CN214428670U - 一种可低温充电的锂离子电池 - Google Patents

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苏球
付洋洋
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Abstract

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种可低温充电的锂离子电池，包括：正极片；第一负极片，设置于所述正极片的一侧，所述第一负极片包括第一负极集流体以及设置于所述第一负极集流体表面的第一负极材料层，所述第一负极材料层为钛酸锂材料层；第二负极片，设置于所述正极片的另一侧，所述第二负极片包括第二负极集流体以及设置于所述第二负极集流体表面的第二负极材料层，所述第二负极材料层的嵌锂电位小于钛酸锂材料层的嵌锂电位；隔膜，设置于所述第一负极片与所述正极片之间以及所述第二负极片与所述正极片之间。相比于现有技术，本实用新型的锂离子电池改善低温条件下的充电性能，特别是超低温条件下的大倍率充电性能。

Description

一种可低温充电的锂离子电池
技术领域
本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种可低温充电的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池因质量轻、比能量高、寿命长、易于包装和高安全性能的优势，被广泛应用与各种电子设备，近五年来市场需求呈稳步增长趋势。随着锂离子电池的广泛应用，各种电子设备的使用条件也对锂离子电池有更苛刻的要求。例如锂离子电池的温度特性。普通锂离子电池，在-20℃条件下，放电仅为初始容量的50％～60％，而低温充电更是只能满足0℃以上的充电条件。传统锂离子电池的这一问题显然不能满足一些室外应用领域，例如军工兵器、航天航空、车载电源、极地科考、寒带抢险、电力通信、公共安全、铁路、船舶、机器人等。
在低温环境中，影响锂离子电池充放电的主要因素有：1)电解液黏度随着温度的降低而明显升高，Li+传输速率缓慢，电导率急剧下降；2)Li+的固液相扩散速率降低，动力学性能下降，电子和Li+在负极界面的传输速率降低，特别是对于石墨类负极体系，此点愈发明显，大大影响了锂离子电池的低温性能。
目前行业内的一些改善低温的方案有：优化正、负电极电导率，选取合适低熔点电解液，优化低温下电解液与正极界面、固相电解质膜(SEI)与负极界面的电荷交换阻抗等，但此类措施更多的是改善锂离子电池的低温放电性能，其对低温充电性能改善并不明显。由于低温充电时石墨负极由于动力学性能差而极易出现锂枝晶析出的问题。因此，为了改善低温充电性能，有人使用钛酸锂作为负极来进行改善。这是因为钛酸锂由于本身尖晶石性结构，具有循环性能好、锂离子扩散系数高(为2*10-8cm2/s)、嵌锂电位高，不易产生锂枝晶等特点。但是，使用钛酸锂作为负极由于其电压平台过高会导致全电池的电压平台低，能量密度太低而无法满足一些对能量密度有较高要求的应用。同时钛酸锂相对于石墨负极其价格更高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种可低温充电的锂离子电池，改善低温条件下的充电性能，特别是超低温条件下的大倍率充电性能。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种可低温充电的锂离子电池，包括：
正极片；
第一负极片，设置于所述正极片的一侧，所述第一负极片包括第一负极集流体以及设置于所述第一负极集流体表面的第一负极材料层，所述第一负极材料层为钛酸锂材料层；
第二负极片，设置于所述正极片的另一侧，所述第二负极片包括第二负极集流体以及设置于所述第二负极集流体表面的第二负极材料层，所述第二负极材料层的嵌锂电位小于钛酸锂材料层的嵌锂电位；
隔膜，设置于所述第一负极片与所述正极片之间以及所述第二负极片与所述正极片之间。
作为本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一种改进，所述钛酸锂材料层的嵌锂电位为1.55V，所述第二负极材料层的嵌锂电位为0.2V。
作为本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一种改进，所述锂离子电池为方形结构的叠片式电池。
作为本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一种改进，所述锂离子电池为圆柱状结构的卷绕式电池。
作为本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一种改进，所述第一负极片电连接有第一负极极耳，所述第二负极片设置有第二负极极耳，所述第一负极极耳和所述第二负极极耳电连接。
作为本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一种改进，所述第一负极极耳和所述第二负极极耳均为镍极耳。
作为本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一种改进，所述第一负极集流体和所述第二负极集流体为铜箔。
作为本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一种改进，所述正极片包括正极集流体以及设置于所述正极集流体表面的正极材料层，所述正极材料层包括磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂中的至少一种。
作为本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一种改进，所述正极集流体为铝箔。
作为本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一种改进，所述正极片电连接有正极极耳，所述正极极耳为铝极耳。
相比于现有技术，本实用新型的有益效果在于：本实用新型的锂离子电池采用两种不同的负极片进行搭配使用，初始充电时，锂离子嵌入第一负极片，第一负极片其第一负极材料层为钛酸锂材料层，钛酸锂的尖晶石结构和高的嵌锂电位可以在低温条件下实现大倍率充电不析锂，同时充电过程中电流会带来温升，使电芯内部温度上升，从而改善电解液的粘度；当第一负极片嵌锂完全后，负极电位持续下降到第二负极片的嵌锂电位，此时由于温度上升后第二负极片中活性材料的动力学性能得到改善，第二负极片也可以进行正常嵌锂，从而达到电芯低温大倍率充电的目的。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是实施例1的锂离子电池的充放电曲线图。
其中：1-正极片，2-第一负极片，3-第二负极片，4-隔膜，11-正极集流体， 12-正极材料层，21-第一负极集流体，22-第一负极活性材料层，31-第二负极集流体，32-第二负极材料层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图，对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式并不限于此。
参考图1，本实用新型提供一种可低温充电的锂离子电池，包括：
正极片1；
第一负极片2，设置于正极片1的一侧，第一负极片2包括第一负极集流体21以及设置于第一负极集流体21表面的第一负极材料层22，第一负极材料层22为钛酸锂材料层；
第二负极片3，设置于正极片1的另一侧，第二负极片3包括第二负极集流体31以及设置于第二负极集流体31表面的第二负极材料层32，第二负极材料层32的嵌锂电位小于钛酸锂材料层的嵌锂电位；优选的，第二负极材料层包括石墨、硅、硅碳复合材料和硅氧材料中的至少一种；
隔膜4，设置于第一负极片2与正极片1之间以及第二负极片3与正极片 1之间。
实用新型人发现，在进行充电时，锂离子从正极脱出，由于第一负极片2 中钛酸锂的嵌锂电位比第二负极片3的材料嵌锂电位高，此时刚开始脱出的锂离子会先嵌入到第一负极片2的钛酸锂材料中；当第一负极片2的钛酸锂嵌锂完全后，负极电位持续下降到第二负极片3的材料嵌锂电位时，此时锂离子开始从正极脱出嵌入到第二负极片3的第二负极材料层31中，最终电芯电压达到电压上限停止充电。而锂电池的析锂电位发生在负极电压为0V时，此结构具有两个不同电压平台，均高于0V，无析锂造成的安全风险，同时钛酸锂为在循环中材料本身结构形变为0，较单一石墨负极的循环稳定。另外，由于充电过程中电流会带来温升，使电芯内部温度上升，不仅能改善电解液的粘度，还能改善第二负极片3中活性材料的动力学性能，因此，当第一负极片2嵌锂完全后，负极电位持续下降到第二负极片3的嵌锂电位时，第二负极片3也可以进行正常嵌锂，从而达到电芯低温大倍率充电的目的。因此，本实用新型可以改善低温条件下的充电性能，特别是超低温条件下的大倍率充电性能；同时，本实用新型相较于传统的钛酸锂电池提升了能量密度和成本优势。
在本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一些实施方式中，钛酸锂材料层的嵌锂电位为1.55V，第二负极材料层32的嵌锂电位为0.2V。
在本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一些实施方式中，锂离子电池为方形结构的叠片式电池。
在本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一些实施方式中，锂离子电池为圆柱状结构的卷绕式电池。
在本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一些实施方式中，第一负极片2电连接有第一负极极耳，第二负极片3设置有第二负极极耳，第一负极极耳和第二负极极耳电连接。其中，第一负极片2和第二负极片3通过第一负极极耳和第二负极极耳焊接，每层负极片为并联，做成等电位状态。
在本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一些实施方式中，第一负极极耳和第二负极极耳均为镍极耳。
在本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一些实施方式中，第一负极集流体21和第二负极集流体31为铜箔。
在本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一些实施方式中，正极片 1包括正极集流体11以及设置于正极集流体11表面的正极材料层12，正极材料层12包括磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂中的至少一种。
在本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一些实施方式中，正极集流体11为铝箔。
在本实用新型所述的可低温充电的锂离子电池的一些实施方式中，正极片 1电连接有正极极耳，正极极耳为铝极耳。
下面结合实施例，举例说明本实用新型的实施方案。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不意在限制本实用新型要求保护的范围。
实施例1
正极片的制备：
将钴酸锂粉末、导电碳、碳纳米管以及PVDF以规定比例混合，然后在高速搅拌机中加入NMP并均匀混合成固含量为74％的浆料；将该浆料使用转移涂布机涂布于厚度为12微米的铝箔单面，并干燥，保持单位面积涂层干燥后重量为17.8mg/cm2；然后在铝箔的另一面采用同样的工序涂布并干燥获得正极片。
第一负极片的制备：
将钛酸锂粉末、导电碳、碳纳米管、CMC以及SBR以指定比例混合，然后在高速搅拌机中加入去离子水并均匀混合成固含量为48％的浆料。将该浆料使用转移涂布机涂布于厚度为8微米的铜箔单面，并干燥，保持单位面积涂层干燥后重量为10.4mg/cm2。然后在铜箔的另一面采用同样的工序涂布并干燥获得第一负极片。
第二负极片的制备：
将石墨粉末、导电碳、碳纳米管、CMC以及SBR以指定比例混合，然后在高速搅拌机中加入去离子水并均匀混合成固含量为48％的浆料。将该浆料使用转移涂布机涂布于厚度为8微米的铜箔单面，并干燥，保持单位面积涂层干燥后重量为10.4mg/cm2。然后在铜箔的另一面采用同样的工序涂布并干燥获得第二负极片。
锂离子电池的制备：
将上述极片的裸露金属箔材部分加工并焊接成极耳，第一负极片和第二负极片焊接镍极耳引出端形成电芯的负极，正极极片焊接铝极耳引出端形成电芯的正极，然后与隔离膜层叠形成电芯；使用铝塑膜包裹电芯制成半成品电芯后注入电解液，经化成、分容步骤获得成品锂离子电池。
对比例1
与实施例1不同的是：
本对比例的第一负极片和第二负极片中活性材料均为石墨。
其余同实施例1，这里不再赘述。
性能测试
1)对实施例1的锂离子电池进行充放电测试，得到图2所示的充放电曲线图。
2)将实施例1的锂离子电池于-20℃下以0.5C进行充电，观察负极是否存在析锂，同样的，将对比例1的锂离子电池于0℃下以0.5C充电后，观察负极表面是否存在析锂。
测试结果
1)由图2可以看出，实施例1的可低温充电的锂离子电池充电时有两个平台，这是因为正极钴酸锂材料脱锂电位为3.7V～3.8V，第一负极片中钛酸锂的嵌锂电位为1.55V，第二负极片中石墨嵌锂电位为0.2V，第一负极片和第二负极片的嵌锂电位差异大使充电平台是明显分段，图中实测与理论吻合。放电曲线也有两个平台，其原因与充电相同。采用第一负极片、第二负极片的混合负极组合成电芯后，充放电平台电压分别在2.0V～3.0V和3.0V～4.2V。
2)实施例1的第二负极片因嵌锂后表面金黄色，极片表面无析锂现象；而对比例1的石墨负极表面析锂严重。在低温条件下充电后界面对比表明，本实用新型的锂离子电池可满足低温充电要求，较现有的锂离子电池有本质的改善。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (10)

1.一种可低温充电的锂离子电池，其特征在于，包括：
正极片；
第一负极片，设置于所述正极片的一侧，所述第一负极片包括第一负极集流体以及设置于所述第一负极集流体表面的第一负极材料层，所述第一负极材料层为钛酸锂材料层；
第二负极片，设置于所述正极片的另一侧，所述第二负极片包括第二负极集流体以及设置于所述第二负极集流体表面的第二负极材料层，所述第二负极材料层的嵌锂电位小于钛酸锂材料层的嵌锂电位；
隔膜，设置于所述第一负极片与所述正极片之间以及所述第二负极片与所述正极片之间。
2.根据权利要求1所述的可低温充电的锂离子电池，其特征在于，所述钛酸锂材料层的嵌锂电位为1.55V，所述第二负极材料层的嵌锂电位为0.2V。
3.根据权利要求1所述的可低温充电的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池为方形结构的叠片式电池。
4.根据权利要求1所述的可低温充电的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池为圆柱状结构的卷绕式电池。
5.根据权利要求1所述的可低温充电的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极片电连接有第一负极极耳，所述第二负极片设置有第二负极极耳，所述第一负极极耳和所述第二负极极耳电连接。
6.根据权利要求5所述的可低温充电的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极极耳和所述第二负极极耳均为镍极耳。
7.根据权利要求1所述的可低温充电的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极集流体和所述第二负极集流体为铜箔。
8.根据权利要求1所述的可低温充电的锂离子电池，其特征在于，所述正极片包括正极集流体以及设置于所述正极集流体表面的正极材料层。
9.根据权利要求8所述的可低温充电的锂离子电池，其特征在于，所述正极集流体为铝箔。
10.根据权利要求1所述的可低温充电的锂离子电池，其特征在于，所述正极片电连接有正极极耳，所述正极极耳为铝极耳。
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CN117133861A (zh) * 2023-10-27 2023-11-28 宁德时代新能源科技股份有限公司 负极极片、电池单体和用电装置

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