CN2433736Y

CN2433736Y - 锂离子二次电池

Info

Publication number: CN2433736Y
Application number: CN00228494U
Authority: CN
Inventors: 周震涛; 严燕; 黄静; 刘澧浦
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2001-06-06
Anticipated expiration: 2010-06-15

Abstract

一种锂离子二次电池,由电池极片、电解液及其电池壳构成,电池壳内方形电池极片层叠排布,电池极片间用隔膜相隔,电池极片两端由不锈钢板或铜板或镍板联接和固定,电解液基本充满电池壳,隔膜采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜与聚丙烯膜叠层的隔膜,本实用新型电池的大电流充放电性能、高低温工作性能、荷电保护性能良好。

Description

锂离子二次电池

本实用新型专利涉及二次电池，更详细地是大容量锂离子二次电池。

锂离子二次电池是在锂二次电池的基础上发展起来的一种新型电池体系。由于它既保持了锂电池的高比能量、高工作电压、无环境污染的优点，又比锂二次电池更安全可靠，循环寿命更长，因此成为摄像机、移动电话、笔记本电脑以及便携式测量仪器等电子装置理想的轻型高能电源。

目前，锂离子二次电池正在向大容量的方向发展，如电动汽车用的动力电池以及航天航空用大容量电池等。这些应用都共同要求电池的容量要大、大电流充放电的性能要好。现有的锂离子二次电池普遍采用卷绕式结构，即电池的正负极都只有一个极片，成型时正负极极片以隔膜相隔后一起围绕转心(即卷绕模具)旋转，卷绕好后退出转芯即可得到电池的电芯。采用这种结构的锂离子电池虽然电流分布均匀，但是散热慢，不利于大容量锂离子电池在大电流充放电时内部产生热量的排散，降低和限制了电池容许的最大充放电电流密度。而且当制备的锂离子电池的容量很大时(如作为电动汽车动力源的动力电池等)，采用这种卷绕式结构就要求电池的极片必须非常长，这样就给极片的制备和卷绕都增加了难度；另外，卷绕式结构的极片的极耳是焊接在极片上的，极片过长，则必须在极片顶端的极耳的基础上再在极片的中部也焊接极耳，极片中部的极耳会影响与其相邻的隔膜和极片层的平整，在卷绕时还容易戳穿电池的隔膜，造成短路。因此，大容量的锂离子电池不适宜采用卷绕式的结构。

本实用新型专利的目的在于提供一种锂离子二次电池。其电池极片采用方形层叠式结构，避免大容量卷绕式结构锂离子二次电池在极片过长时出现上述的种种难题，易于调整电池的容量，使电池的散热性能、大电流充放电性能都更好。

本实用新型的锂离子二次电池由电池极片、电解液及其电池壳构成，电池壳内方形电池极片层叠排布，电池极片间用隔膜相隔，电池极片两端由不锈钢板或铜板或镍板联接和固定，电解液基本充满电池壳，隔膜采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜与聚丙烯膜叠层的隔膜。

本实用新型的工作原理如下：

锂离子电池以高电位的过渡金属氧化物为正极，贮锂碳材料为负极，通过锂离子在正、负极之间的嵌、脱来实现电能的贮存和释放。其基本反应如下：

其中M：Co或Ni或Mn X：与M相关的函数，小于等于1

电池极片的制造及电池的装配如下：

正极材料采用LiCoO₂或LiMn₂O₄，将正极材料与乙炔黑、聚偏氟乙烯(PVDF)胶粘剂按80-90∶1-10∶1-10的比例在N-甲基吡咯烷酮(NMP)或二甲基乙酰胺中混合制成浆液，将浆液均匀地涂覆于铝箔的两面，在80-150℃下干燥后，碾压、裁分得到正极极片。

负极材料采用MCMB(碳小球中间相)或石墨，将负极材料与乙炔黑、PVDF胶粘剂按80-90∶1-10∶1-10的比例在N-甲基吡咯烷酮或二甲基乙酰胺中混合制成浆液，将浆液均匀地涂覆于铜箔的两面，在60-150℃下干燥后，碾压、裁分得到负极极片。

装配电池时，用聚丙烯隔膜或聚丙烯和聚乙烯叠层的隔膜将电池正、负极极片隔开并对齐，按层叠式进行排布，极片顶端的极耳也相应排列整齐，然后将排布好的极片两端以不锈钢板或铜板或镍板加不锈钢钉或铜钉或镍钉等固定，排布整齐的正、负极的极耳也分别用不锈钢片、镍板或铜片加不锈钢钉或铜钉紧固后连接外导线。将固定好的极片放入电池壳，在80-100℃下干燥40-100小时后，在干燥箱中注入适量的电解液，再将电池壳完全密封好。

本实用新型专利与现有技术相比具有如下优点：

1、采用方形层叠式结构的大容量电池不必把电池的极片做的很长，可以在极片尺寸一定的前提下，通过增加或减少极片的数目来方便地调整电池的容量，而且每片极片的顶端都预留有极耳，这样极耳与极片自成一体，减少了极耳戳穿隔膜引起短路的可能性。

2、方形层叠式结构的大容量蓄电池在大电流充放电时可以通过每个电池极片的边缘来散热，有利于电池大电流充放电时内部产生热量的散失，从而提高电池容许的最大充放电电流密度，而卷绕式结构的大容量蓄电池由于整个电极只是一个极片，极片的尺寸很长，卷绕后只能通过极片的上下端散热，散热性能相应较差，也影响了电池的大电流充放电性能。

3、方形层叠式的电池结构可以通过两端固定螺钉的松紧度来方便地调整电池极片间的距离，能够方便地更大限度地减少电池极片的间距，从而降低电池的浓差极化和离子扩散距离，有利于实现电池的大电流快速充放电。

4、采用方形层叠式的电池结构，可以更方便地调整电池的形状，电池可以做成截面很大(即电池极片的面积很大)而厚度却很薄(即电池组装所用的极片数目很少)的形状以满足特殊的使用要求，这是卷绕式的电池结构做达到的。

下面通过实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型锂离子二次电池的结构示意图。

图2是图1中的电池极片形状示意图。

实施例1

如图1所示，锂离子二次电池由电池极片1、电解液2及其电池壳3构成，电池壳3内方形电池极片1层叠排布，电池极片间用隔膜4相隔，电池极片1两端由不锈钢板或铜板或镍板5和不锈钢钉或铜钉或镍钉6联接和固定，电解液2基本充满电池壳3，隔膜4采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜与聚丙烯膜叠层的隔膜。

如图2所示，极片呈方形，由工作物质1(1)和极耳1(2)构成。

以5Ah(安时)锂离子二次电池为例：

正极极片的制备：将120gLiCoO₂、5.4g乙炔黑、175ml的PVDF溶液(30gPVDF溶解于400mlNMP中制得)打浆混合均匀，在涂布机上将浆料均匀地涂覆于铝箔的两面，在120℃下干燥，去除溶利后，经碾压机碾压成0.22mm厚的极片，顶端一侧为极耳，整个极片裁成方形，尺寸为5.2×4.5cm，共45片。

负极极片的制备：将60gMCMB、1.5g乙炔黑、150ml的PVDF溶液(30gPVDF溶解于400mlNMP中制得)打浆混合均匀，在涂布机上将浆料均匀地涂覆于铜箔的两面，在80℃下干燥，去除溶剂后，经碾压机碾压成0.20mm厚的极片，顶端一侧为极耳，整个极片裁成方形，尺寸为5.2×4.5cm，共45片。

电池的装配：将上述的正、负极极片各45片以聚丙烯膜与聚乙烯膜叠层的隔膜相隔后层叠排布，正负极的极耳分别排列整齐，将层叠堆积好的极片两端以不锈钢板加不锈钢钉固定，各电极极片的极耳也用不锈钢片和不锈钢钉紧固后连接外导线。将固定好的极片放入电池壳，预留注液口后将电池壳密封，然后再在80-100℃下真空干燥100小时，在相对湿度小于5％的真空干燥箱中注入1MLiPF₆的EC/DMC(1∶1)(1摩尔的六氟磷酸锂溶成1升的体积比为1∶1的乙烯碳酸酯与二甲基碳酸酯的混合液中配置而得)的电解液，将电池壳的预流注液口在干燥箱中完全密封好后取出即为已装配完毕的电池。

实施例2

25Ah锂离子二次电池

极片尺寸：7.2×5.4cm，正负极极片的数目各为50片，所用正极活性物质为LiMn₂O₄，负极活性物质为石墨，胶粘剂PVDF溶液采用22.4g的PVDF溶解于400ml的二甲基乙酰胺中制得，电池的极片的两端用镍板和镊钉固定，电极极片的极耳用镍片和镊钉固定后联接外导线，隔膜用聚丙稀隔膜，电解液、正负极活性物质等均实施例1。

实施例3

50Ah锂离子二次电池

极片尺寸：7.2×5.4cm，正负极极片的数目各为100片，电池的极片两端用铜板和铜钉固定，电极极片的极耳用铜片和铜钉固定后联接外导线，电解液、隔膜、正负极活性物质等同实施例1。

实施例4

实施例1、2、3的5Ah、25Ah、50Ah电池性能的测试

1、锂离子二次电池的耐过充过放电性能

锂离子二次电池对过充过放电比较敏感。当其过充电时容易引起锂离子在电池负极的还原，而电解液则会在电池正极氧化分解为小分子气体，增大电池内压。当过放电时，正负极物质将被强制氧化或还原，电极结构被改变，严重影响着电池的性能，甚至会导致电池的完全失效。大容量的锂离子电池在使用中常会遇到过充或过放电的情况，因此我们研究了不同容量的锂离子二次电池的耐受过充电过放电性能，实验结果见表1。

锂离子二次电池的正常充放电电压区间为2.7-4.15V，表1为不同容量的方形层叠式锂离子二次电池在2.7-4.15V正常充放电电压区间和在2.5-43V过充过放电的电压区间内充放电性能。

表1不同容量的离子二次电池在正常情况和过充电过放电情况下的充放电行为

(0.2C倍率充放电，单位：Ah)

由表1可见，在过充过放电的情况下，方形层叠式锂离子二次电池的充放电效率都比在正常充放电电压区间充放电时的充放电效率低2-4个百分点，但是最低值也仍能维持在89％以上，基本能够正常工作。

2、锂离子二次电池的荷电保持性能

大容量的锂离子二次电池在使用的过程中常有时停时用的情况，有时可能要放置一段时间后再继续使用，因此要求电池在放置时的自放电率要低，即荷电保持性能要好。表2为实施例中不同容量的方形层叠式锂离子二次电池在放置一段时间后的放电容量。

表2锂离子二次电池的荷电保持性能

(0.2C倍率充放电，充放电电压区间：2.7-4.15V，单位：Ah)

由表2可见，经过长达一个月时间的放置后，不同容量的电池的荷电保持率都能保持在85％以上，30天的平均自放电率小于0.5％/天。同时，经过一个月时间的放置后，经过测量我们得知各锂离子二次电池的电压也都维持4.00V以上，即其荷电保持性能良好，完全可以满足大容量锂离子二次电池的使用要求。

3、能量密度和重量比能量

由于现代电器小型化、轻型化的发展趋势，要求为其提供动力的电池的能量密度和重量比能量越高越好。表3为不同容量的方形层叠式锂离子二次电池的能量密度和重量比能量的实验结果。

表3新型锂离子二次电池的重量比能量和能量密度

(0.2C倍率，100％DOD放电)

由表3可见，50Ah的锂离子二次电池的重量比能量和能量密度分别可以达到107.4Wh/kg和185.1Wh/L，在各类型的大容量二次电池中处于先进水平。

4、大电流放电性能

当大容量的锂离子二次电池用于电动汽车的动力电池时，在车辆启动、加速和爬坡的情况下，都要求电池要能够大电流放电以提供足够的动力。方形层叠式结构的锂离子二次电池的散热性能要优于卷绕式结构的电池，从而提高了电池所能容许的最大放电电流，表4为不同容量的锂离子二次电池在不同放电电流密度下的放电性能。

表4锂离子二次电池在不同的放电电流密度下的放电性能(单位：Ah)

由表4可见，不同容量的层叠式锂离子二次电池的大电流放电性能良好，在1C倍率的大电流放电的情况下，其放电容量都能保持在0.1C倍率放电容量的73％以上。

5、高低温下的工作性能

大容量的锂离子电池应用环境广泛，从炎热的赤道到寒冷的南北极都有可能使用，而且其工作环境也复杂多变。因此我们考察研究了各电池的高低温工作性能，实验结果见表5。

表5锂离子二次电池高低温环境下的放电性能

(0.2C倍率，100％DOD放电，单位：Ah)

表5为不同容量的方形层叠式锂离子二次电池在0℃、25℃和60℃环境下的放电性能。由表5可见，在0℃-60℃的温度范围内，方形层叠式锂离子二次电池都能够正常工作，0℃下的放电容量虽然最低，但是也能保持在25℃下放电容量的85％以上，即电池的高低温工作性能良好。

Claims

1、一种锂离子二次电池，其特征在于由电池极片、电解液及其电池壳构成，电池壳内方形电池极片层叠排布，电池极片间用隔膜相隔，电池极片两端由不锈钢板或铜板或镍板联接和固定，电解液基本充满电池壳，隔膜采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜与聚丙烯膜叠层的隔膜。