[發明專利]一種高能量密度長循環磷酸鐵鋰電池

有效

• 申請號: 201910646851.6
• 申請日: 2019-07-17
• 公開（公告）號: CN110364761B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 廖宗江;江濤;鄒曉兵
• 申請（專利權）人: 江西省匯億新能源有限公司
• 主分類號: H01M10/052
• 分類號: H01M10/052;H01M4/04;H01M4/136;H01M4/1397;H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0566;H01M10/0587;H01M10/42
• 代理公司: 南昌賢達專利代理事務所(普通合伙) 36136
• 代理人: 金一嫻

本發明提供了一種高能量密度長循環磷酸鐵鋰電池，正極活性物質采用釩、硼、氮、碳元素摻雜的磷酸鐵鋰，負極導電劑采用摻雜型碳納米管和/或碳纖維，隔膜為基膜上涂覆納米級的TiO₂和BN，粘結劑采用新型的木質素粘結劑。本發明的電池單體電芯0.2C放電容量≥2300mAh，循環性能優良，電芯0.5C/0.5C 100％DOD循環1000次后容量保持率在78％以上，?20℃下的容量保持率在83％左右，?40℃下的容量保持率在63％左右，低溫使用性能好。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種高能量密度長循環磷酸鐵鋰電池。

專業名詞：CNT指碳納米管，PVDF指聚偏氟乙烯，GR指石墨，CF指碳纖維，Super P指導電炭黑，SBR指丁苯橡膠，CMC指羥甲基纖維素，PE指聚乙烯，EC指碳酸乙烯酯，PC指碳酸丙烯酯，DEC指碳酸二乙酯，DMC指碳酸二甲酯，PTFE指聚四氟乙烯，NMP指N-甲基吡咯烷酮，VC指碳酸亞乙烯酯，Na₂ATP指三磷酸腺苷二鈉、PAni指聚苯胺、PAA指聚丙烯酸、PAALi指聚丙烯酸鋰、PEAA指聚乙烯丙烯酸。

背景技術

隨著各領域的發展，對電池的性能要求也不斷增加，要求電池具有更薄、更輕、更高的能量密度和功率密度以及更高的安全性。現有的鋰離子電池雖然能夠提供較高的放電電流，但由于所用電極材料的安全性較低，造成用電器具使用時存在重大的安全隱患，為此采用高安全性材料磷酸鐵鋰為正極材料對鋰離子電池的安全性能做進一步改善。

目前市場上應用較多的有鈷酸鋰電池、三元材料電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池。其中，磷酸鐵鋰電池無論從電化學性能，包括可逆容量、穩定性、安全性、循環性和大電流放電能力，還是原材料的價格來看，都優于其他類電池。尤其是循環性能，能量型磷酸鐵鋰電池1C循環2000次容量保持率可以達到80％以上，遠高于鈷酸鋰電池、三元材料電池、錳酸鋰電池。但是，數碼型圓柱電池以錳和三元為主，而磷酸鐵鋰材料因其壓實小、能量密度低、低溫性能差等特點，在數碼、儲能型圓柱形18650電池中使用磷酸鐵鋰為正極材料的非常少。盡管人們通過各種方法，例如鋰位、鐵位、甚至磷酸位的摻雜改善離子和電子導電性能，通過改善一次或二次顆粒的粒徑及形貌控制有效反應面積、通過加入額外的導電劑增加電子導電性等，改善磷酸鐵鋰的低溫性能，提高其能量密度。當低溫度使用時，其性能較差，-20℃的放電容量僅占常溫下的30％左右，這也是其推廣使用的一大障礙，因此改善低溫性能至關重要。目前，磷酸鐵鋰型18650鋰離子電池，能量密度在290WH/L左右，放電容量范圍在1000～1500mAh，研究者們在提高鋰電池性能方面做了大量工作，例如專利號為CN2011103954287的中國專利公開了“一種低溫改善型磷酸鐵鋰電池”，放電容量為1500mAh，-20℃的放電容量達到額定容量的71.2％，-40℃的放電容量達到額定容量的50.6％。我們前期的工作“高安全高能量長循環的磷酸鐵鋰型18650鋰電池及其制備方法”、專利號201810889165.7，電池容量可達2000～2100mA，循環性和低溫放電性能優良，電芯0.5C/0.5C 100％DOD循環1000次后容量保持率均在80％以上，-20℃的放電容量達到額定容量的73.6％。但是，電池的容量仍有限，隨著電動汽車領域的發展，需要更高比能量的電池以滿足數碼、儲能型18650電池的要求；因此有必要尋找合適的正、負極材料及生產工藝，制備出容量、安全性、循環壽命更高的磷酸鐵鋰型鋰電池。

磷酸鐵鋰電池的研究主要集中在提高離子擴散速率和離子導電性兩個方面，通過提高磷酸鐵鋰的比表面積、進行包覆或摻雜提高其離子和電子導電性。改善磷酸鐵鋰電池低溫使用性能的方法，主要集中于降低正負極材料粒徑、低溫電解液優化等，使用環境很難突破-20℃，倍率性能也較差。當前解決磷酸鐵鋰電池低溫性能的主要方法為：采用低熔點溶劑電解液和正負極材料納米化，在一定程度上改善了磷酸鐵鋰電池的低溫性能，但其使用溫度仍很難突破-20℃，大大限制了其推廣使用。

發明內容

本發明旨在解決上述問題，提供一種高能量密度長循環的磷酸鐵鋰型18650鋰電池，采用以下技術方案：