一種尖晶石錳鎳酸鋰作正極的高電壓高功率動力鋰離子電池的製作方法
2023-08-05 12:38:21
專利名稱：一種尖晶石錳鎳酸鋰作正極的高電壓高功率動力鋰離子電池的製作方法
技術領域：
本發明屬於鋰電池領域，特別是涉及一種以尖晶石錳鎳酸鋰作為正極材料的高電壓高功率動力鋰離子電池。
背景技術：
目前已普及的各種電池體系中，鋰離子電池由於其高能量密度的特性，已經廣泛應用在數碼產品、電動玩具，以及電動工具、電動汽車等領域；而如何進一步提高其能量密度也一直是研究的重點。能量密度是容量密度和電壓的乘積，兩者皆主要由鋰離子電池組份中的正極材料決定。現時鋰離子電池主要採用鈷酸鋰(LiCoO2)為正極材料，在某些領域中，也有採用磷酸鐵鋰(LiFeP04)、錳酸鋰(LiMn2O4)以及三元鎳鈷錳酸鋰(LiNi1^Mrv3Ccv3O2)等多種類型的正極材料。以上正極材料的平均電位，除了磷酸鐵鋰為3. 4V外，其餘幾種均為3. 9V，所以由此製成的鋰離子電池，其平均放電電壓最高也只有大約3. 7V。新型的正極材料尖晶石錳鎳酸鋰(LiMnh5Nia5O4)與上述各材料對比，最大的優點就是具有高達4. 7V的平均電位。若能合理運用，可製成平均放電電壓4. 5V的鋰離子電池。與上述各種體系鋰離子電池相比，在容量密度相差不大的前提下，該高電壓鋰離子電池的能量密度具有明顯的優勢，有望成為未來的主流電池產品。
發明內容
本發明的目的在於提供一種以尖晶石錳鎳酸鋰為正極材料的高電壓鋰離子電池體系，優點是具有更高的放電電壓和功率。本發明所述的高電壓鋰離子電池體系，由正極片、負極片、隔膜、電解液、外殼等組份組成。上述正極片由鋁集流體以及粘結其上的正極活性物質、導電碳、粘結劑組成，其中正極活性物質是高電位的尖晶石錳鎳酸鋰材料，各物質的質量比例為活性物質70、5%、 導電碳2 25%、粘結劑2 10% ;負極片由銅集流體以及粘結其上的負極活性物質、導電碳、粘結劑組成，其中負極活性物質是低電位的碳材料，各物質的質量比例為活性物質85、7%、 導電碳0 13%、粘結劑I 8%。上述尖晶石錳鎳酸鋰材料的分子式可表示為=LiMnnxNia5U415其中χ=(Γθ. 3， y=0 0. 3，而 A 是 C、Co、B、Bi、Mg、Cr、Fe、Cu、Zn、Ti、Ga、La、Y、Si、F、Se、Al 等元素的一種或多種的組合。該分子式實際上包括所有以LiMnh5Nia5O4為基體並進行各種元素摻雜或包覆的電化學材料。該電池體系所用的電解液，由有機溶劑和可溶性鋰鹽組成，可以是液態或者聚合物態。其中有機溶劑為各種碳酸酯類的一種或多種，但不含在高電壓下分解的碳酸二乙酯， 因為分解反應必須消耗部分正極活性物質，嚴重影響電池性能。
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該電池體系所用的外殼，可以是鋁塑膜，也可以金屬鋁殼、鍍鎳鐵殼、塑料殼等，所製成的電池外形可以是方形、圓柱形等任意形狀。電池的電壓為正負極材料的電位差。由於本電池體系採用了高電位的尖晶石錳鎳酸鋰正極材料和低電位的石墨負極材料，並配合其它組份使得兩者都能正常表現其電化學性能，所以能形成超高電壓滿電狀態下的靜止電壓超過4. 7V ；容量型電池O. IC放電的平均電壓超過4. 5V ;倍率型電池IOC大電流放電的平均電壓則超過4. 4V。本發明一一種以尖晶石錳鎳酸鋰為正極材料的高電壓鋰離子電池，由於以高電位尖晶石錳鎳酸鋰為正極材料，並配對合適的負極材料、電解液等電池其它組份，可製成超高電壓的鋰離子電池，工作電壓和能量密度明顯優於目前各種鋰離子體系。
附圖I為一隻額定容量9mAh的，以尖晶石錳鎳酸鋰為正極的容量型軟包裝鋰離子電池在充電時的電壓一容量曲線。附圖2為一隻額定容量9mAh的，以尖晶石錳鎳酸鋰為正極的容量型軟包裝鋰離子電池在放電時的電壓一容量曲線。附圖3為一隻額定容量5Ah的，以尖晶石錳鎳酸鋰為正極的功率型軟包裝鋰離子電池在充電時的電壓一容量曲線。附圖4為一隻額定容量5Ah的，以尖晶石錳鎳酸鋰為正極的功率型軟包裝鋰離子電池在放電時的電壓一容量曲線。
具體實施例方式實施例I.容量型軟包裝高壓鋰離子電池的製作。I. I.正極片的製作
將4%聚偏氟乙烯溶解於適量氮甲基吡咯烷酮中，再加入93%尖晶石錳鎳酸鋰、3%導電碳(以上為質量比)，於球磨機中高速攪拌成均勻的漿料，然後均勻塗布在鋁箔上，110°C烘乾後，經過輥壓、裁剪，並焊接上鋁極耳，成為正極片；
I.2.負極片的製作
將1%的羧甲基纖維素鈉溶解於適量純水中，再加入96. 5%的碳負極、1%的導電碳、內含I. 5% 丁苯橡膠的水溶液(以上為質量比)，於球磨機中高速攪拌成均勻的漿料，然後均勻塗布在銅箔上，80°C烘乾後，經過輥壓、裁剪，並焊接上鎳極耳，成為負極片；
I.3.電池包的組裝
依次將正極片、隔膜、負極片疊在一起成為電芯，以鋁塑膜包裹並熱封邊緣，熱封后只露出極耳，並留一開口，成為電池包；
I.4.烘烤、注液
將電池包在真空狀態下50°C烘烤24h後，注入電解液，最後經過化成和抽氣封口，成為目標電池。經過上述步驟，可製成高電壓的軟包裝鋰離子電池，其滿電態電壓為4. 73V，0. IC放電平均電壓為4.52V。(見附圖1、2)
實施例2 :功率型軟包裝高壓鋰離子電池的製作。2. I.正極片的製作
將4%聚偏氟乙烯溶解於適量氮甲基吡咯烷酮中，再加入76%尖晶石錳鎳酸鋰、20%導電碳(以上為質量比)，於強力攪拌機中高速攪拌成均勻的漿料，然後均勻塗布在鋁箔上， 110°C烘乾後，經過輥壓、裁剪，成為正極片；
2.2.負極片的製作
將1%的羧甲基纖維素鈉溶解於適量純水中，再加入94%的碳負極、3%的導電碳、內含 2% 丁苯橡膠的水溶液(以上為質量比)，於強力攪拌機中高速攪拌成均勻的漿料，然後均勻塗布在銅箔上，80°C烘乾後，經過輥壓、裁剪，成為負極片；
2.3.電池包的組裝
將正極片、隔膜、負極片、隔膜依次循環地疊在一起成為電芯，正極片上焊接鋁極耳，負極片上焊接鎳極耳，以鋁塑膜包裹並熱封邊緣，熱封后只露出極耳，並留一開口，成為電池包；
2.4.烘烤、注液
將電池包在真空狀態下50°C烘烤24h後，注入電解液，最後經過化成和抽氣封口，成為目標電池。經過上述步驟，可製成高電壓的軟包裝鋰離子電池，其滿電態電壓為4. 70V，IOC 大電流放電平均電壓為4. 41V。(見附圖3、4)
權利要求
1.一種尖晶石錳鎳酸鋰作正極的高電壓鋰離子電池，其特徵是電池體系由正極片、負極片、隔膜、電解液、外殼等組成，其中正極片上的活性物質為高電位的尖晶石錳鎳酸鋰，負極片上的活性物質則為低電位的石墨。
2.根據權利要求I所述的高電壓鋰離子電池，其特徵是電池電壓高於目前的各個鋰離子電池體系滿電態下的電壓大於4. 7V ;容量型電池O. IC放電的平均電壓超過4. 5V ;倍率型電池IOC大電流放電的平均電壓超過4. 4V。
3.根據權利要求I所述的尖晶石錳鎳酸鋰，其特徵是具有超過4.6V的高電位；分子式為LiMn1 PxNitl 5_yAx+y04，包括了所有以LiMn1 Jitl 504為基體並進行各種元素摻雜的電化學材料。
4.根據權利要求I所述的電解液，由有機溶劑和可溶鋰鹽組成，其中有機溶劑不含在高電壓下分解的碳酸二乙酯。
全文摘要
本發明一種尖晶石錳鎳酸鋰作正極的高電壓高功率動力鋰離子電池，屬於鋰電池領域。本發明以高電位的尖晶石錳鎳酸鋰為正極材料，配對合適的負極材料、電解液、隔膜等其它組份，並採取適當的加工工藝，製成高電壓高功率的鋰離子電池，滿電狀態下的靜止電壓超過4.7V；容量型電池0.1C放電的平均電壓超過4.5V；而特別設計的倍率型電池10C大電流放電的平均電壓超過4.4V，皆高於目前已公布的鋰離子電池體系。
文檔編號H01M4/525GK102610854SQ20121008306
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月27日 優先權日2012年3月27日
發明者張玲玉, 施志聰, 鄧勝男, 鄧遠富, 陳國華, 陳宇傑 申請人:廣州市香港科大霍英東研究院