一種快速充電鋰電池的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種可快速充電的鋰電池，包括電池殼體和置于電池殼體內(nèi)的陽(yáng)極、陰極與電解液，陽(yáng)極和陰極之間有多孔的聚合物隔板，電池殼體有密封蓋和對(duì)應(yīng)的電極耳，關(guān)鍵是陰極的結(jié)構(gòu)是在一箔狀支撐件兩側(cè)面設(shè)有陰極材料，該陰極材料的整體內(nèi)形成易于導(dǎo)電的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，陰極材料由鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級(jí)膨潤(rùn)土、碳粉和PVDF制備，陽(yáng)極中間亦有箔狀支撐件且陽(yáng)極由碳質(zhì)材料制備，陽(yáng)極與陰極的厚度之比為1∶1.5～1∶4。本發(fā)明的充電時(shí)間可以控制在10分鐘以?xún)?nèi)，對(duì)于小型鋰電池，充電時(shí)間則更短且可使得小型便攜移動(dòng)電子設(shè)備進(jìn)一步輕量化，本發(fā)明突破了現(xiàn)有技術(shù)的長(zhǎng)期存在的局限，必將得到廣泛的應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種快速充電鋰電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種可充電的電源裝置，具體涉及一種可快速充電的鋰電池。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池已得到日益廣泛的應(yīng)用，尤為是在移動(dòng)設(shè)備上得到普遍的應(yīng)用，如手機(jī)、移動(dòng)電腦、野外設(shè)備等，但相對(duì)而言，小型的鋰電池技術(shù)比較成熟，且充電時(shí)間較短(幾個(gè)小時(shí)),如有備用電池,一般的使用均可滿(mǎn)足,但對(duì)大型的鋰電池目前技術(shù)還有技術(shù)瓶頸，如充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。一般而言，鋰電池的基本結(jié)構(gòu)是有陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極和陰極材料之間設(shè)置一個(gè)多孔的聚合物隔離膜，構(gòu)成基本組件，該組件繞制成柱形或平板型結(jié)構(gòu)置于殼體內(nèi)，充電時(shí)其是從外向內(nèi)充電，即相對(duì)于陰極或陽(yáng)極的厚度的增加，雖然可使工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但充電時(shí)間隨之增加。對(duì)于大型鋰電池，如汽車(chē)或小型機(jī)動(dòng)車(chē)使用的動(dòng)力鋰電池，主要存在的缺陷是電池容量偏小和充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。目前解決上述缺陷的方法是將多個(gè)小電池串并聯(lián)而形成動(dòng)力電池，但因單個(gè)電池間的均一性沒(méi)有得到很好的解決，數(shù)量過(guò)多的小電池組合會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題，并且充電時(shí)間仍沒(méi)有根本解決。因此，如何又要提高鋰電池容量，又能降低充電時(shí)間，是鋰電池得到更廣泛應(yīng)用而必須解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的發(fā)明目的是公開(kāi)一種提高鋰電池容量且能大幅降低充電時(shí)間的可充電鋰電池。
[0004]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:包括電池殼體和置于電池殼體內(nèi)的陽(yáng)極、陰極與電解液，陽(yáng)極和陰極之間有多孔的聚合物隔板，電池殼體有密封蓋和對(duì)應(yīng)的電極耳，關(guān)鍵是陰極的結(jié)構(gòu)是在一箔狀支撐件兩側(cè)面設(shè)有陰極材料，該陰極材料的整體內(nèi)形成易于導(dǎo)電的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，陰極材料由鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級(jí)膨潤(rùn)土、碳粉和PVDF制備，陽(yáng)極中間亦有箔狀支撐件且陽(yáng)極由碳質(zhì)材料制備，陽(yáng)極與陰極的厚度之比為1: 1.5?I: 4。
[0005]所述的鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)的顆粒表面有一可導(dǎo)電的碳化層，上述具有碳化層的鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)與納米級(jí)膨潤(rùn)土、碳粉和PVDF制備的陰極材料層內(nèi)則形成一個(gè)可導(dǎo)電的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
[0006]所述的碳化層是由酚醛樹(shù)脂內(nèi)加入碳粉經(jīng)高溫碳化而制備。
[0007]所述的碳化層是由酚醛樹(shù)脂內(nèi)加入碳粉、石墨粉經(jīng)高溫碳化而制備。
[0008]所述的陰極材料中的鋰化過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)包括選自鋰化過(guò)渡金屬氧化物、鋰化金屬磷酸鹽、鋰化鈷氧化物，LiCoO2, LiNiCoO2, LiAlNiCoO2, LiMnNiCoO2, LiMnO2,Li2Mn2O4和LiFe (PO4)6的一種或多種化合物。
[0009]所述的陰極材料中的鋰化過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級(jí)膨潤(rùn)土和碳粉按重量計(jì)分別為92?94%、0.5?1.5%和2?3%，余量為PVDF。
[0010]所述的納米級(jí)膨潤(rùn)土的顆粒直徑為5?50nm，其由高速剪切方法制備，膨潤(rùn)土顆粒經(jīng)鋰化處理一即在膨潤(rùn)土的晶層間插入鋰離子；或所述的膨潤(rùn)土顆粒經(jīng)石墨材料包覆處理。
[0011]所述的陽(yáng)極與陰極的厚度之比為1: 1.5或1: 2或1: 3.5。
[0012]本發(fā)明公開(kāi)的快速充電的鋰電池，其整體的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)未作大的改變，原有鋰電池的殼體、電極耳、極間的電連接和封蓋等均可使用已有技術(shù)，但由于在陰極材料中混合有鋰化的納米級(jí)膨潤(rùn)土顆粒，并使陰極材料中形成整體的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，則使鋰電池的容量提高，同時(shí)可以減小陰極的厚度，特別是又提高了陰極材料的導(dǎo)電性，可以實(shí)現(xiàn)在充電時(shí)，對(duì)陰極整體進(jìn)行充電，無(wú)須逐層進(jìn)行充電。因此，本發(fā)明特別適合制備大型動(dòng)力鋰電池，解決了大型動(dòng)力鋰電池的容量不足和充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺陷，本發(fā)明的充電時(shí)間可以控制在10分鐘以?xún)?nèi)，對(duì)于小型鋰電池，充電時(shí)間則更短且可使得小型便攜移動(dòng)電子設(shè)備進(jìn)一步輕量化，本發(fā)明突破了現(xiàn)有技術(shù)的長(zhǎng)期存在的局限，必將得到廣泛的應(yīng)用。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的局部斷面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]請(qǐng)參見(jiàn)圖1給出的局部結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的實(shí)施例如下:包括電池殼體和置于電池殼體內(nèi)的陽(yáng)極、陰極與電解液，陽(yáng)極和陰極之間有多孔的聚合物隔板，電池殼體有密封蓋和對(duì)應(yīng)的電極耳(圖中未詳細(xì)給出上述已有技術(shù)的宏觀(guān)結(jié)構(gòu))，關(guān)鍵是陰極的結(jié)構(gòu)是在一箔狀支撐件兩側(cè)面設(shè)有陰極材料，陰極材料由包覆導(dǎo)電材料的鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級(jí)膨潤(rùn)土、碳粉和PVDF制備，該陰極材料的整體內(nèi)形成易于導(dǎo)電的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，陽(yáng)極中間亦有箔狀支撐件且陽(yáng)極由碳質(zhì)材料制備，陽(yáng)極與陰極的厚度之比為1: 1.5?1: 4。上述的鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)包括選自鋰化過(guò)渡金屬氧化物、鋰化金屬磷酸鹽、鋰化鈷氧化物，LiCo02、LiNiCo02、LiAlNiCo02、LiMnNiCo02、LiMn02、Li2Mn204 和 LiFe (PO4)6 的一種或多種化合物，當(dāng)然還包括已知或已在使用的其它鋰氧化物或鋰鹽；在放電期間，鋰離子從陽(yáng)極通過(guò)電解液，然后插入陰極，在充電期間，鋰離子的流動(dòng)是可逆的，鋰離子從陰極通過(guò)電解液，然后作為金屬鋰原子或離子沉積回到陽(yáng)極上，充電時(shí)鋰離子在外加電壓的作用下是逐層脫離陰極，因此充電時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)幾小時(shí)；而上述技術(shù)方案中的鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)表面包覆導(dǎo)電材料層，并與納米級(jí)膨潤(rùn)土、碳粉和PVDF (聚偏二氟乙烯)共同構(gòu)成陰極后，上述的導(dǎo)電材料層可使整個(gè)陰極內(nèi)部形成一個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)碳粉可進(jìn)一步提高導(dǎo)電性能，由于上述的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的存在，則可使整個(gè)陰極充電時(shí)，整體進(jìn)行充電而不是逐層進(jìn)行充電，因此充電時(shí)間大為降低，充電時(shí)間可控制在十分鐘之內(nèi)；上述的導(dǎo)電材料層實(shí)際上是一種碳化層，該碳化層包覆鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)的顆粒表面，該碳化層是由酚醛樹(shù)脂(或相同或相近性能的其它樹(shù)脂)內(nèi)加入碳粉或加入碳粉、石墨粉混合物或加入石墨粉或加入石墨粉、碳化硅粉混合物經(jīng)高溫碳化而制備，具體是將鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)的顆粒與上述混合各種粉的酚醛樹(shù)脂混合，然后先中溫固化，固化溫度為160°C?190°C，再高溫碳化，碳化溫度為900°C?1050°C，如酚醛樹(shù)脂內(nèi)混合有石墨粉，則碳化溫度為2000°C?2300°C，則鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)的顆粒表面被碳化層覆蓋，可以通過(guò)機(jī)械方式再顆?；?，或通過(guò)將混合有上述各種粉的酚醛樹(shù)脂霧化為顆粒狀后進(jìn)入一中溫腔室固化，或通過(guò)離心方式分離成顆粒狀后固化，固化的顆粒再進(jìn)行高溫碳化，上述的各類(lèi)碳化方法是已知技術(shù)，這里不再詳細(xì)描述。
[0015]除上述的碳化層結(jié)構(gòu)外，在陰極材料中混合有納米級(jí)膨潤(rùn)土顆粒，膨潤(rùn)土具有特別的層狀結(jié)構(gòu)，其晶體層間為負(fù)電性，晶層間被吸附或插入的陽(yáng)離子是可以交換的，故晶層可吸附或插入大量的鋰離子，對(duì)低價(jià)陽(yáng)離子的吸附或插入性能更佳，因此可以預(yù)先將膨潤(rùn)土鋰化使其晶層容納或插入鋰離子；上述陰極材料中的鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級(jí)膨潤(rùn)土和碳粉按重量計(jì)分別為92?94%、0.5?1.5%和2?3%，余量為PVDF(聚偏二氟乙烯)，按上述重量比，陰極材料中加入了鋰化的膨潤(rùn)土，陰極或電池中的鋰離子增加，因此可以將陰極的厚度大幅減小；本領(lǐng)域已知的是陰極的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陽(yáng)極的厚度，按本發(fā)明，陰極的厚度為陽(yáng)極的厚度1.5?4倍，同時(shí)非水性電解液可以是在有機(jī)非水溶劑或溶劑混合物中的一種或多種鋰鹽的溶液，例如鋰鹽可以包括但不限于LiPF6、LiC104、LiBF4等，溶劑可以包括但不限于PC (碳酸丙烯酯)、EC (碳酸亞乙酯)、DMC (碳酸二甲脂)、DEC (碳酸二乙月旨)或其它本領(lǐng)域適宜的各種混合液，且電解液中鋰鹽的濃度可以為常規(guī)濃度的二倍以上；實(shí)質(zhì)上由于膨潤(rùn)土具有的晶層間的間隙，為良好的多孔性質(zhì)，則可使上述的陰極材料的體積密度適當(dāng)?shù)脑黾樱仍黾恿藦?qiáng)度又減小了陰極的厚度，例如可將體積密度增加10%左右，依據(jù)對(duì)電池性能的要求的不同和選擇的陽(yáng)極或陰極材料的不同，陽(yáng)極與陰極的厚度比可以是1: 1.8或1: 2或1: 3或1: 3.5，具體取何厚度比例，主要視電池容量要求、陰極材料的混合比例等諸多因素，其基本上是本領(lǐng)域通常會(huì)考慮到的；由于電池的電極的厚度與充電時(shí)間有關(guān)，雖然前述的由碳化層構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可使電極整體充電，但電極厚度的降低仍然有助于進(jìn)一步降低充電時(shí)間，同時(shí)節(jié)約電極材料的使用量和減小電池的重量；對(duì)于上述的納米級(jí)膨潤(rùn)土，其顆粒直徑可以是5?50nm之間，優(yōu)選為20?30nm之間，其可由高速剪切方法制備(已有技術(shù))，其顆粒直徑過(guò)大雖然制備方便，但容納鋰離子的效率或單位體積密度會(huì)降低，顆粒直徑過(guò)小則因膨潤(rùn)土已知的性質(zhì)，剪切加工困難且顆粒均一性亦受影響；膨潤(rùn)土具有的負(fù)電性，其可以是負(fù)一價(jià)或負(fù)二價(jià)或負(fù)三價(jià)，因膨潤(rùn)土的負(fù)電性的不同，其內(nèi)插入的正離子的量亦有所不同，正離子在膨潤(rùn)土上的吸附都是在晶層間取向排列，所以晶層的膨脹是最小的，在試驗(yàn)中，測(cè)定的陰極厚度在充電或放電完成時(shí)，其厚度變化很小，這也進(jìn)一步說(shuō)明盡管加大鋰離子含量，含有膨潤(rùn)土的陰極材料中插入的正電性鋰離子一部分容納于膨潤(rùn)土的晶層間，經(jīng)試驗(yàn)，在陽(yáng)極的碳質(zhì)材料中加有按重量計(jì)為0.2?0.5%的納米級(jí)膨潤(rùn)土顆粒，亦有利于降低陽(yáng)極的厚度和減少充電時(shí)間。
[0016]為進(jìn)一步了解本發(fā)明，更詳細(xì)地給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0017]實(shí)施例1:
陽(yáng)極由銅箔和銅箔兩側(cè)面涂覆的陽(yáng)極材料層構(gòu)成，所述的陽(yáng)極材料層由石墨、PVDF或石墨、PVDF和納米級(jí)膨潤(rùn)土混合構(gòu)成，石墨和PVDF的構(gòu)成按重量計(jì)為92%和8%，或石墨、PVDF和納米級(jí)膨潤(rùn)土的構(gòu)成按重量計(jì)為90%、9.7%和0.3% ;陰極材料由LiNiCoO2或LiAlNiCoO2、、碳粉、納米級(jí)膨潤(rùn)土和PVDF (按重量計(jì)分別為92%、2%、1%和5%)混合，其中LiNiCoO2或LiAlNiCoO2、均由碳化層包覆，碳化層的制備是將酚醛樹(shù)脂與碳粉或碳粉和石墨粉混合后再與LiNiCoO2或LiAlNiCoO2、混合，經(jīng)霧化為顆粒后進(jìn)入一中溫腔室固化，固化溫度為160°C?190°C，然后再高溫下進(jìn)行碳化，如只有碳粉則碳化溫度為900°C?1050°C，如含有石墨粉，則碳化溫度為2000°C?2300°C，將上述制備的陰極材料置于支撐件的兩側(cè)面構(gòu)成陰極，陽(yáng)極與陰極的厚度比為1: 2?2.5，陽(yáng)極與陰極之間設(shè)置有適宜的多孔聚合物膜作為隔板，例如可選用多孔的聚丙烯膜，陽(yáng)極、隔板和陰極可以按本領(lǐng)域已知的技術(shù)進(jìn)行環(huán)繞或平行設(shè)置構(gòu)成柱狀或平板狀，然后置入適當(dāng)?shù)耐鈿ぶ?，灌入電解液和本領(lǐng)域公知的連接、密封等構(gòu)成所需的電池，其比容量可達(dá)到400?450mAh/g，充電時(shí)間為10分鐘之內(nèi)。
[0018]實(shí)施例2:
陽(yáng)極材料和電池結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，陰極材料由LiMnO2、碳粉、納米級(jí)膨潤(rùn)土和PVDF按重量計(jì)分別為92%、2%、1.5%和4.5%混合制備，LiMnO2由碳化層包覆，碳化層的制備是將酚醛樹(shù)脂與石墨粉或石墨粉和碳化硅粉混合后，經(jīng)離心方法制得微小顆粒狀后置入一中溫腔室固化，固化溫度為160°C?190°C，然后在2000°C?2300°C進(jìn)行碳化，陽(yáng)極與陰極的厚度為1: 1.8?2，經(jīng)測(cè)定，電池的容量可達(dá)到450?490mAh/g，充電時(shí)間為8分鐘之內(nèi)。
[0019]本發(fā)明按上述說(shuō)明書(shū)及實(shí)施例所述，可降低生產(chǎn)成本，減輕電池的重量，尤為是大幅降低充電時(shí)間和增加電池的容量，更適于大型動(dòng)力電池的制備。
【權(quán)利要求】
1.一種快速充電鋰電池，包括電池殼體和置于電池殼體內(nèi)的陽(yáng)極、陰極與電解液，陽(yáng)極和陰極之間有多孔的聚合物隔板，電池殼體有密封蓋和對(duì)應(yīng)的電極耳，其特征在于陰極的結(jié)構(gòu)是在一箔狀支撐件兩側(cè)面設(shè)有陰極材料，該陰極材料的整體內(nèi)形成易于導(dǎo)電的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，陰極材料由鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級(jí)膨潤(rùn)土、碳粉和PVDF制備，陽(yáng)極中間亦有箔狀支撐件且陽(yáng)極由碳質(zhì)材料制備，陽(yáng)極與陰極的厚度之比為1: 1.5?1: 4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速充電鋰電池，其特征在于所述的鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)的顆粒表面有一可導(dǎo)電的碳化層，上述具有碳化層的鋰化的過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)與納米級(jí)膨潤(rùn)土、碳粉和PVDF制備的陰極材料層內(nèi)則形成一個(gè)可導(dǎo)電的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速充電鋰電池，其特征在于所述的碳化層是由酚醛樹(shù)脂內(nèi)加入碳粉經(jīng)高溫碳化而制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速充電鋰電池，其特征在于所述的碳化層是由酚醛樹(shù)脂內(nèi)加入碳粉、石墨粉經(jīng)高溫碳化而制備。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的快速充電鋰電池，其特征在于所述的陰極材料中的鋰化過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)包括選自鋰化過(guò)渡金屬氧化物、鋰化金屬磷酸鹽、鋰化鈷氧化物，LiCoO2' LiNiCoO2, LiAlNiCoO2, LiMnNiCoO2, LiMnO2' Li2Mn2O4 和 LiFe (PO4) 6 的一種或多種化合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的快速充電鋰電池，其特征在于所述的陰極材料中的鋰化過(guò)渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級(jí)膨潤(rùn)土和碳粉按重量計(jì)分別為92?94%、0.5?1.5%和2?3%，余量為PVDF。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的快速充電鋰電池，其特征在于所述的納米級(jí)膨潤(rùn)土的顆粒直徑為5?50nm，其由高速剪切方法制備，膨潤(rùn)土顆粒經(jīng)鋰化處理一即在膨潤(rùn)土的晶層間插入鋰離子；或所述的膨潤(rùn)土顆粒經(jīng)石墨材料包覆處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的快速充電鋰電池，其特征在于所述的陽(yáng)極與陰極的厚度之比為 1: 1.5 或 1: 2 或 1: 3.5。
【文檔編號(hào)】H01M10/04GK103811761SQ201210439111
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月7日
【發(fā)明者】李志堅(jiān), 鄧堯平, 王小林 申請(qǐng)人:佛山市順德區(qū)精銳電池科技有限公司