[發明專利]一種高能量密度鋰離子電池

在審

• 申請號: 201510323308.4
• 申請日: 2015-06-13
• 公開（公告）號: CN105047903A
• 公開（公告）日: 2015-11-11
• 發明（設計）人: 田東
• 申請（專利權）人: 田東
• 主分類號: H01M4/525
• 分類號: H01M4/525;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0569;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種高能量密度鋰離子電池，屬于鋰離子電池領域。

背景技術

自從1990年日本索尼公司率先研制成功鋰離子電池并將其商品化以來，鋰離子電池得到了迅猛發展。如今鋰離子電池已經廣泛地應用于民用及軍用的各個領域。隨著科技的不斷進步，人們對電池的性能提出了更多更高的要求：電子設備的小型化和個性化發展，需要電池具有更小的體積和更高的比能量輸出；航空航天能源要求電池具有循環壽命，更好的低溫充放電性能和更高的安全性能；電動汽車需要大容量、低成本、高穩定性和安全性能的電池。

鋰離子電池的負極材料有碳材料、金屬間化合物、錫基化合物等。目前商業化鋰離子電池負極材料采用的是石墨類碳材料，具有較低的鋰嵌入/脫嵌電位、合適的可逆容量且資源豐富、價格低廉等優點，是比較理想的鋰離子電池負極材料。石墨類材料具有較低的沖放電平臺，嵌鋰容量高，其嵌鋰化合物LiC6的理論嵌鋰容量為372mAh/g，并且首次充放電效率較高。人們通過研究發現，石墨在首次循環過程中，由于與電解液發生反應形成SEI膜，這層薄膜允許鋰離子自由穿過，防止溶劑化鋰離子進入，這樣在石墨表面上形成的這層SEI膜就可以防止石墨電極不被電解液進一步的腐蝕，維持良好的循環性能。

鋰離子電池的正極材料一般為過度金屬氧化物，如：LiCoO₂、LiNiO₂、LiMnO₂、和LiNi_xCo_yMn_（1-x-y）O₂等，以及過度金屬的磷酸鹽。其中層狀結構的LiCoO₂電極性能良好，是當前市場上商品鋰離子電池廣泛采用的正極材料，但也存在價格高，污染大等缺點；尖晶石結構的LiMn₂O₄價格便宜，無污染，被視為取代LiCoO₂的首選材料，獲得廣泛深入的研究，但由于容量偏低，高溫下容量衰減嚴重等問題，其應用范圍仍受到一定的限制；與結構相似的LiCoO₂相比，LiNiO₂具有容量高，功率大，價格適中等優點，但也存在合成困難，熱穩定性差等問題，其實用化進程一直較緩慢。然而，隨著摻雜型多元氧化物(如LiNi_xCo_yMn_（1-x-y）O₂等)性能的改善和提高，況且，將鋰離子電池的應用擴展到電動汽車(EV，HEV)，蓄能電站，軍事應用等工業大電池領域正成為研究熱點。

不管是正極的還是負極的活性材料，導電劑作為鋰電池不可缺少的重要組成部分，其目的是要在活性材料中形成有效導電網絡。對于活性材料和導電劑的復合物（以下簡稱“復合電極”）而言，要形成導電網絡，導電劑的添加量就必須達到和超過一定量，超過這個量時，導電劑顆粒可填充滿活性材料顆粒間的空隙，并且導電劑之間有了有效的接觸，復合電極的導電性得到根本改善。前市場上鋰離子電池導電劑主要為Super-P與KS系列，此兩類產品皆為國外進口，前者為納米級的炭黑類產品，既有較小的粒徑和較大的比表面積，又具有較好的導電性能，但是由于粒徑較小及比表面積較大，不易分散，而后則為微米級的導電石墨，易于分散，但是導電性能較Super-P差。所以實際使用過程中，兩者都是同時添加使用，互補不足。而石墨稀結構獨特，具有良好的導電性、導熱性、穩定性和巨大的比表面積。其作為鋰離子電池的導電劑，可以極大提高電池的能量密度，同時增加材料的倍率充放電性能，滿足動力電池的要求。

鋰離子電池性能的提升，主要得益于各材料性能的提升，以及各組分的配合，因此選擇合適的材料體系，可以針對不同需要制備出性能側重點不一的鋰離子電池。

發明內容

針對現有的鋰離子電池在體積能量密度偏低方面所存在的不足，本發明的目的在于提供一種具有一種高能量密度的鋰離子電池及其制備方法。

為了達到上述目的，本發明所設計的一種高能量密度鋰電池，材料體系以高壓實鈷酸鋰為正極，以高壓實、高容量天然改性石墨為負極，以石墨烯為導電添加劑。

鈷酸鋰正極材料的克比容量為155～162mAh/g，首次效率為96.5～99.5%，雙面面密度為30～50mg/cm2，正極壓實密度2.0～2.5g/cm3。

石墨負極材料的克比容量為350～360mAh/g，首次效率為94～96.5%，負極壓實密度為1.5～1.8g/cm3，且負極極片面密度以對應的正極活性物質過量比為3%～10%。