CN103515610A - 锂离子电极材料及锂离子动力电池 - Google Patents

锂离子电极材料及锂离子动力电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂电池领域，公开了一种锂离子电极材料及锂离子动力电池。由以下质量配比的各组分组成：活性物质：93%-95%；导电性粘结剂：0.5%-1.5%；聚偏氟乙烯：1.5%-2.5%；碳纳米管：0.5%-3%；导电碳黑：0%-2.5%。应用本实施例技术方案有利于提高电池的倍率性能和安全性以及使用寿命。

Description

锂离子电极材料及锂离子动力电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种锂离子电极材料及锂离子动力电池。
背景技术
锂二次电池是一种新型的化学电源，主要由正极、电池隔离膜、负极、电解液以及外壳等部分组成。
锂二次电池由于具有工作电压高、比能量密度大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应以及环境污染小等优点，在通讯设备、移动电子设备、电动工具、电动玩具以及航空模型上得到迅速应用普及。近年来，动力型锂二次电池逐步在大型储能设施、电动自行车、电动摩托车甚至电动汽车上得以应用。
随着各种电动交通工具的普及，动力电池的需求越来越大，锂离子动力电池凭借其独特的优势，已取得越来越多的市场份额，市场对动力电池要求也越来越高。
在研究本发明的过程中，本发明人发现现有技术动力锂离子电池主要存在电池功率密度较低的问题。
发明内容
在此处键入发明内容描述段落。本发明实施例第一目的在于提供一种锂离子电极材料，有利于提高电池的倍率性能和安全性以及使用寿命。
本发明实施例第二目的在于提供一种锂离子电池，有利于提高电池的倍率性能和安全性以及使用寿命。
本发明实施例提供的一种锂离子电极材料，由以下质量配比的各组分组成：
活性物质：93%-95%；
导电性粘结剂：0.5%-1.5%；
聚偏氟乙烯：1.5%-2.5%；
碳纳米管：0.5%-3%；
导电碳黑：0%-2.5%。
可选地，所述活性物质为：磷酸铁锂或者锰酸锂。
可选地，所述活性物质为：钛酸锂。
可选地，所述活性物质的含量为：94%。
可选地，所述导电性粘结剂为磺酸基导电聚合物。
可选地，所述磺酸基导电聚合物为聚β-磺酸乙基噻吩。
本发明实施例提供的一种锂离子动力电池，包括由正极片、负极片以及隔膜组成的电芯体、电解液、壳体，其中，
所述隔膜间隔在任意相邻的两正极片、负极片之间，
所述电芯体、电解液被封装在所述壳体内，所述电芯体浸泡在所述电解液中，
在所述正极片上涂覆有正极电极材料，所述正极电极材料由以下质量配比的各组分组成：正极活性物质：93%-95%；导电性粘结剂：0.5%-1.5%；聚偏氟乙烯：1.5%-2.5%；碳纳米管：0.5%-3%；导电碳黑：0%-2.5%；
在所述负极片上涂覆有负极电极材料，所述正极电极材料由以下质量配比的各组分组成：负极活性物质：93%-95%；导电性粘结剂：0.5%-1.5%；聚偏氟乙烯：1.5%-2.5%；碳纳米管：0.5%-3%；导电碳黑：0%-2.5%。
可选地，所述正极活性物质为：磷酸铁锂、或者锰酸锂。
所述负极活性物质为：钛酸锂。
可选地，所述正极活性物质在所述正极材料中的质量百分比含量为：94%；
所述负极极活性物质在所述负极材料中的质量百分比含量为：94%。
可选地，所述导电性粘结剂为磺酸基导电聚合物。
由上可见，应用本实施例技术方案，由于在本实施例的电极材料中增加了碳纳米管，，从而与其他颗粒状活性成分形成点线接触的桥状结构，有利于增大与活性成分之间的导电接触点，，从而与其他颗粒状活性成分形成点线接触的桥状结构，有利于增大与活性成分之间的导电接触点，从而大大提高了锂离子电池的导电性，有利于提高电池的倍率性能和安全性以及使用寿命。
另外，本发明技术方案中采磺酸基导电聚合物作为用粘结剂，该粘结剂可以增加导电聚合物的溶解性。在电芯体浸泡在电解液中后，可以提高电极材料中活性物质的溶解性，使其可充分溶解在电解液中，有利于提高锂离子的导电能力，提高锂离子电池的导电性，最终有利于提高电池的倍率性能、安全性以及延长使用寿命。
另外，本实施例的正极材料采用钛酸锂，可以使锂离子电池具有循环寿命长，放电电压平稳，而且电解液不致发生分解，提高锂电池安全性能；放电平台可达1.8V，且平台非常平坦且是一种“零应变材料”，锂离子具有很好的迁移性，与碳负极材料相比，钛酸锂具有高的锂离子扩散系数(为2 *10-8cm2/s)，可高倍率充放电，且在循环应用过程中，钛酸锂的电势比纯金属锂的高，不易产生锂晶枝，进一步为保障锂电池的安全提供了保障。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明对实施例中对实施例2电池进行上述的测试，得到的倍率放电曲线；
图2为本发明对实施例中对对比例电池进行上述的测试，得到的倍率放电曲线。
附图说明：
101：图1中实施例2电池在1C倍率放电时的放电曲线；
102：图1中实施例2电池在20C倍率放电时的放电曲线；
103：图1中实施例2电池在30C倍率放电时的放电曲线；
104：图1中实施例2电池在40C倍率放电时的放电曲线；
201：图2中对比例锂离子电池在1C倍率放电时的放电曲线；
202：图2中对比例锂离子电池在20C倍率放电时的放电曲线；
203：图2中对比例锂离子电池在30C倍率放电时的放电曲线。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
本实施例提供的一种锂离子电池，该电池包括电芯体、电解液、壳体。其中，电芯体、电解液被封装在所述壳体内，所述电芯体浸泡在所述电解液中。
电芯体由正极片、负极片以及隔膜组成，隔膜间隔在任意相邻的正极片与负极片之间。
在电芯体的各正极片表面分别涂覆固定有正极材料，该正极材料由磷酸铁锂、导电性粘结剂、聚偏氟乙烯、碳纳米管组成。各成分的质量百分比如下：磷酸铁锂：93%，导电性粘结剂（选用磺酸基导电聚合物）：1.5%，聚偏氟乙烯： 2.5%，碳纳米管：3%。
其中在负极片上涂覆固定有负极材料，该负极材料由负极活性物质钛酸锂、导电性粘结剂、聚偏氟乙烯、碳纳米管组成。各成分的质量百分比如下：钛酸锂：93%，导电性粘结剂（选用磺酸基导电聚合物）：1.5%，聚偏氟乙烯：2.5%，碳纳米管：3%。
由上可见，应用本实施例技术方案，由于在本实施例的电极材料中增加了碳纳米管，，从而与其他颗粒状活性成分形成点线接触的桥状结构，有利于增大与活性成分之间的导电接触点，，从而与其他颗粒状活性成分形成点线接触的桥状结构，有利于增大与活性成分之间的导电接触点，从而大大提高了锂离子电池的导电性，有利于提高电池的倍率性能和安全性以及使用寿命。
另外，本发明技术方案中采磺酸基导电聚合物作为用粘结剂，该粘结剂可以增加导电聚合物的溶解性。在电芯体浸泡在电解液中后，可以提高电极材料中活性物质的溶解性，使其可充分溶解在电解液中，有利于提高锂离子的导电能力，提高锂离子电池的导电性，最终有利于提高电池的倍率性能、安全性以及延长使用寿命。
 
另外，本实施例的正极材料采用钛酸锂，可以使锂离子电池具有循环寿命长，放电电压平稳，而且电解液不致发生分解，提高锂电池安全性能；放电平台可达1.8V，且平台非常平坦且是一种“零应变材料”，锂离子具有很好的迁移性，与碳负极材料相比，钛酸锂具有高的锂离子扩散系数(为2 *10-8cm2/s)，可高倍率充放电，且在循环应用过程中，钛酸锂的电势比纯金属锂的高，不易产生锂晶枝，进一步为保障锂电池的安全提供了保障。
实施例2：
本实施例提供的一种锂离子电池，该电池的结构与实施例1相同，与实施例1的不同主要在于涂覆在正极片、负极片上的正极材料、负极材料的组分不同。
其中该正极材料由磷酸铁锂、导电性粘结剂、聚偏氟乙烯、导电碳黑、碳纳米管组成。
各成分的质量百分比如下：磷酸铁锂：94%，导电性粘结剂（选用磺酸基导电聚合物）：1.0%，聚偏氟乙烯： 2.0%，碳纳米管：2.5%；导电碳黑：0.5%。
其中在负极片上涂覆固定有负极材料，该负极材料由钛酸锂、导电性粘结剂、聚偏氟乙烯、导电碳黑、碳纳米管组成。
各成分的质量百分比如下：钛酸锂：94%，导电性粘结剂：1.0%，聚偏氟乙烯： 2.0%，碳纳米管：2.5%；导电碳黑：0.5%。
本实施例的有益效果以及原理与实施例1基本相同，其不同点在于本实施例中加入了传统的导电碳黑，其与碳纳米管通过点线物理接触的桥接结构在有效节约物料成本的基础上，有效提高电池各极片材料的导电性能。
实施例3：
本实施例提供的一种锂离子电池，该电池的结构与实施例1相同，与实施例1、2的不同主要在于涂覆在正极片、负极片上的正极材料、负极材料的组分不同。
其中该正极材料由磷酸铁锂、导电性粘结剂、聚偏氟乙烯、导电碳黑、碳纳米管组成。
各成分的质量百分比如下：磷酸铁锂：95%，导电性粘结剂：0.5%，聚偏氟乙烯：1.5%，碳纳米管：0.5%；导电碳黑：2.5%。
其中在负极片上涂覆固定有负极材料，该负极材料由钛酸锂、导电性粘结剂、聚偏氟乙烯、导电碳黑、碳纳米管组成。
各成分的质量百分比如下：钛酸锂：95%，导电性粘结剂：0.5%，聚偏氟乙烯：1.5%，碳纳米管：0.5%；导电碳黑：2.5%。
本实施例的有益效果以及原理与实施例1基本相同。
实施例4：
本实施例提供的一种锂离子电池，其与实施例1的不同主要在于正极材料为：锰酸锂。
本实施例的有益效果以及原理与实施例1基本相同。
实施例5：
本实施例提供的一种锂离子电池，其与实施例2的不同主要在于正极材料为：锰酸锂。
本实施例的有益效果以及原理与实施例1基本相同。
实施例6：
本实施例提供的一种锂离子电池，其与实施例3的不同主要在于正极材料为：锰酸锂。
本实施例的有益效果以及原理与实施例1基本相同。
实验结果分析对比：
为了进一步说明本发明各实施例的效果，以下结合试验数据对本发明技术方案的效果进行分析：
试验项目：在1C、20C、30C、40C下分别进行放电，得到倍率放电曲线。
试验工具：高倍率充放电检测设备生产供应商,深圳市新威尔电池检测设备。
试验样品：
1、对比例电池：该电池与实施例1-6结构相同所不同之处仅仅在于： 
正极片的正极材料各成分的质量百分比如下：磷酸铁锂：94%，导电性粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)：1.5%，聚偏氟乙烯：2.0%，导电碳黑：2.5%。
负极片的正极材料各成分的质量百分比如下：钛酸锂：94%，导电性粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)：1.5%，聚偏氟乙烯：2.0%，导电碳黑：2.5%。
对对比例电池进行上述的测试，得到的图2所示的倍率放电曲线。
2、实施例2电池。
由上表可见，应用本发明实施例技术方案有利于大大提高锂离子的导电能力，有利于提高电池的倍率性能和安全性以及使用寿命。
对实施例2电池进行上述的测试，得到的图1所示的倍率放电曲线。
对比图1、2可见，应用本实施例技术方案有利于大大提高锂离子电池在高倍率放电时的放电平台，改善电池的倍率放电性能。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种锂离子电极材料，其特征是，由以下质量配比的各组分组成：
活性物质：93%-95%；
导电性粘结剂：0.5%-1.5%；
聚偏氟乙烯：1.5%-2.5%；
碳纳米管：0.5%-3%；
导电碳黑：0%-2.5%。
2.根据权利要求1所述的锂离子电极材料，其特征是，
所述活性物质为：磷酸铁锂、或者锰酸锂。
3.根据权利要求1所述的锂离子电极材料，其特征是，
所述活性物质为：钛酸锂。
4.根据权利要求1或2或3所述的锂离子电极材料，其特征是，
所述活性物质的含量为：94%。
5.根据权利要求1或2或3所述的锂离子电极材料，其特征是，
所述导电性粘结剂为磺酸基导电聚合物。
6.根据权利要求5所述的锂离子电极材料，其特征是，
所述磺酸基导电聚合物为聚β-磺酸乙基噻吩。
7.一种锂离子动力电池，其特征是，包括由正极片、负极片以及隔膜组成的电芯体、电解液、壳体，其中，
所述隔膜间隔在任意相邻的两正极片、负极片之间，
所述电芯体、电解液被封装在所述壳体内，所述电芯体浸泡在所述电解液中，
在所述正极片上涂覆有正极电极材料，所述正极电极材料由以下质量配比的各组分组成：
正极活性物质：93%-95%；
导电性粘结剂：0.5%-1.5%；
聚偏氟乙烯：1.5%-2.5%；
碳纳米管：0.5%-3%；
导电碳黑：0%-2.5%；
在所述负极片上涂覆有负极电极材料，所述正极电极材料由以下质量配比的各组分组成：
负极活性物质：93%-95%；
导电性粘结剂：0.5%-1.5%；
聚偏氟乙烯：1.5%-2.5%；
碳纳米管：0.5%-3%；
导电碳黑：0%-2.5%。
8.根据权利要求7所述的一种锂离子动力电池，其特征是，
所述正极活性物质为：磷酸铁锂或者锰酸锂；
所述负极活性物质为：钛酸锂。
9.根据权利要求7或8或9锂离子动力电池，其特征是，
所述正极活性物质在所述正极材料中的质量百分比含量为：94%；
所述负极极活性物质在所述负极材料中的质量百分比含量为：94%。
10.根据权利要求7或8或9锂离子动力电池，其特征是，
所述导电性粘结剂为磺酸基导电聚合物。
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