一種電化學儲能與能量轉換裝置的製作方法

2023-05-27 15:39:46

專利名稱：：一種電化學儲能與能量轉換裝置的製作方法
技術領域：
：本發明屬於鋰離子電池
技術領域：
，特別是涉及一種電化學儲能與能量轉換裝置。
背景技術：
：目前，鋰離子電池以其優越的電化學性能及環境友好性而被廣泛應用於手機、電腦、攝/錄像機、電動工具等領域。一般中小型鋰離子電池的正極材料採用鈷酸鋰等具有^狀結構的過渡金屬氧化物；動力鋰離子電池的正極材料採用安全性較高的尖晶石錳酸鋰或橄欖石磷酸鐵鋰。負極材料多採用天然石墨、人工石墨和焦炭類碳材料。但是鈷酸鋰在安全性上存在嚴重問題，尖晶石高溫性能差而嚴重影響其大功率的循環性能，磷酸鐵鋰則在倍率放電性能和低溫性能上存在差距；石墨/焦炭類負極材料的氧化/還原電位(約'0.2Vvs丄i/U+)接近鋰析出電位，充電狀態時還原性很強，尤其在較高溫度時造成表面膜(SEI)生長快，導致內阻增加而嚴重影響鋰離子電池的大功率放電性能。並且在長期循環或過充狀態易造成金屬鋰析出，使得鋰離子電池的安全性嚴重降低。發明CN1710744A公開一種納米電池的製備方法，其特徵是正極採用鈷酸鋰，負極採用納米鈦酸鋰製備了膠體鋰離子電池，其主要目的是降低成本。採用上述組合的鋰離子電池不能完全保證過充時金屬鋰的電析和正極LiCo02的分解和對電解液的催化熱分解，造成嚴重的安全隱患。
發明內容本發明為解決現有技術存在的問題，提供了一種簡單的電化學儲能與能量轉換裝置。本發明的目的是提供一種具有結構簡單、安全性高、比功率高、壽命長等特點的電化學儲能與能量轉換裝置。本發明採用安全性更髙的Li(NiC0Mn)O2，負極釆用鈦酸鋰與活性碳的混合/複合物。具有層狀結構的Li(NiCoMn)02正極材料不但容量大，而且在高電位(4.8Vvs丄i/Li+)時還能保持良好的可逆性，放熱反應溫度比鈷酸鋰低，而反應熱又小，具有良好的安全性能。新型負極材料鈦酸鋰的氧化還原電位高(1.5Vvs丄i/Li+)而且充放電時的體積變化小，是理想的長循環壽命材料，同時也被應用於非對稱電容器領域本發明電化學儲能與能量轉換裝置採用如下技術方案電化學儲能與能量轉換裝置，包括正極、負極、隔膜和電解液，其特點是正極含能吸收/放出鋰離於的鋰離亍過渡金屬化合物；負極含氧化還原電位高於1.0Vvs.U/Li+的鋰離子電池活性材料和活性碳的混合物或複合物。本發明電化學儲能與能量轉換裝置還可以採用如下技術措施-所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特點是鋰離子過渡金屬化合物為能用Ul+x(NiCoMn)^C)2分子式表示，式中1.05x51.1的層狀結構過渡金屬氧化物，並且D50粒徑為5-10微米。所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特點是:鋰離子電池活性材料為Li4Ti5012。所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特點是Li4TisO,2粒徑為50mn至2微米。所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特點是Li4Tis012和活性碳的混合物/複合物中，Li4Ti5012的質量含量為20%-95%。所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特點是鋰離子過渡金屬化合物的承載質量為10~30mg/cm2。所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特點是正極鋰離子過渡金屬化合物與負極中的Li4TisO,2的質量比例為0.7-2.0。本發明具有的優點和積極效果本發明提供了一種安全性高、且高功率放電時保持較高比能量的新型儲能裝置。由於負極採用鈦酸鋰與活性碳的組合，既能保證鈦酸鋰作為嵌鋰的活性材料，又能把過充的電量由活性碳以雙電層電容/鋰吸附的形式吸收，具有大電流密度工作的特性。同時，過充時鋰離子可吸附在活性炭微孔中、不會造成活性金屬鋰的析出而影響此電化學裝置的安全問題。木發明具有比功率高、安全性好、壽命長等優點。圖1是電化學儲能與能量轉換裝置電芯及混合/複合負極局部放大結構示意圖2是電化學儲能與能量轉換裝置的充放電曲線；圖3電化學儲能與能量轉換裝置的1C倍率過充曲線。其中，1-含鋰過渡金屬化合物正極，2-隔膜，3-混合/複合負極，4-氧化/還原電位H.OVvs丄i/Li+的鋰離子電池活性材料，5-活性碳AC，6-lC充電曲線，7-lC放電.曲線，8-10C放電曲線。具體實施例方式為能進一步了解本發明的
發明內容、特點及功效，茲列舉以下實例並進行詳細說明如下木發明例舉了LiN^Co,/3Mi^02正極活性材料，也可以是Mn含量不超過過渡金屬元素摩爾含量1/2的其他組分的三元層狀化合物以及其與LiCo02的混合物,但以高錳低Ni、Co的組分為好。也可摻雜Al、Mg，或Li的摩爾含量在1-1.1之間的化合物的正極。同時正極用含鋰化合物也可為LiMn204、LiFeP04、Li;rMSi04等。實施例1參照附圖l、圖2和圖3。電化學儲能與能量轉換裝置，包括正極，負極、隔膜和非水電解液，其中，正極由鋁箔集流體和塗在其表面的包含層狀結構的氧化鎳鈷錳鋰活性材料塗層構成；負極由鋁箔集流體和塗在其表面的包含鈦酸鋰和活性炭混合物/複合物及少量導電乙炔黑構成。1.正極板的製作稱取D50粒徑為8微米的LiNil/3Co,/3Mnl/302(三元)正極活性材料、粘合劑和導電劑，按93wty。的正極活性材料混合物、聚偏二氟乙烯(PVdF)粘接劑的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶液並使PVdF的含量為4.5wt%,作為導電材料的2.5wty。乙炔黑，混合形成正極混合物，向混合物中加入NMP用攪拌機製備出糊狀物，然後將此糊狀物均勻地塗到厚度為20fim鋁箔的兩面，再經T燥、輥壓而製得正極板。塗敷重量為16mg/cm2。2.負極板的製備把16.8%(重量)的活性炭，67.2。/。(重量)的平均粒晶為300納米的Li4Tis012,1%(重量)的VGCF、2%的乙炔黑及13%(重量)的PVdF(以NMP的溶液方式加入)製成糊狀物，然後將此糊狀物均勻地塗到厚度為20fim鋁箔的兩面，再經乾燥，輥壓而製得負極板。塗布重量為23mg/cm2。用厚度約為25微米的微孔聚乙烯膜作隔膜體。使用的非水電解質為溶有1mol/1LiPF6的EC+DEC+DMC(體積比1:1:1)的混合溶劑溶液。3.電池的裝配把上述正極、隔膜、負極按順序疊放纏繞而成電芯、焊好極耳、經70°C真空乾燥後把電芯插入鋁塑複合軟包裝套內、再注液、真空封口。如此裝配成軟包裝電池作為電池Al,圖1是電化學儲能與能量轉換裝置電芯及混合/複合負極局部放大結構示意圖。並按如下方法進行電化學測試。4.充放電測試旨先進行了容量測試。充電為CC-CV(恆流恆壓)模式;放電為CC(恆流)模式。即用1C倍率恆電流充電到3.0V，然後3.0V恆電壓2小時;放電同樣用1C倍率恆電流放電到1.0V止。用以上方法得到的放電容量作為初始容量，並把放電與充電電量的比作為充放電效率。然後以同樣方式進行充電、再以10C、20C倍率放電，測量放電容量。圖2顯示了1C充電、1C和10C放電曲線。5.安全性測試把上述實驗電池充滿電後分別進行過充、過放和外短路實驗。即與容量測試同樣，均以CC-CV充電到3.0V，再把同樣組成和容量的不同實驗電池分別以1C的電流過充電到12V(圖3)，記錄電壓變化；過放電到0V。把按以上方法進行安全實驗的結果整理在表1中。其中過充電的安全性能按12V、2小時衡量。實施例2負極中鈦酸鋰和活性炭的質量比例為1:1,其餘與實施例1相同，重複以上試驗，結果記錄在表1中。實施例3負極中鈦酸鋰和活性炭的質量比例為1:4，其餘與實施例1相同，重複以上試驗,結果記錄在表1中。對比例l正極改用LiCo02，其餘與實施例l相同，重複以上試驗，結果記錄在表l中。對比例2負極只用鈦酸鋰，其餘與實施例l相同，重複以上試驗，結果記錄在表l中。表ltableseeoriginaldocumentpage7從以上的結果可知採用三元正極材料、鈦酸鋰與活性炭混合負極材料的電化學儲能與能量轉換裝置具有良好的倍率放電性能和安全性，而採用UC0O2正極活性材料的體系，抗過放能力較差，而採用純鈦酸鋰作為負極則倍率放電性能和抗過充能力較弱。因此本發明的正負極活性材料組合及負極具有新穎性，並對提高倍率放電性能和安全性具有明顯的作用。權利要求1.一種電化學儲能與能量轉換裝置，包括正極、負極、隔膜和電解液，其特徵是正極含能吸收/放出鋰離子的鋰離子過渡金屬化合物；負極含氧化還原電位高於1.0Vvs.Li/Li+的鋰離子電池活性材料和活性碳的混合物或複合物。2.根據權利要求1所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特徵是鋰離子過渡金屬化合物為能用Li^(NiCoMn)k02分子式表示，式中1.05x51.1的層狀結構過渡金屬氧化物，並且D50粒徑為5-10微米。3.根據權利要求1所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特徵是鋰離子電池活性材料為Li4TisOi2。4.根據權利要求3所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特徵是LUTi50u粒徑為50nm至2微米。5.根據權利要求3所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特徵是LUTisO,2和活性碳的混合物/複合物中，Li4Ti5012的質量含量為20%-95%。6.根據權利要求1-5任一權利要求所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特徵是鋰離子過渡金屬化合物的承載質量為10-30mg/ctn2。7.根據權利要求1-5任一權利要求所述的電化學儲能與能量轉換裝置，其特徵是正極鋰離子過渡金屬化合物與負極中的LUTi50u的質量比例為0.7-2。全文摘要本發明涉及一種電化學儲能與能量轉換裝置。本發明屬於鋰離子電池
技術領域：
。電化學儲能與能量轉換裝置，包括正極、負極、隔膜和電解液，其特點是正極含能吸收/放出鋰離子的鋰離子過渡金屬化合物；負極含氧化還原電位高於1.0Vvs.Li/Li+的鋰離子電池活性材料和活性碳的混合物或複合物。本發明提供了一種安全、且高功率放電時保持較高比能量的新型儲能裝置，具有比功率高、安全性好、壽命長等優點。文檔編號H01M10/40GK101110477SQ200610014789公開日2008年1月23日申請日期2006年7月18日優先權日2006年7月18日發明者劉興江,凱楊申請人:中國電子科技集團公司第十八研究所