CN2433737Y

CN2433737Y - 锂离子动力电池

Info

Publication number: CN2433737Y
Application number: CN00228495U
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

一种锂离子动力电池由电池极片、电解液及其电池壳构成,电池壳内方形的电池极片层叠排布,电池极片间用隔膜相隔,电池极片两端由不锈钢板或镍板或铜板联接和固定,电解液基本充满电池壳的空间,隔膜采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜与聚丙烯膜叠层;本实用新型的锂离子动力电池的大电流放电性能、荷电保持性能、耐过充过放电性能、高低温下的工作性能良好。

Description

锂离子动力电池

本实用新型涉及二次电池，更详细地是为电动汽车提供动力源的锂离子动力电池。

随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，研制和开发电动汽车成为大势所趋。但是尽管电动汽车与燃油汽车相比，具有无污染、能源转化率高、可以利用多种能源的等优点，是当前汽车发展的方向。然而由于现在的电动汽车存在着加速性能差、一次充电行驶距离短、充电时间过长，再加上价格比较贵，从而限制了电动汽车与燃油汽车的竞争能力和自身的发展。这些问题存在的根源就在于目前作为电动汽车动力源的动力电池主要是铅酸电池、镍氢电池等，这些动力电池普遍存在着比能量低、比功率小、循环寿命短以及价格昂贵等问题，使现在的电动汽车加速性能差、一次充电行驶距离短，从而限制了电动汽车与燃油汽车的竞争能力及其它自身的发展。可见，困扰当前电动汽车发展的关键因素并不是电动汽车本身，而是动力电池，因此要发展电动汽车，首先要解决的问题就是开发出高性能的动力电池，即为电动汽车寻求高比能量、高比功率、能够适应复杂多变的工作环境、长循环寿命、低自放电率、能够大电流充放电、安全可靠、价格低廉的新型高效电源。

锂离子电池是90年代脱颖而出的新一代化学电源，由于其具有优良的电性能和无污染的特性，成为多种先进的便携式电子产品的理想配套电源，大容量的锂离子电池的研究起源于1995年左右，主要应用于航天航空和电动汽车用。

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，不利于大容量的锂离子电池在大电流充放电时内部产生的热量的排散，降低和限制了电池容许的最大充放电电流。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时)，采用这种卷绕式结构的电池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，卷绕式结构的电池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，大容量的锂离子动力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针对现有技术存在的缺点，提供一种锂离子动力电池，采用方形层叠式的电池结构，避免了大容量卷绕式结构的锂离子二次电池在极片过长时出现的种种问题，使电池的散热性能、大电流充放电性能更好。

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

本实用新型锂离子动力电池的工作原理如下：

锂离子动力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，Ni或Mn X：与M相关的函数，小于等于1

电池极片的制造：

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。

电池的装配：

用聚丙烯隔膜或聚丙烯和聚乙烯叠层隔膜将电池正、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、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或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，在干燥箱中注入电解液，再将电池壳完全密封好。

本实用新型专利与现有技术相比，具有如下的优点：

1、重量比能量和能量密度较高，分别可以达到107.4Wh/kg和185.1Wh/L，已经可以达到USABC组织(美国先进电池联合体组织)要求的动力电池的能量密度和重量比能量达到135Wh/L和80-100Wh/kg的动力电池的中期开发目标。

2、大电流放电性能良好，其在1C倍率放电电流密度下的放电容量保持在0.1C倍率的73％以上。

3、高、低温工作性能良好，在0-60℃的温度范围内都能正常工作，0℃环境下的放电容量达到其室温下95％以上。

4、耐过充过放电性能良好，在2.5-4.3V的过充过放电区间下电池仍能够正常工作，充放电效率维持在89％以上。

5、自放电率低，荷电保持性能良好，放置一个月后，其能量保持率仍在87％以上。

图1是本实用新型锂离子动力电池的结构示意图。

图2是图1中电池极片形状示意图。

下面通过实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实用新型的锂离子动力电池由电池极片1、电解液2及其电池壳3构成，电池壳3内方形的电池极片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镍板或铜板5和铜钉或不锈钢或镍钉6联接和固定，电解液2基本充满电池壳的空间，隔膜4采用聚丙烯隔膜或聚乙烯膜与聚丙烯膜叠层。

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25Ah(安时)锂离子动力电池为例

正极极片的制备：将120gLiMnO₂、5.4g乙炔黑、175ml的PVDF溶液(30gPVDF溶解于400ml的二甲基乙酰胺中制得)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℃下真空干燥，去除溶剂后，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7.2×5.4cm，共50片。

负极极片的制备：将60g石墨、1.5g乙炔黑、150ml的PVDF溶液(30gPVDF溶解于400ml的二甲基乙酰胺中制得)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℃下真空干燥，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7.2×5.4cm，共50片。

电池的装配：将上述的正、负极极片各50片以聚丙烯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镍板和镍钉固定，各电极极片的极耳也用镍片和镍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

50Ah锂离子动力电池

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；正极活性物质采用LiCoO₂，负极活性物质采用MCMB，电解液、隔膜等同实施例1。

实施例3

实施例1和2的25Ah、50Ah的锂离子动力电池的性能测试结果：

1．重量比能量和能量密度

汽车的空间与重量都有限，电动汽车处于与燃油汽车竞争的地位，因此其体积越小、重量越轻，其竟争力也就越大，要降低电动汽车的体积与重量，相应地就要求动力电池的基本性能指标-重量比能量和能量密度要高。表1是锂离子动力电池的重量比能量和能量密度测试结果。

表1锂离子动力电池的重量比能量和能量密度

(0.2C倍率，100％DOD放电)

由表1可见，本实用新型50Ah的锂离子动力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/kg。

2．新型锂离子动力电池的大电流放电性能

由于使用方便的要求，动力电池的快速充电性能要良好，而且用于电动汽车的大容量锂离子二次电池在车辆启动、加速和爬坡的情况下，也要求作为能够大电流放电以提供足够的动力，因此大电流放电性能一直是动力电池的基本性能要求之一。方形层叠式结构的锂离子动力电池的散热性能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2为不同容量的锂离子动力电池的在不同放电电流密度下的放电性能。

表2锂离子动力电池在不同的放电电流密度下的放电性能

(100％DOD放电，单位：Ah)

由表2可见，不同容量的层叠式锂离子动力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，其放电容量仍能保持在0.1C倍率放电容量的73％以上，基本可以满足动力电池的使用要求。

3、锂离子动力电池的高低温工作性能

由于电动汽车的工作环境复杂多变，从炎热的赤道到寒冷的南北极动力电池都要能够正常工作，即要求动力电池的高、低温环境下的工作性能要好。表3是不同容量的锂离子动力电池分别在0℃的低温、25℃的室温和60℃的高温环境下的放电性能，由表3可见，锂离子动力电池在0℃-60℃的温度范围内都能够正常工作，其0℃环境下的放电容量虽然最低，但也也能保持在25℃下放电容量的85％以上，即电池的高低温工作性能良好。

表3锂离子动力电池高低温环境下的放电性能

(0.2C倍率，100％DOD放电，单位：Ah)

4、锂离子动力电池的耐过充过放电性能

锂离子动力电池对过充过放电比较敏感，过充过放电将导致电池性能下降，甚至可能失效，但是动力电池在使用中，难免会出现过充电或过放电情况，这就要求动力电池耐过充过放电的性能要好。表4比较了不同容量的锂离子动力电池在2.5-4.3V过充过放电电压区间和在2.7-4.15的正常充放电电压内的充放电性能。

表4锂离子动力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)

表4可见，在过充过放电情况下，不同容量的方形层叠式锂离子动力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，基本仍能够正常工作。

5．锂离子动力电池的荷电保持能力

电动汽车在使用中经常有停停、开开的情况，动力电池的经常要放置一段时间后再使用，因此要求在放置时动力电池的自放电率要低，即荷电保持能力必须要好。表5为不同容量的锂离子动力电池在充好电放置一段时间后的放电容量。

表5锂离子动力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5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87％以上，30天的平均自放电率小于0.41％/天。同时，经过一个月时间的放置后，经过测量我们得知各种容量的锂离子动力电池的电压也都维持4.00V以上，即其荷电保持性能良好，基本可以满足动力电池的使用要求。

Claims

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