CN106876779A

CN106876779A - 一种快充锂离子二次电池

Info

Publication number: CN106876779A
Application number: CN201710115851.4A
Authority: CN
Inventors: 宋以仁; 敖晓凭
Original assignee: Zhangjiagang Jinsheng Lotus Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou weisibo System Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-03-01
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2037-03-01
Also published as: CN106876779B

Abstract

本发明公开了一种快充锂离子二次电池，所述电池包括正极体系和负极体系，所述负极体系包括以下质量分数的组分：竹炭粉30%~40%、多晶硅15~35%、锗材料10%~30%、镓化物5%~20%，所述镓化物选自氮化镓、锑化镓、硒化镓中的至少一种。本发明的锂离子二次电池，具有较高的快充性能，且在整个充电过程中，充电温升低，不超过12℃。本发明的电池安全性能高，即使在电池穿刺短路后，也不会产生高温、***的现象。

Description

一种快充锂离子二次电池

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种快充锂离子二次电池。

背景技术

锂离子电池作为一种清洁环保的功能元件，目前已经在越来越多的领域得到了越来越广泛的应用。例如，在消费电子产品领域、电动车领域、储能***领域以及最近新兴的平衡车领域等。

其中，人们常用的消费电子产品，如手机和笔记本电脑等数码产品，随着其智能终端的升级，耗电量也随之增加，一般情况下智能移动设备充满电约需要2~4h，给用户带来了诸多不便，因此，怎样缩短锂电池的充电时间成为锂电池广泛使用急待解决的问题。现有技术中，为了解决上述问题，申请号2014105430735（可快充的锂离子电池）中提出，将镍钴铝酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂等具有高克容量和高电压平台特性的材料与磷酸铁锂和钛酸锂等具有优异倍率性能和安全性能的材料进行简单的物理混合得到的正极材料，在充电过程中，能够延长低电压恒流充电的时间，提升充电速度。但是，其在实际充电过程中，充电12min时，其充电流量仅能达到满容量的60%左右，还不能完全满足客户的需求。为此，如何进一步提高充电速度，是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种快充锂离子二次电池，该电池具有良好的快充性能及优异的循环寿命、电池在充电过程中温升小。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种快充锂离子二次电池，所述电池包括正极体系和负极体系，所述负极体系包括以下质量分数的组分：竹炭粉30%~40%、多晶硅15~35%、锗材料10%~30%、镓化物5%~20%，所述镓化物选自氮化镓、锑化镓、硒化镓中的至少一种。

优选地，所述负极体系中还掺杂有1%~5%的氟化物，所述氟化物选自六氟化四碳、四氟化碳中的一种或两者的组合。

优选地，所述锗材料为纳米锗、二氧化锗中的一种或两者的组合。

优选地，所述正极体系包括以下质量分数的组分：锰酸锂20%~35%、镍钴锰酸锂15%~30%；镍钴铝酸锂10%~35%；钛酸锂5%~15%、M的含锂氧化物5%~10%；其中，M选自铯、钾、镨、钨、钒、铒、铷、铕中的至少两种元素。

进一步优选地，所述正极体系中还掺杂有1%~5%的镓化物，所述镓化物选自砷化镓、碲化镓、锑化镓、硒化镓中的至少一种。

更进一步优选地，所述正极体系中含有2%~3%的镓化物。

进一步优选地，所述M的含锂氧化物是由铯、镨及铕元素的含锂氧化物混合而成的。

进一步优选地，所述正极体系还掺杂有0.5%~1%的N的氧化物，其中，N选自镁、锌、铬、铜中的至少一种元素。

优选地，所述锂离子二次电池的电解液中添加有2,4-二硝基苯胺、氟代碳酸乙烯酯、N-甲基甲酰胺、乙腈中的至少两种。

优选地，所述锂离子二次电池的电解液中的电解质选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷化锂、二草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂中的至少一种。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的锂离子二次电池，其负极采用了渗透能力强的竹炭粉，从而有效提高了锂离子进出负极的速度；同时配合使用多晶硅、锗材料、镓化物，使得本发明的锂离子电池即使在电池穿刺短路后，也不会产生高温、***，电池的安全性能得到了有效保证。本发明的锂离子二次电池，以容量为5000mAH的电池为例，其在常温下，采用5C恒流充电至4.2V，再以4.2V的恒压充电至0.05C，期间，恒流充电时间8min时，其充电量能达到满容量的70.7%，而整个电池充满时间不超过42min，且其充电过程中的最大温升不超过12℃。同时，采用5C充/1C放循环500次后，其容量保持率仍能到达98.3%以上。

附图说明

附图1为本发明的实施例1与对比例的5C充电速度曲线及温升曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

实施例1

本例中，提供了一种锂离子二次电池。

正极体系由如下质量分数的组分组成：锰酸锂30%、镍钴锰酸锂25%、镍钴铝酸锂30%、钛酸锂10%、M的含锂氧化物5%，其中，M的含锂氧化物包括钾的含锂氧化物2%、钒的含锂氧化物3%。

负极体系由如下质量分数的组分组成：竹炭粉35%、多晶硅25%、锗材料25%、镓化物15%，其中，锗材料为纳米锗，镓化物包括氮化镓5%、硒化镓10%。

本例中的锂离子电池，其电解液的电解质为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂的混合物；其添加剂中添加了2,4-二硝基苯胺、氟代碳酸乙烯酯。

当然，该锂电池的电解液中的添加剂可以是2,4-二硝基苯胺、氟代碳酸乙烯酯、N-甲基甲酰胺、乙腈中的至少两种。

该锂离子二次电池的电解液中的电解质选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷化锂、二草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂中的至少一种

实施例2

本例中的锂离子电池与实施例1相比，其不同之处在于，本例中的锂离子电池，其正极体系是由如下质量分数的组分组成的：锰酸锂25%、镍钴锰酸锂30%、镍钴铝酸锂20%、钛酸锂12%、M的含锂氧化物10%、镓化物3%，其中，M的含锂氧化物包括铯的含锂氧化物2%、镨的含锂氧化物2%、铷的含锂氧化物6%；镓化物包括砷化镓1%、碲化镓2%。

实施例3

本例中的锂离子电池与实施例1相比，其不同之处在于，本例中的锂离子电池，其正极体系是由如下质量分数的组分组成：锰酸锂35%、镍钴锰酸锂15%、镍钴铝酸锂25%、钛酸锂15%、M的含锂氧化物6%、镓化物4%，其中，M的含锂氧化物包括钾的含锂氧化物1%、钨的含锂氧化物2%、铒的含锂氧化物1%、铷的含锂氧化物1%、铕的含锂氧化物1%；镓化物包括碲化镓1%、锑化镓2%、硒化镓1%。

实施例4

本例中的锂离子电池与实施例3相比，其不同之处在于，本例中的锂离子电池，其负极体系是由如下质量分数的组分组成：竹炭粉30%、多晶硅30%、锗材料27%、镓化物10%、氟化物3%，其中，该锗材料为二氧化锗；镓化物包括氮化镓3%、锑化镓4%、硒化镓3%；氟化物包括六氟化四碳1%、四氟化碳2%。

实施例5

本例中的锂离子电池与实施例1相比，其不同之处在于，本例中的锂离子电池，其负极体系是由如下质量分数的组分组成：竹炭粉32%、多晶硅33%、锗材料24%、镓化物9%、氟化物2%，其中的锗材料为二氧化锗和纳米锗的混合物；镓化物包括锑化镓5%、硒化镓4%；氟化物包括六氟化四碳2%。

实施例6

本例中的锂离子电池与实施例5相比，其不同之处在于，本例中的锂离子电池，其正极体系是由如下质量分数的组分组成：锰酸锂27%、镍钴锰酸锂23%、镍钴铝酸锂35%、钛酸锂5%、M的含锂氧化物6%、镓化物4%，其中的M的含锂氧化物包括铯的含锂氧化物3%、镨的含锂氧化物2%、铕的含锂氧化物1%；镓化物包括砷化镓2%、锑化镓1%、硒化镓1%。

实施例7

本例中的锂离子电池与实施例6相比，其不同之处在于，本例中的锂离子电池，其正极体系是由如下质量分数的组分组成：锰酸锂20%、镍钴锰酸锂30%、镍钴铝酸锂30%、钛酸锂10%，M的含锂氧化物5.5%、镓化物4%、N的氧化物0.5%，其中的M的含锂氧化物包括铯的含锂氧化物0.5%、钾的含锂氧化物2%、钨的含锂氧化物1%、铒的含锂氧化物1%、铷的含锂氧化物1%；镓化物包括碲化镓2%、硒化镓2%；N的氧化物包括氧化锌0.3%、氧化铬0.2%。

对比例

正极体系由如下质量分数的组分组成：镍钴锰酸锂80%、磷酸铁锂15%、导电剂炭黑2.5%、粘结剂聚偏氟乙烯2.5%。

负极体系由如下质量分数的组分组成：天然石墨94%、导电剂炭黑2%、粘结剂聚偏氟乙烯2%、稳定剂羧甲基纤维素钠2%。

电解液，其有机溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸乙烯酯的混合物，三者的体积比为2：2：3，添加剂包括占电解液总质量的质量比为1%的PS和占电解液总质量的质量比2%的FEC，锂盐为六氟硼酸锂。

对实施例1至7和对比例提供的电池进行容量和充放电测试，其所测电池的容量均为5000mAH，充电方式以5C恒流充电至4.2V，再以4.2V恒压充电至0.05C。其中，充电结果及充电过程中的温升见表1。

另外，对实施例1至7和对比例提供的电池进行循环寿命测试，循环设为5C充电/1C放电的加速循环，所得结果见表1。

表1 实施例1至7和对比例的电池的测试结果。

从表1中，我们可以看出，相对于对比例来说，本发明的锂离子二次电池的充电速度更快，且温升低，使得电池在使用过程中更加安全。同时，从表中，我们可以看出，在其他条件相同的情况下，在正极材料中添加镓化物，能够提高电池的充电速度；在其他条件相同的情况下，在正极材料中添加了镁、锌、铬、铜中两种或以上的元素的氧化物也能提高电池的充电速度；或是，在其他条件相同的情况下，在负极材料中添加六氟化四碳、四氟化碳中的一种或两者的结合，也能提高电池的充电速度。从表1中，我们可以看出，实施例7中的电池的充电速度最快，且温升还低。同时，本发明的锂离子电池经过5C充电、1C放电，500次循环后，其容量保持率仍能保持98.3%以上。

此外，图1中还给出了实施例1与对比例的5C（倍率）充电速度曲线，由表1和图1可以看出，本发明的电池相较于对比例的电池，具有更高的充电速度提升，且恒流段充电8min，就能达到满容量的70.7%，同时本发明的电池与对比例相比，其在充电过程中的温升要小的多。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种快充锂离子二次电池，所述电池包括正极体系和负极体系，其特征在于，所述负极体系包括以下质量分数的组分：竹炭粉30%~40%、多晶硅15~35%、锗材料10%~30%、镓化物5%~20%，所述镓化物选自氮化镓、锑化镓、硒化镓中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述负极体系中还掺杂有1%~5%的氟化物，所述氟化物选自六氟化四碳、四氟化碳中的一种或两者的组合。

3.根据权利要求1所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述锗材料为纳米锗、二氧化锗中的一种或两者的组合。

4.根据权利要求1所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述正极体系包括以下质量分数的组分：锰酸锂20%~35%、镍钴锰酸锂15%~30%；镍钴铝酸锂10%~35%；钛酸锂5%~15%、M的含锂氧化物5%~10%；其中，M选自铯、钾、镨、钨、钒、铒、铷、铕中的至少两种元素。

5.根据权利要求4所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述正极体系中还掺杂有1%~5%的镓化物，所述镓化物选自砷化镓、碲化镓、锑化镓、硒化镓中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述正极体系中含有2%~3%的镓化物。

7.根据权利要求4所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述M的含锂氧化物是由铯、镨及铕元素的含锂氧化物混合而成的。

8.根据权利要求4所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述正极体系还掺杂有0.5%~1%的N的氧化物，其中，N选自镁、锌、铬、铜中的至少一种元素。

9.根据权利要求1所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述锂离子二次电池的电解液中添加有2,4-二硝基苯胺、氟代碳酸乙烯酯、N-甲基甲酰胺、乙腈中的至少两种。

10.根据权利要求1至9任一项权利要求所述的快充锂离子二次电池，其特征在于，所述锂离子二次电池的电解液中的电解质选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷化锂、二草酸硼酸锂、三氟甲磺酸锂中的至少一种。