[發明專利]內置可控電場的二次電池及其快速充放電方法

有效

• 申請號: 200910032914.5
• 申請日: 2009-06-01
• 公開（公告）號: CN101572324A
• 公開（公告）日: 2009-11-04
• 發明（設計）人: 郭建國
• 申請（專利權）人: 郭建國
• 主分類號: H01M10/00
• 分類號: H01M10/00;H01M10/40;H01M10/42;H01M10/44
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 栗仲平

技術領域

本發明涉及一種內置電場結構的二次電池(可充放電的電池稱為：二次電池)，尤其是通過外部電路控制二次電池內部電場強度、方向，形成快速充、放電的鋰鐵磷酸電池或高鐵電池裝置。本發明還涉及這種內置可控電場的二次電池的快速充放電方法。

背景技術

目前用作二次電池的正極材料主要有：LiCoO₂、LiMn2O₄、LiNiO₂、LiFePO₄、K2FeO₄、BaFeO₄等，而鋰鐵磷酸電池的負極材料主要是石墨，高鐵電池負極材料采用鋅、鋁、鐵、鎘和鎂。這些組成二次電池正極材料的金屬元素中，采用LiFePO₄、K2FeO₄、BaFeO₄正極材料做成的二次電池應是最便宜的。鋰鐵磷酸電池另一個特點是：容量高、良好的充放電循環性能、輸出電壓穩定、電化學穩定性好、使用中安全(不會因過充電、過放電及短路等操作不當，而引起燃燒或爆炸)、工作溫度范圍寬、無毒、對環境無污染。所以采用LiFePO₄、K2FeO₄、BaFeO₄作正極的鋰鐵與高鐵電池是目前最好的大電流輸出動力電池。

鋰鐵磷酸電池存在缺點主要是：一是電池內部導電性差、鋰離子擴散速度慢，高倍率充放電時，實際比容量低。導電性差目前主要采用添加有機碳源和高價金屬離子聯合摻雜的辦法，來改善材料的導電性。或采用納米化LiFePO₄晶粒，從而減少鋰離子在晶粒中的擴散距離，但是鋰離子擴散速度慢的問題到目前仍然沒有得到較好的解決。二是鋰鐵磷酸電池低溫性能差，一般情況下，對于單只電芯而言，其0℃時的容量保持率約60～70％，-10℃時為40～55％，-20℃時為20～40％，這樣的低溫性能顯然不能滿足動力電源的使用要求。盡管通過各種方法，如：鋰位、鐵位、甚至磷酸位的摻雜改善離子的導電性能，以及通過一次或二次顆粒的粒徑及形貌控制有效導電反應面積、加入額外的導電劑增加導電性等，都無法實現鋰鐵磷酸電池快速充放電特性的提高。而高鐵電池同樣也存在上述的缺點。

發明內容

為了克服現有鋰鐵磷酸電池與高鐵電池內部導電性差、低溫性能差，并且無法提高快速充放電特性。本發明提供一種“內置可控電場的二次電池”，該內置可控電場的二次電池裝置，能夠有效提高電池內部導電性及低溫特性，從而使電池的放電較長時間地維持在較高電位水平；并在充電時明顯縮短充電時間。同時，本發明消除了電池內部的壓力與應力，可以明顯延長電池的使用壽命。具體地說，能有效提高鋰鐵磷酸電池或高鐵電池內部導電性及低溫特性。尤其是形成一種快速充放電特性的鋰鐵磷酸電池與高鐵電池。

實現本發明目的技術方案是：

一種內置可控電場的二次電池，在離子交換隔膜的兩側分別設置有正極材料與負極材料，該正極材料與負極材料均設置在電解質中，所述正極材料與負極材料分別與電池的正極、負極連接，其特征在于：在該內置可控電場的二次電池中設置有一個內置電隔離的電場極板對，該電場極板對中的A極板設置在所述電池正極的外側，并與該電池正極絕緣；該電場極板對中的B極板設置在所述電池負極的外側，并與該電池負極絕緣。

所述的“內置電隔離的電場極板”是指該“內置電場極板對”不僅分別與電池兩個電極絕緣，同時也與電池內的電解液絕緣。

換言之，本發明的上述結構，其內置可控電場二次電池是在傳統二次電池結構中，形成一個可控的內電場，進行調控傳統二次電池的正極與負極電場的強弱與方向。傳統二次電池結構主要由正極材料、離子交換隔膜、電解質、負極材料所組成。內置可控電場二次電池結構中，增加一個內置電隔離的電場極板對，其結構主要由：電場極板A、正極材料、離子交換隔膜、電解質、負極材料、電場極板B所組成。

與現有技術相同，本發明中的電解液常采用有：溶質；常用的有鋰鹽，高氯酸鋰(LiClO₄)、六氟磷酸鋰(LiPF₆)、四氟硼酸鋰(LiBF₄)。溶劑；乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。

本發明所述的內置可控電場二次電池，可以應用在快速充放電鋰鐵磷酸電池與快速充放電高鐵電池。

即，本發明所述的內置可控電場二次電池，其正極材料可以是LiFePO₄、負極材料可以是石墨或鈦酸鹽；同時設有本發明的內置電隔離的電場極板對。構成內置可控電場二次電池及其快速充放電鋰鐵磷酸電池。