本實用新型屬于鋰電池領(lǐng)域，具體涉及一種改善高倍率充放電性能的鈦酸鋰電池結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

能源是人類社會存在和發(fā)展的基礎(chǔ)，以礦物能源為基礎(chǔ)的當(dāng)今社會越來越頻繁地遭遇到能源匱乏和環(huán)境污染危機(jī)。隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，特別是在石油、煤、天然氣等礦物能源日益枯竭的今天，伴隨著世界對綠色能源的強烈需求，新一代電池由于其對環(huán)境友好而受到人們的重視。鋰離子電池與傳統(tǒng)的二次電池相比，具有比能量大、比功率高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)性能優(yōu)越、使用壽命長、工作溫度范圍寬、可快速充放電等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、移動電話、數(shù)碼像機(jī)等便攜式電子設(shè)備。將鋰離子電池用作電動汽車或者混合動力車的電源是目前研究的一大熱點，然而當(dāng)前商品化的鋰離子電池負(fù)極大部分采用的是炭材料，由于嵌鋰后炭電極的電極電位和金屬鋰接近，當(dāng)電池過充時可能導(dǎo)致炭電極表面析出金屬鋰而引起電池內(nèi)部短路及電解液的分解，溫度過高時易引起熱失控等，因此給電池特別是動力電池帶來很大的安全隱患。此外，炭負(fù)極還存在諸如電壓滯后、循環(huán)容量下降較快等缺點。因此，尋找能夠替代炭材料并且電位比炭電極稍正、廉價易得、安全可靠的新型負(fù)極材料是目前鋰離子電池負(fù)極研究的重點。

具有高比容量且循環(huán)性能異常優(yōu)異的“零應(yīng)變”材料Li₄Ti₅O₁₂(鈦酸鋰)是一種極具應(yīng)用前景的負(fù)極材料，其原料來源廣泛、價格低廉，具有如下優(yōu)點：(1)嵌脫鋰過程中晶體結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定，使其具有優(yōu)良的循環(huán)性能和平穩(wěn)的放電平臺；(2)較高的電極電壓(1.55V)，避免了電解液分解現(xiàn)象或SEI膜的生成；(3)良好的充電電壓平臺，可作為充電結(jié)束的指示，不需加入防過充裝置；(4)鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)比碳材料大1個數(shù)量級，充放電速度更快，可用于高功率型用電器。因而，以尖晶石型鈦酸鋰為負(fù)極材料的鋰離子電池逐漸成為研究的熱點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種改善高倍率充放電性能的鈦酸鋰電池結(jié)構(gòu)。

一種鈦酸鋰電池結(jié)構(gòu),包括電池殼9、電池殼內(nèi)的正極、電池殼內(nèi)的負(fù)極、正極和負(fù)極之間的卷芯膜，所述的正極、負(fù)極以及卷芯膜卷成的圓柱形芯體1，所述的正極為片狀體，所述的負(fù)極為尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂片狀體；所述的圓柱形芯體封裝在填充有電解液的鋁箔膜2中，所述鋁箔膜內(nèi)還設(shè)有儲液腔3，所述儲液腔與圓柱形芯體之間設(shè)有密封層4，所述的Li₄Ti₅O₁₂片狀體與卷芯膜之間沾有兩親性炭材料ACM水溶液，所述的儲液腔中填充有兩親性炭材料ACM水溶液及電解液5。

在所述電池殼的殼體的任意面的板部形成有用于安全閥的斷裂用槽部，所述殼體通過對金屬板進(jìn)行加工而形成，在所述板部形成有向殼體內(nèi)側(cè)凹的第一凹部，在所述第一凹部的底部的中央或者大致中央形成有所述斷裂用槽部；在所述板部中，在將所述第一凹部夾在中間的兩側(cè)與該第一凹部連接的第一連接部分和第二連接部分中，至少一方包括將所述板部在厚度方向上多重折疊而形成的折疊部分：在所述折疊部分中，與所述板部的殼體外側(cè)的面重疊的部分與該板部的殼體外側(cè)的面隔開間隔。

所述的鋁箔膜的上側(cè)設(shè)有帶若干突起的上毛面層，鋁箔膜的下側(cè)設(shè)有帶若干突起的下毛面層，鋁箔膜還包括玻璃纖維布，玻璃纖維布其中一側(cè)的外表面設(shè)置一層雙向拉伸聚酯薄膜，同時，在玻璃纖維布與雙向拉伸聚酯薄膜相結(jié)合之后，位于雙向拉伸聚酯薄膜底面設(shè)置鋁箔紙中間層，位于該鋁箔紙中間層上、下兩表面的其中一個表面與雙向拉伸聚酯薄膜結(jié)合，另一個表面則與雙向拉伸尼龍薄膜黏結(jié)，位于雙向拉伸尼龍薄膜外層涂覆一層低密度聚乙烯涂層，所述低密度聚乙烯涂層厚度至少為雙向拉伸尼龍薄膜的兩倍，所述玻璃纖維布外表面可設(shè)置雙向拉伸尼龍薄膜，所述雙向拉伸聚酯薄膜外層涂覆一層低密度聚乙烯涂層。

所述的正極選用LiCoO₂、LiMn₂O₄或LiNi_0.15Mn_1.15O4材料中的一種。

所述正極連接有正極耳，負(fù)極連接有負(fù)極耳，正極耳和負(fù)極耳分別位于圓柱形芯體的兩端，所述的正極耳和負(fù)極耳包括金屬基層、低熔點合金層和絕緣層，所述絕緣層粘接于所述金屬基層的雙面，所述低熔點合金層結(jié)合于所述金屬基層單面/雙面長度方向的兩側(cè)，所述絕緣層包括第一絕緣層和第二絕緣層，所述第一絕緣層與所述第二絕緣層緊密接觸；所述金屬基層的厚度為10～100μm；所述金屬基層的厚度為20～30μm；所述第一絕緣層的長度為所述金屬基層的長度的1/10～1/3、寬度比所述金屬基層的寬度大1～50mm、厚度為所述金屬基層的厚度的1～3/2；所述第一絕緣層采用熱壓復(fù)合工藝粘接于所述金屬基層，所述第二絕緣層采用噴涂工藝涂覆于所述金屬基層；所述第一絕緣層為樹脂膜，所述第二絕緣層為陶瓷膜，所述低熔點合金層采用噴涂、熱鍍、電鍍或離子鍍工藝結(jié)合于所述金屬基層；所述低熔點合金層為Zn-Bi合金層；所述低熔點合金層的長度為所述金屬基層的長度的1/10～9/10、寬度比所述金屬基層的寬度小1～50mm、厚度為所述金屬基層的厚度的1/10～1。

所述的儲液腔內(nèi)有與圓柱形芯體相匹配的電解液。

所述的鋁膜對應(yīng)儲液腔的位置設(shè)置有氣體選擇性透過膜制成的氣孔8。

本實用新型的有益效果在于：本實用新型結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰電池結(jié)構(gòu)的負(fù)極為尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂片狀體，尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂在小電流條件下表現(xiàn)出了高的容量和循環(huán)穩(wěn)定性，為了提高尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂的電導(dǎo)率，使用ACM對Li₄Ti₅O₁₂顆粒進(jìn)行了包覆處理，制備了炭包覆Li₄Ti₅O₁₂復(fù)合材料，整個過程在溫和的加熱條件下進(jìn)行，不需要使用任何有機(jī)溶劑，炭材料的還原性在高溫下導(dǎo)致Li₄Ti₅O₁₂的氧缺失，部分Ti⁴⁺被包覆炭還原為Ti³⁺，使得其摩爾質(zhì)量降低，因此獲得出較高的比容量，也導(dǎo)致了電子數(shù)量的增加因而提高了材料電導(dǎo)率，進(jìn)而可以改善材料的高倍率充放電性能。同時，通過設(shè)置有ACM溶液的儲液腔，在電池工作過程中產(chǎn)生氣體，進(jìn)一步壓迫密封層，使密封層破裂，提高了ACM溶液和電解液的量，進(jìn)一步提高了電池反應(yīng)的程度。

附圖說明

圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型的殼體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步描述。

目前隨著電動汽車的不斷發(fā)展，對鋰離子電池的要求日益增高，現(xiàn)有的商業(yè)石墨負(fù)極材料的自身安全性、穩(wěn)定性以及壽命上的缺陷，使得石墨電極電池已經(jīng)很難滿足需求，而鈦基化合物因其高電壓和與電解液的共融性成為非常有潛力替代商業(yè)石墨的負(fù)極材料。尤其是其中的零應(yīng)變材料鈦酸鋰受到了最多的關(guān)注，鈦酸鋰具有高電壓平臺，多次循環(huán)也沒有體積變化，循環(huán)性能優(yōu)異。傳統(tǒng)的石墨電極的嵌鋰電位比較低，在首次循環(huán)過程中，在0.8V時電極的表面會消耗電解液中的鋰離子生成SEI膜，造成容量損失。而鈦酸鋰材料的嵌鋰電勢是1.55V，這就避免了電解液在電極表面上的損失，也避免了SEI膜的生成。而且相對于石墨會產(chǎn)生較大的不可逆容量，鈦酸鋰不可逆容量要小的多。另外，鈦酸鋰材料放電時也不會出現(xiàn)鋰枝晶，安全性得以保障。所以說鈦酸鋰是比石墨更加安全的負(fù)極材料，可以用它合成極為安全的鋰離子電池，并應(yīng)用于電動汽車或混合電動汽車等設(shè)備。

然而，鈦酸鋰也存在這明顯的缺點，它的電子導(dǎo)電率和Li+的遷移系數(shù)都比較低，這嚴(yán)重影響了大倍率充放電時的電化學(xué)性能。鈦酸鋰的放電過程是由Li₄Ti₅O₁₂轉(zhuǎn)化成Li₇Ti₅O₁₂的過程，由于Li₄Ti₅O₁₂本身的導(dǎo)電率低，充放電電流增大后，電極材料的極化程度加劇，這就影響了倍率性能和循環(huán)性能。因此為了實現(xiàn)鈦酸鋰的商業(yè)化應(yīng)用，必然要通過提高電子在活性材料和集流體間的遷移速度從而改善鈦酸鋰的倍率性能。

如圖1所示，一種鈦酸鋰電池結(jié)構(gòu),包括電池殼、電池殼內(nèi)的正極、電池殼內(nèi)的負(fù)極、正極和負(fù)極之間的卷芯膜，所述的正極、負(fù)極以及卷芯膜卷成的圓柱形芯體，所述的正極為片狀體，所述的負(fù)極為尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂片狀體；所述的圓柱形芯體封裝在填充有電解液的鋁箔膜中，所述鋁箔膜內(nèi)還設(shè)有儲液腔，所述儲液腔與圓柱形芯體之間設(shè)有密封層。所述的Li₄Ti₅O₁₂片狀體與卷芯膜之間沾有兩親性炭材料ACM水溶液，所述的儲液腔中填充有兩親性炭材料ACM水溶液及電解液。所述的鋁箔膜的上側(cè)設(shè)有帶若干突起的上毛面層，鋁箔膜的下側(cè)設(shè)有帶若干突起的下毛面層。所述的正極選用LiCoO₂、LiMn₂O₄或LiNi_0.15Mn_1.15O4材料中的一種。所述正極連接有正極耳，負(fù)極連接有負(fù)極耳，正極耳和負(fù)極耳分別位于圓柱形芯體的兩端。所述的儲液腔內(nèi)有與圓柱形芯體相匹配的電解液。所述的鋁膜對應(yīng)儲液腔的位置設(shè)置有氣體選擇性透過膜制成的氣孔。鈦酸鋰電池結(jié)構(gòu)的鋁塑膜殼體的氣孔，可以排出電池產(chǎn)生的氣體，減少鈦酸鋰脹氣帶來的安全問題。

在所述電池殼的殼體的任意面的板部形成有用于安全閥的斷裂用槽部，所述殼體通過對金屬板進(jìn)行加工而形成，在所述板部形成有向殼體內(nèi)側(cè)凹的第一凹部，在所述第一凹部的底部的中央或者大致中央形成有所述斷裂用槽部；在所述板部中，在將所述第一凹部夾在中間的兩側(cè)與該第一凹部連接的第一連接部分和第二連接部分中，至少一方包括將所述板部在厚度方向上多重折疊而形成的折疊部分：在所述折疊部分中，與所述板部的殼體外側(cè)的面重疊的部分與該板部的殼體外側(cè)的面隔開間隔。電池殼體中，即使伴隨充電和放電的反復(fù)進(jìn)行而內(nèi)部壓力發(fā)生變動的情況下，該內(nèi)部壓力的變化通過第一凹部向殼體外側(cè)和殼體內(nèi)側(cè)變形而被吸收。因此，不對斷裂用槽部施加過大的壓縮應(yīng)力和過大的拉伸應(yīng)力，所以不易發(fā)生斷裂用槽部的疲勞。因此，除了內(nèi)部壓力達(dá)到了超過充電時和環(huán)境溫度上升等的通常的壓力上升的水平時以外，斷裂用槽部不會裂開。故而能夠?qū)崿F(xiàn)安全閥的工作壓力的穩(wěn)定化。另外，在容易變形的第一凹部的底部的中央或者大致中央形成有斷裂用槽部，因此在第一凹部向殼體外側(cè)膨脹時，首先對斷裂用槽部施加壓縮應(yīng)力，然后施加拉伸應(yīng)力，由此斷裂用槽部裂開。因此，在斷裂用槽部，即使槽底部的厚度一定程度上較厚，也能夠可靠地裂開。因此，由于能夠提高斷裂用槽部的強度，在二次電池的安裝操作中不會發(fā)生斷裂用槽部裂開的狀況。故而電池殼體的操作較為容易。另外，在本發(fā)明中，由于采用承受第一凹部的變形和斷裂用槽部的裂開這2個階段的壓力的結(jié)構(gòu)，斷裂用槽部的槽部底部的厚度和形狀、第一凹部的形狀等的設(shè)定工作壓力的參數(shù)較多，所以能夠?qū)⒐ぷ鲏毫υO(shè)定為任意的水平。

所述的鋁箔膜的上側(cè)設(shè)有帶若干突起的上毛面層，鋁箔膜的下側(cè)設(shè)有帶若干突起的下毛面層，鋁箔膜還包括玻璃纖維布，玻璃纖維布其中一側(cè)的外表面設(shè)置一層雙向拉伸聚酯薄膜，同時，在玻璃纖維布與雙向拉伸聚酯薄膜相結(jié)合之后，位于雙向拉伸聚酯薄膜底面設(shè)置鋁箔紙中間層，位于該鋁箔紙中間層上、下兩表面的其中一個表面與雙向拉伸聚酯薄膜結(jié)合，另一個表面則與雙向拉伸尼龍薄膜黏結(jié)，位于雙向拉伸尼龍薄膜外層涂覆一層低密度聚乙烯涂層，所述低密度聚乙烯涂層厚度至少為雙向拉伸尼龍薄膜的兩倍，所述玻璃纖維布外表面可設(shè)置雙向拉伸尼龍薄膜，所述雙向拉伸聚酯薄膜外層涂覆一層低密度聚乙烯涂層。

所述的正極選用LiCoO₂、LiMn₂O₄或LiNi_0.15Mn_1.15O4材料中的一種。

所述正極連接有正極耳，負(fù)極連接有負(fù)極耳，正極耳和負(fù)極耳分別位于圓柱形芯體的兩端，所述的正極耳和負(fù)極耳包括金屬基層、低熔點合金層和絕緣層，所述絕緣層粘接于所述金屬基層的雙面，所述低熔點合金層結(jié)合于所述金屬基層單面/雙面長度方向的兩側(cè)，所述絕緣層包括第一絕緣層和第二絕緣層，所述第一絕緣層與所述第二絕緣層緊密接觸；所述金屬基層的厚度為10～100μm；所述金屬基層的厚度為20～30μm；所述第一絕緣層的長度為所述金屬基層的長度的1/10～1/3、寬度比所述金屬基層的寬度大1～50mm、厚度為所述金屬基層的厚度的1～3/2；所述第一絕緣層采用熱壓復(fù)合工藝粘接于所述金屬基層，所述第二絕緣層采用噴涂工藝涂覆于所述金屬基層；所述第一絕緣層為樹脂膜，所述第二絕緣層為陶瓷膜，所述低熔點合金層采用噴涂、熱鍍、電鍍或離子鍍工藝結(jié)合于所述金屬基層；所述低熔點合金層為Zn-Bi合金層；所述低熔點合金層的長度為所述金屬基層的長度的1/10～9/10、寬度比所述金屬基層的寬度小1～50mm、厚度為所述金屬基層的厚度的1/10～1。本實用新型的極耳可以通過熱壓的方式實現(xiàn)電芯內(nèi)外部的焊接，取代傳統(tǒng)復(fù)雜的超聲波焊接，從而降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率；本實用新型的極耳可同時使用在電芯內(nèi)部極耳與極片的焊接以及極耳于外部設(shè)備的焊接，可提升極片的有效利用率和能量密度；通過在電芯內(nèi)部極耳非焊接處涂覆絕緣層提升了電池的安全性能，并進(jìn)一步降低電芯制造成本；當(dāng)電池外部發(fā)生短路導(dǎo)致電流過大時，本實用新型的極耳外接端口處或內(nèi)接集流體處的低熔點合金層可以自動熔融，使得電池正負(fù)極間斷開，從而避免電池起火或爆炸，提升電池的安全性能。

鈦酸鋰電池結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)與其它二次電池類似，包括：正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、正極引線、負(fù)極引線、中心端子、安全閥、PTC、電池殼等部件。鈦酸鋰電池結(jié)構(gòu)的正負(fù)極采用的都是具有層狀結(jié)構(gòu)的材料，均能夠可逆地嵌脫鋰。常用的正極材料主要為LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄和LiFePO₄等；負(fù)極材料主要為具有較穩(wěn)定的嵌鋰平臺的石墨類炭材料，主要包括天然石墨、人造石墨和石墨化中間相炭微球等。電解液主要為LiPF₆、LiClO₄、LiBF₄等鋰鹽的有機(jī)溶液。有機(jī)溶劑主要包括PC(碳酸丙烯酯)、BC(碳酸丁烯酯)、EC(碳酸乙烯酯)、DEC(碳酸二乙酯)、DMC(碳酸二甲酯)、DME(二甲基乙烷)和EMC(碳酸甲乙酯)中的一種或按一定比例混合的幾種混合物。隔膜的作用主要是為了能夠?qū)⒄?fù)極隔開，避免短路的發(fā)生，現(xiàn)在主要采用聚烯烴系樹脂隔膜，包括單層或多層的聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微孔隔膜，不僅要求其薄而絕緣，而且還要有一定的強度。

電池的充放電原理在充放電過程中鋰離子通過電解質(zhì)在正負(fù)極之間來回運動。充電時，鋰離子從正極活性物質(zhì)(過渡金屬氧化物)間隙中脫出，通過能傳導(dǎo)鋰離子的電解質(zhì)和隔膜嵌入到負(fù)極炭層之中，發(fā)生嵌入反應(yīng)，使得負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，正極處于貧鋰狀態(tài)，同時電子的補償從外電路供給炭電極，保證負(fù)極的電荷平衡；而放電時則相反，鋰離子從負(fù)極炭層中脫出，嵌至正極材料結(jié)構(gòu)之中。在正常充放電情況下，鋰離子在均為層狀結(jié)構(gòu)的炭材料和氧化物之間的嵌入和脫出，一般只引起層間距的變化而不會引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞，而且正負(fù)極物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變化。