CN1202985A - 改进锂离子电池的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高可充电锂电池的热稳定性的方法,该热稳定性指电池处于基本上已充电的状态并在一个或两个电极的表面上有钝化层时的热稳定性,该方法包括以下步骤:通过使已充电的锂电池在约20至约75℃下保持一段足以使钝化层的钝化效果提高的时间以提高现有钝化层的钝化效果。

Description

改进锂离子电池的方法
发明背景
本发明涉及一种可充电的锂电池。更具体地说，本发明涉及一种可充电的锂电池，它由于增效钝化层的存在使之具有高热稳定性。
使用锂盐化的(lithiated)碳作为负极的非水电解质电池作为高能量密度电池已引起人们的注意。由于现在各种电子设备的尺寸缩小和重量减轻，各种电子设备对于高能量密度可充电电池作为能源已有需求。为了满足这一需求，对使用碳作为负极材料的锂离子可充电电池进行了许多研究工作。锂离子可充电电池通常含有非水电解质，其中锂盐溶于非水溶剂中；含有含活性材料的正极，该活性材料在局部化学上与锂反应。
当锂离子电池最初制成时，它处于已放电状态。在充电过程中，锂从正极放出，并进入碳负极。但是，一部分锂在副反应中被消耗掉，使负极表面被涂覆。形成的薄膜是很重要的，因为它阻止了与电极的进一步反应。在充电和放电过程中，Li+离子可自由地穿过这一薄膜。
这一薄膜称为钝化层。在已充电状态即锂盐化了的状态中，在可充电锂电池中使用的碳阳极与通常用于可充电电池体系的非水溶剂电解质有放热反应性。这一反应性通常在100至约150℃之间观测到。这一放热活性导致内部自热，而最终损坏电池。当暴露到约100℃以上的温度中时，在已充电状态中的锂离子电池趋向于自热。据认为，这种自热是由锂盐化的阳极和电解质之间的放热反应引起的。这样就使电池内部的温度上升到不安全的程度；在这种情况下，其他放热反应可能发生，可使温度甚至升得更高。在固体电解质界面(SET)处的这种钝化层有助于保护电池不受内部自热的损坏。
本发明的一个目的是提供一种提高了钝化层效果的方法，以致在已充电状态下，可提高可充电的锂离子电池的热稳定性。
从以下更全面的描述和权利要求中，其他一些目的和优点将变得很清楚。
发明概述
广义上，本发明涉及一种提高可充电锂电池热稳定性的方法，该可充电锂电池处于已充电状态，而一个电极或两个电极的表面上有钝化层。该法包括以下步骤：将已充电的锂电池在约20至约75℃下保持一段足以使钝化层的效果提高的时间，以提高现有钝化层的效果。
发明详述
在本发明方法的实施中，作为固体电解质界面的钝化层通过锂电池充电时发生的副反应在一个电极或两个电极的表面上形成。
将已充电的锂电池在约20至约75℃下老化一段足以使钝化层的效果提高的时间。
已充电的锂电池所保持的温度随所用的非水溶剂、所用的电解质以及阳极和阴极的组成变化。这些组成因素有助于决定贮存二次锂电池的最佳温度和时间。
一般来说，为了提高已充电锂电池钝化层的效果，可将已充电电池在约20至约65℃下保持约1小时至约两个月。
例如，当阳极为合成的或天然的石墨碳，阴极为锂盐化了的金属氧化物，电解质盐为六氟磷酸锂以及溶剂为碳酸乙烯酯时，充电后的电池可在约45至约60℃下贮存约1小时至72小时，以便提高钝化层的效果，从而提高可充电锂电池的热稳定性。
任何可充电锂电池，无论以前使用过或是第一次充电，其钝化层的效果都可通过本发明方法的实施来提高，从而提高电池的热稳定性。
为了有效地实施本发明的方法，在进行本发明的方法以前，电池必需充电到最大可容许电荷的10至约100％。例如，制造后处在已放电状态中，在实施本发明的方法以前，锂电池将充电到部分充电状态或完全充电状态。通常在约4.0至4.5伏下达到完全充电。部分充电到完全充电的10％那样少，即约0.4伏也是可能的。优选的是，将电池充电到中间电压，如约3.2至约4.0伏，然后将电池按本发明的方法老化。
本发明锂离子电池的负极为碳。任何适合形式的碳都可用于负极，如合成的或天然的石墨、中间相碳、软质或硬质无序碳等。所用碳的形式虽然对为提高锂电池的热稳定性所贮存的时间和温度有影响，但它并不重要，任何适合的碳都可使用。对于熟悉本专业的技术人员来说，适合的碳是大家熟悉的。
碳负极的支承物可选自任何适合的材料，如镍、铜、不锈钢、钛等。碳用适合的粘合剂如含氟树脂、聚偏二氟乙烯、乙烯-丙烯-二烯烃共聚物、苯乙烯-丁二烯橡胶、羧甲基纤维素等来固定到支承物上。
粘合剂如聚偏二氟乙烯的数量为正极或负极活性材料的约1至约20％(重量)、优选约5至约10％(重量)。导电的填充料如乙炔炭黑或石墨也可与粘合剂一起使用，其数量为粘合剂和电极活性材料的约1至约20％(重量)、优选约2至约5％(重量)。
电池的正极为锂盐化的金属氧化物。任何金属氧化物都可使用，如二氧化钛、氧化镍、二氧化锰、氧化钴、氧化锰中的一种或多种，或其混合物。可将锂盐化的金属氧化物用适合的粘合剂固定到支承物上。固定锂盐化金属氧化物正极的支承物可为铝、铝合金、钛、不锈钢等。对于熟悉本专业的技术人员来说，这样的支承物是大家熟悉的。
在电池中使用的电解质盐为锂盐。任何适合的锂盐都可用作电解质，如六氟磷酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、三氟氨磺酰锂、三氟亚氨磺酰锂等，以及两种或两种以上的混合物。但是，电解质为六氟磷酸锂是优选的。
将电解质溶于非水溶剂中。非水溶剂可选自碳酸丙烯酯、四氢呋喃、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、二甲氧基乙烷、r-丁内酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯等，以及两种或两种以上的混合物。
通常将电解质溶于溶剂中，制成约0.4至约2M、优选0.6至约1.5M的溶液。
负极和正极之间的隔板可为任何适合的材料，例如合成树脂如聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯的无纺织物，或这样材料的纺织多孔物，或多层复合材料。
将糊状形式或浆液形式的阳极混合物和阴极混合物(在适合的液体介质如有机溶剂中与聚合物粘合剂混合)分别涂覆到电流收集栅、箔或网上。然后将它压制成片状，干燥并切成适当的尺寸。
电池可制成任何适合的形状。然后将用适合的隔离材料将它们彼此电绝缘的阳极和阴极卷成紧密的圆柱形或棱柱形糊状物卷的结构，并插入电池圆筒中。然后将适宜的电解质装入电池圆筒，进行卷边封口或焊死。
为了更全面地说明本发明的特征和实施本发明的方式，提出以下实施例。
实施例1
本实施例说明，与未按这里公开和要求的方法处理的可充电锂离子电池的相应热稳定性相比，实施本发明方法制得的可充电锂离子电池有高的热稳定性。
将85份含碳阳极材料(中间相碳)和5份炭黑与10份聚偏二氟乙烯在异丙醇中混合。然后将制得的糊状物或浆液涂覆到铜栅电流收集器上，然后经干燥，压制成片，并切成适宜的尺寸。
通过将90份为锂盐化的氧化钴(LiCo2)的正极活性材料与5份炭黑作为导电填充材料混合来制备阴极。加入粘合剂(5份TEFLON(PTFE))和异丙醇，将组合物混合，然后涂覆到铝栅的收集器上，通过干燥和切割制成的材料的方法制成片。然后将用隔离板(微孔聚乙烯)将相互彼此电绝缘了的阳极和阴离卷成紧密的圆柱形糊状物卷结构，并插入电池圆筒。然后可将1M LiPF6 的EC/DMC(等体积份数)溶液装入电池圆筒，然后进行卷边封口。将该电池充电到4.1伏，并在60℃下贮存72小时。
然后在干燥的氩气气氛中切开完全充电的电池，并打开糊状物卷。将阳极和阴极彼此分开，单独卷起，并将阳极插入与所切开的、有相同尺寸的新空圆筒中。然后将1.5毫升1M LiPF4 的EC/DMC电解质溶液加到装有阳极的圆筒中。然后完全象实际的电池那样，将圆筒卷边封口。将一热偶焊到圆筒的外表面，以便监测温度。然后将密封的圆筒进行UL150℃炉热试验(Oven Heating Test)，它是一种标准试验，恰好它们是完整的电池。
对比例1
重复上述步骤，不同的是，不将电池加热和贮存，以提高钝化层的效果。
UL150℃炉热试验的结果列入表1。
表1
经加热和贮存的电池       未处理的电池
电池温度(℃)             电池温度(℃)
时间    阳极             时间    阳极
(小时)                   (小时)
0       42               0       25
0.2     54               0.2     70
0.4     130              0.4     100
0.6     154.8            0.6     376
0.8     130              0.8     130
注：在0.6小时时阳极      注：在0.6小时时阳极达到
  达到的最高温度            的峰值温度为376℃
  为154.8℃
实施例2
实施例2进一步说明使用这里公开的和要求的方法的优点。
按实施例1制成电极和电池，不同之处如下述。
由85重份中间相碳、5重份炭黑和10重份聚偏二氟乙烯在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中配制成阳极。将生成的浆液涂覆到铜箔电流收集器上，干燥，压制并切成适宜的尺寸。
由87重份氧化锂钴和5重份炭黑与8重份聚偏二氟乙烯在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中配制成阴极。将生成的浆液涂覆到铜箔电流收集器上，干燥，压制并切成适宜的尺寸。
电池制作如实施例1中所述，将两个电池充电到完全充电，然后在60℃下老化24小时。对比电池按实施例2中的相同方法制作，但该电池不进行热处理(老化)。
如实施例1中那样，对制得的和处理的阳极的UL150℃炉热试验结果列入表2。
表2
实施例2                   对比例2
经加热和贮存的电池        未处理的电池
电池温度(℃)              电池温度(℃)
时间  阳极1  阳极2        时间  对比阳极
(小时)                    (小时)
0     25     25           0     25
0.2   59     62           0.2   70
0.4   112    115          0.4   110
0.6   152.9  155.5        0.5   257.2
                          0.6   155
注：在0.6小时时电池达到   注：在0.52小时时对比电池达到
  的最高温度为              的峰值温度为257.2
152.9℃和155.5℃
以上实施例清楚地说明，根据本发明在约20至约75℃下将经充电的电池处理约2小时至约2月，电池的热稳定性显著提高。
虽然已根据某些优选的实施方案描述了本发明，并用具体的实施例进行了说明，但不应当作对本发明的限制，除非如以下权利要求所规定的。

Claims (10)

1.一种提高可充电锂电池的热稳定性的方法，该稳定性指可充电电池处于基本上已充电的状态、并在一个或两个电极的表面上有钝化层时的热稳定性，该方法包括以下步骤：通过使已充电的锂电池在约20至约75℃下保持一段足以提高钝化层的钝化效果的时间，以提高现有钝化层的钝化效果。
2.根据权利要求1的方法，其中在将所述的电池保持在所述的温度下以前，将所述的锂电池完全充电到约4.0至约4.5伏。
3.根据权利要求1的方法，其中在热处理以前，将所述的锂电池部分充电到约3.2至约4.0伏。
4.根据权利要求1的方法，其中将所述的锂电池充电到该电池最大容许电荷的约10至约100％。
5.根据权利要求1的方法，其中将所述的已充电的电池保持在约45至约60℃之间。
6.根据权利要求1的方法，其中将所述的已充电的电池保持在约20至65℃之间。
7.根据权利要求1的方法，其中将所述的已充电的电池在所述的温度下保持约1小时至约2月。
8.根据权利要求1的方法，其中将所述的已充电的电池在约45至约60℃的温度下保持约2至约72小时。
9.一种提高具有石墨碳阳极和锂盐化的金属氧化物阴极的可充电锂电池的热稳定性的方法，该热稳定性指电池处于基本上已充电的状态、并在一个或两个电极的表面上有钝化层时的热稳定性，该法包括以下步骤：通过使已充电的锂电池在约45至约60℃下保持约1至约72小时，以提高现有钝化层的钝化效果。
10.一种根据权利要求1的方法处理过的锂离子电池。
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