在相对较小的体积和重量下提供更长的使用时间。较高的A值可以改善负极20集流体的导电性能，使电池具有更低的内部电阻。有助于提高电池的功率输出能力和充放电效率，实现更高的功率密度。
在本申请中的一实施例中，所述隔膜30为以聚丙烯隔离膜。
采用上述技术方案，聚丙烯隔离膜具有较高的热稳定性，能够在高温环境下保持其结构和性能的稳定性。使得聚丙烯隔离膜适用于高温工况下的电池应用，同时有助于减少电池在高温时的老化和性能降低。聚丙烯隔离膜在电池中具有良好的电化学稳定性，能够耐受电池正负极20之间的化学反应和离子流动。这有助于防止电池内部的电化学反应交叉，避免正负极20直接接触，防止短路和电池失效。
在本申请中的一实施例中，所述正极10活性材料为LiNi1-x-yCoxMnyO2、Li1+xNi1- yMnyO2、Li1+xNiO2、Li1+xCo1-yNiyO2中的至少一种；其中，0.3≥x≥-0.3，0.8≥y≥0.3。
具体的，LiNi1-x-yCoxMnyO2表示锂镍钴锰氧化物，将其作为正极10活性材料，具有高容量和较高的放电平台电压。此材料结构稳定，循环稳定性好等优点。
Li1+xNi1-yMnyO表示锂镍锰氧化物，将其作为正极10活性材料，具有高容量和较高的放电平台电压。该材料在高温下具有较好的热稳定性，能够提供良好的电池性能和安全性。
Li1+xNiO2表示锂镍氧化物，将其作为正极10活性材料，具有高容量和较高的放电平台电压。该材料具有良好的循环稳定性和较高的能量密度，可适用于需要长时间使用和高能量输出的应用。
Li1+xCo1-yNiyO2表示锂钴镍氧化物，将其作为正极10活性材料，具有高容量和较高的放电平台电压。该材料具有较好的循环稳定性和较高的功率输出能力，可适用于对电池性能和响应速度要求较高的应用。
在本申请中的一实施例中，所述正极10活性材料的颗粒直径为R2，5um≤R2≤10um；比表面积为S1，为0.5m2/g≤S1≤1.5m2/g。
具体的，具有较小的颗粒直径和较大的比表面积可以提供更多的活性表面，增加正极10活性材料与电解质之间的接触面积。有助于提高电池的能量密度，即单位质量或单位体积内储存的能量量。较小的颗粒直径和较大的比表面积可以缩短锂离子在正极10材料内的扩散路径，并提供更多的离子传输通道。有助于提高电池的充放电速率和功率输出能力，使电池能够更快地存储和释放能量。
在本申请中的一实施例中，所述正极10活性材料质量与正极10集流体总质量的比值为B，92％≤B≤96％。
具体的，较高的正极10活性材料质量占比可以提供更多的储能材料，因此可以在有限的空间内存储更多的能量。可以提高电池的能量密度，使其能够提供更长的使用时间或更大的能量输出。
在本申请中的一实施例中，所述电解质包括有机溶剂和溶于所述有机溶剂的锂盐。
具体的，有机溶剂具有较高的离子传导性能，使得有机溶剂能够更有效地传输锂离子在电池中的正负极20之间。从而提高电池的充放电速率、功率输出能力和循环稳定性。
在本申请中的一实施例中，有机溶剂包括：乙睛、四氢呋喃、乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂、二乙基碳酸脂、二甲基碳酸脂、二甲基亚砜中的至少一种。
具体的，乙睛是一种常用的有机溶剂，具有良好的溶解性和离子传导性能。能够提供较高的锂离子传输速率，并且在电池中具有较高的稳定性。
四氢呋喃，具有较高的溶解性和离子传导性能。能够有效溶解锂盐，并提供较高的锂离子传输速率。
乙烯碳酸脂，具有良好的溶解性和离子传导性能。能够提供较高的锂离子传输速率，并具有较高的电化学稳定性。
丙烯碳酸脂是一种常用的有机溶剂，具有较高的离子传导性能和溶解性。能够提供良好的锂离子传输速率，并具有较高的电化学稳定性。
二乙基碳酸脂是一种常用的有机溶剂，具有较高的溶解性和离子传导性能。能够提供较高的锂离子传输速率，并具有较高的电化学稳定性。
二甲基碳酸脂是一种常用的有机溶剂，具有良好的溶解性和离子传导性能。能够提供较高的锂离子传输速率，并且在电池中具有较高的稳定性。
二甲基亚砜具有良好的溶解性和离子传导性能。能够有效溶解锂盐，并提供较高的离子传输速率。
在本申请中的一实施例中，所述锂盐为LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3中的一种。
具体的，LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3均能够在有机溶剂中提供高浓度的锂离子，并且具有较高的电化学稳定性和较宽的电压窗口。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有长循环寿命和快充性能电池，其特征在于，包括：
正极，涂覆有正极活性材料；
负极，涂覆有负极活性材料，所述负极活性材料包括涂覆于负极箔材上的MXene基底和嵌入所述MXene基底的锡纳米颗粒；
隔膜，设于所述正极和负极之间，用于隔离正极和负极；以及
电解质，用于传导锂离子在所述正极或负极之间运动。
2.如权利要求1所述的具有长循环寿命和快充性能电池，其特征在于，所述锡纳米颗粒的直径R1，5um≤R1≤10um；比表面积为S1，为0.5m2/g≤S1≤2m2/g。
3.如权利要求1所述的具有长循环寿命和快充性能电池，其特征在于，所述负极活性材料质量与负极集流体总质量的比值为A，90％≤A≤98％。
4.如权利要求1所述的具有长循环寿命和快充性能电池，其特征在于，所述隔膜为以聚丙烯隔离膜。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的具有长循环寿命和快充性能电池，其特征在于，所述正极活性材料为LiNi1-x-yCoxMnyO2、Li1+xNi1-yMnyO2、Li1+xNiO2、Li1+xCo1-yNiyO2中的至少一种；其中，0.3≥x≥-0.3，0.8≥y≥0.3。
6.如权利要求5所述的具有长循环寿命和快充性能电池，其特征在于，所述正极活性材料的颗粒直径为R2，5um≤R2≤10um；比表面积为S1，为0.5m2/g≤S1≤1.5m2/g。
7.如权利要求5所述的具有长循环寿命和快充性能电池，其特征在于，所述正极活性材料质量与正极集流体总质量的比值为B，92％≤B≤96％。
8.如权利要求5所述的具有长循环寿命和快充性能电池，其特征在于，所述电解质包括有机溶剂和溶于所述有机溶剂的锂盐。
9.如权利要求8所述的具有长循环寿命和快充性能电池，其特征在于，有机溶剂包括：乙睛、四氢呋喃、乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂、二乙基碳酸脂、二甲基碳酸脂、二甲基亚砜中的至少一种。
10.如权利要求8所述的具有长循环寿命和快充性能电池，其特征在于，所述锂盐为LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3中的一种。
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