CN1249830C - 碳纳米管锂二次电池 - Google Patents

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Abstract

一种碳纳米管锂二次电池，其包括一正极，所述正极含有过渡金属氧化物或硫化物活性材料；一负极；及置于该正极与负极之间的多孔隔离膜；其中，该负极包括一导电基底，形成于该导电基底表面的碳纳米管层，及形成于该碳纳米管层表面的锂金属层。本发明充分利用锂金属能量密度高的优点，且避免锂金属与基底直接接触发生反应，可延长电池寿命，提高电容量。

Description

碳纳米管锂二次电池
【技术领域】
本发明涉及一种锂二次电池，特别是涉及锂二次电池的负极。
【背景技术】
电池是一种将化学能转化为电能的装置，电池产品从早期的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池发展到现在的锂电池，其中，铅酸电池和镍镉电池因为环境污染问题渐渐被锂电池取代。目前，锂电池亦可分为一次锂电池及可充电池。可充锂电池即锂二次电池，它和传统电池最大区别在于使用有机溶剂而非水溶液做为电解液。
锂二次电池的应用范围相当广泛，主要包括消费性电子产品(ConsumerElectronic Products)、电脑(Computer)及通信产品(Communication Products)，一般简称为3C产品。为满足各种产品需要，锂二次电池的发展方向包括：(1)延长电池使用寿命；(2)增加电池容量密度；(3)体积要求微型化；(4)去除容量记忆效应。
提高能量密度关键在于高负载容量电极材料的开发，对于可逆的电极材料而言，具有层状或隧道结构等开放性结构材料有利于锂离子嵌入嵌出，在锂二次电池中，此类结构提供了锂离子容易进出的管道和快速的迁移率，可增加电池的循环寿命。目前商用化产品大多使用碳素材料作为负极材料，如天然石墨，类石墨，焦碳，碳黑等。然而，就能量密度而言，上述几种碳素材料仍属较低，石墨的理论值为372mAh/g，实际值约为320～340mAh/g，其它几种材料的能量密度更低。
理论上，锂金属作为负极材料其能量密度约为900mAh/g，远高于上述碳素材料。但是，锂金属作为负极时容易和基材发生反应，因而无法直接运用于电池制作过程。
【发明内容】
本发明之目的在于提供一种具有高能量密度及高电容量之锂二次电池。
为实现上述目的，本发明提供一种碳纳米管锂二次电池，其包括一含有正极活性材料之正极，一负极，及一置于该正极与负极之间的多孔隔离膜，其中，该负极包括一导电基底，形成于该导电基底表面的碳纳米管层，及形成于该碳纳米管层表面的锂金属层。
相对现有技术，本发明充分利用锂金属高能量密度的优点，并以碳纳米管层将锂金属层和基底隔开，可避免它们直接接触发生反应，从而延长电池使用寿命，提高能量密度及电容量。
【附图说明】
图1是本发明碳纳米管锂二次电池的剖面示意图。
图2是本发明的碳纳米管层形成于导电基底表面的示意图。
图3是在图2的碳纳米管层表面形成锂金属层的示意图。
【具体实施方式】
首先，请参见图1，本发明碳纳米管锂二次电池包括一负极10，一正极20，置于负极10和正极20之间的隔离膜30，及非水电解液(图未示)。其中，该负极10包括可导电的基底100，该基底100是金属材料，常用的金属材料包括铜、铝等，根据电池的需要可制造形成一定的形状，其具有一平坦表面；一碳纳米管层110形成于该基底100表面，该碳纳米管层110是由许多互相平行的碳纳米管排列构成，各碳纳米管基本垂直该基底100的表面；一锂金属层120形成于该碳纳米管层110的表面，该锂金属层120是由锂金属构成，从而锂金属层120和基底100之间通过碳纳米管层110为间隔缓冲层，避免直接接触发生反应。正极20含有过渡金属氧化物或硫化物作为正极活性材料，所述过渡金属包括Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni或Cu等；隔离膜30通常由不织布(nonwovenfabric)构成，或者以聚丙烯(Polypropylene)、聚乙烯(Polyethylene)、氟化树脂等有机材料制成多孔结构而成；而电解液为非水电解液，分为溶剂与溶质两部分，溶剂包括：碳酸丙烯酯(Propylene Carbonate)、碳酸乙烯酯(EthyleneCarbonate)、碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate)等，溶质包括LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等。
请一起参见图2及图3，本发明碳纳米管锂二次电池的负极10的制备过程包括：首先，提供一金属导电基底100，根据需要制成一定形状，其具有一平坦表面；以化学气相沉积法(CVD)在该表面形成一碳纳米管层110，或通过移植法将制备好的碳纳米管移植至该表面，各碳纳米管垂直于该基底100的表面；再进一步通过物理或化学方法将锂金属形成于该碳纳米管层110表面，形成一锂金属层120，从而，锂金属层120与基底100之间通过碳纳米管层110隔开，避免锂金属层120与基底100直接接触。
制备负极10之后，与其它部分，包括正极20，隔离膜30，一起封装并注入电解液，即可完成本发明碳纳米管锂二次电池。
本发明碳纳米管锂二次电池中，因锂金属层120与基底100通过碳纳米管层110间隔开来，所以，可避免锂金属层120与基底100金属直接接触发生反应，从而延长使用寿命；另外，本发明可充分利用锂金属能量密度非常高的优点，提高电池能量密度和电容量；而且，碳纳米管是一种管径为几纳米至十几纳米的中空管状石墨层结构，利用其中空特性，在电池充电或放电过程中，锂离子能够更容易迁移，有利于电池反应进行。
本发明碳纳米管锂二次电池可制成各种形状，如圆柱形、纽扣式、方形等，以适应各种不同外形需要。

Claims (9)

1.一种碳纳米管锂二次电池，其包括一正极；一负极；一多孔隔离膜，其置于该正极与负极之间；以及电解液；其特征在于：该负极包括一基底，形成于该基底表面的碳纳米管层，及形成于该碳纳米管层表面的锂金属层。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管锂二次电池，其特征在于该基底是金属材料。
3.根据权利要求2所述的碳纳米管锂二次电池，其特征在于该金属材料为铜或铝。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管锂二次电池，其特征在于该碳纳米管层包括许多碳纳米管垂直形成于该基底的表面。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管锂二次电池，其特征在于该正极包括过渡金属氧化物或硫化物为活性材料。
6.根据权利要求5所述的碳纳米管锂二次电池，其特征在于该过渡金属包括Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni或Cu。
7.根据权利要求1所述的碳纳米管锂二次电池，其特征在于该隔离膜由不织布制成。
8.根据权利要求1所述的碳纳米管锂二次电池，其特征在于该隔离膜由聚丙烯、聚乙烯或氟化树脂制备而得。
9.根据权利要求1所述的碳纳米管锂二次电池，其特征在于该电解液为非水电解液。
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