專利名稱：：鋰離子動力電池的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種電池，特別是一種鋰離子動力電池。技術背景伴隨著科技發展和社會進步，人類對能源的需求越來越大。以鉛酸蓄電池為主的傳統動力電池在人類生活中扮演著重要角色。鉛酸蓄電池以其優良的性能和成本優勢，主導著世界蓄電池產業，在電動汽車、混合動力車、風力發電、太陽能電池以及電力蓄電池等方面，鉛酸蓄電池仍然列為首選電源。傳統的鉛酸蓄電池成本低廉，制作簡單，而且具有較高的體積比能量和質量比容量。世界各國從板柵材料和電池結構方面入手，相繼發明了一些新型板柵材料，如銅拉網板柵、鉛布等，其重量比能量可以提高到50Wh/kg，這些研究成果將鉛酸蓄電池性能向前推進一步，但是增長幅度有限，不能滿足大功率、高能量的要求。而且鉛酸蓄電池本身存在許多不足，特別是體積大、重量大、活性物質比效率低等。重量比能量低(平均30-40Wh/kg)是其最大的不足和缺點。現代社會對環境保護的要求越來越高，鉛酸蓄電池含有重金屬鉛，嚴重危害環境，對人體也有毒害作用。
發明內容本發明的目的是提供一種鋰離子動力電池，要解決的技術問題是提高動力電池的重量比能量、保護環境。本發明采用以下技術方案一種鋰離子動力電池，具有電池外殼、負極、正極、電解液和隔膜，所述負極含有占負極材料90%93%質量比的鈦酸鋰活性物質，所述正極含有占正極材料88%90%質量比的磷酸釩鋰活性物質，所述電解液含有碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、碳酸二甲酯DMC、碳酸二乙酯DEC、二甲醚DME和碳酸甲乙酯EMC中的一種以上混合的有機溶劑。本發明的負極由粘結劑、鈦酸鋰活性物質和導電劑按2%5%:90%93%:3%5%質量比組成。本發明的鈦酸鋰活性物質的化學式為Li4Ti5012。本發明的鈦酸鋰活性物質的粒徑為13-35pm。本發明的負極設有集流體，集流體為銅箔或鋁箔。本發明的正極由粘結劑、磷酸釩鋰活性物質和導電劑3%5%:88%90%:5%7%組成。本發明的磷酸釩鋰活性物質的化學式為Li3V2(P04)3。本發明的磷酸釩鋰活性物質的粒徑為13-35pm。本發明的正極設有集流體，集流體為鋁箔。本發明的粘結劑是聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。本發明的導電劑是乙炔黑、導電石墨、碳納米管或納米碳纖維。本發明電解液中含有的電解質是導電鋰鹽LiPF6、LiC104或LiAsF6。本發明的隔膜為聚丙烯膜、聚乙烯膜或丙烯與乙烯的共聚物膜。本發明的外殼是塑料外殼、金屬外殼或者金屬合金外殼。本發明鋰離子動力電池通過串聯電池單體或并聯電池單體構成。本發明與現有技術相比，電池負極含有鈦酸鋰活性物質，正極含有磷酸釩鋰活性物質，電解液為混合有機溶液的電池，具有較高的安全性能、良好的倍率性能、循環性能和長的循環壽命，并且制造簡單，成本低廉，同時，本發明的電池完全沒有環境污染，無泄露、儲存壽命長，易于小型化，而且使用溫度范圍廣泛，可以取代目前廣泛使用的鉛酸蓄電池。圖1是本發明實施例1的電池單體的放電曲線圖。圖2是本發明實施例1的電池單體的循環曲線圖。圖3是本發明對比例1的鉛酸蓄電池的放電曲線圖。圖4是本發明對比例1的鉛酸蓄電池的循環曲線圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。本發明的鋰離子電池采用鈦酸鋰作為電池負極活性物質。尖晶石鈦酸鋰Li4TisOi2是一種金屬鋰和低電位過渡金屬鈦的復合氧化物，屬于AB2X4系歹l」，其晶體結構與尖晶石LiMri204相似，可寫為Li[LimTi5n]04,空間點陣群為Fd3m,具有鋰離子的三維擴散通道。其中，0:位于32e,構成FCC點陣，部分Lr位于四面體8a位置，乘1余的1^+和Ti"以l:5的比例隨機分布在八面體16d位置。因此，可根據結構將其描述為Li8a[L"/3Ti5/3]i6d32e。本發明采用磷酸釩鋰作為電池正極活性物質。磷酸釩鋰Li3V2(P04)3是三斜晶系，在其三維結構中，po^代替了比狡小的o2、這有助于增加結構的穩定性并加快鋰離子遷移，而且離子取代能夠通過兩個方面來改變電位。一是誘導效應，改變了離子對，改變了金屬離子的能級；另一個是通過提供比較多的電子，改變鋰離子的濃度，易于氧化還原反應的發生。在三維結構中，金屬八面體和磷酸根四面體分享氧原子，每個金屬釩原子被六個四面體的磷原子包圍，同時四面體磷被四個釩八面體所包圍，這種構造形成三維的網狀結構，鋰原子處于這個框架結構的孔穴里，三個四重的晶體位置為鋰原子存在，導致了在一個結構單元中有十二個鋰原子的位置。本發明采用乙炔黑、導電石墨、碳納米管或納米碳纖維導電物質作為導電劑，聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯作為粘結劑，以含有電解質LiPF6、LiC104或LiAsF6的混合有機溶劑為電解液，有機溶劑為碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、碳酸二甲酉旨DMC、碳酸二乙酯DEC、二甲醚DME和碳酸甲乙酯EMC中的一種以上的混合有機溶劑。本發明采用銅箔和鋁箔分別為負極和正極的集流體，聚丙烯膜、聚乙烯膜或丙烯與乙烯的共聚物膜為隔膜，塑料、金屬或者合金為電池外殼。本發明采用并聯和串聯的方式連接電池單體，以達到所要求的電壓和電流。1、本發明的電池單體制備將!^4115012、導電劑和粘結劑按照比例混合均勻，涂敷在銅箔上，烘干之后壓實，按照一定的尺寸剪切，制作為負極極片。將Li3V2(P04)3、導電劑和粘結劑按照比例混合均勻，涂敷在鋁箔上，烘干之后壓實，按照一定的尺寸剪切，制作為正極極片。將正極極片、隔膜和負極極片按照順序疊加在一起，裝入塑料電池外殼中，加入有導電鋰鹽的電解液，密封之后即制作成電池單體。2、電池單體測量將制備好的電池單體，放到電池化成柜上，以一定的充電電流、充電時間和限制電壓進行化成。用廣州擎天實業有限公司BS-8303Q電池測試系統記錄電池單體的內阻、容量、開路電池的數據，同時測試電池單體的充放電曲線和循環性能。電池重量比能量是指單位重量的電池所給出的能量，電池能量=電池容量*電池電壓。3、動力電池組裝根據所需要的電壓和電流，將電池單體，采取并聯合串聯相結合的方式組裝成動力電池。實施例1:將13pm的Li4Ti5012、乙炔黑和溶于N-甲基吡咯垸酮的聚偏氟乙烯按照質量比90:5:5放到攪拌機中，以150轉/分鐘攪拌12小時獲得所需的負極漿料。將負極漿料放到拉漿機上，涂敷在10pm的銅箔上，在13(TC烘烤6小時，在20MPa的壓力下輥壓，按照一定270mmX42.5mm的尺寸剪切，制作成面密度為230g/cm2的負極極片。將13pm的Li3V2(P04)3、乙炔黑和溶于N-甲基吡咯烷酮的聚偏氟乙烯按照88:7:5的質量比放到攪拌機中，以100轉/分鐘攪拌24小時。將正極漿料放到拉漿機上，涂敷在15,的鋁箔上，在15(TC烘烤6小時，在25MPa的壓力下輥壓，按照一定320mmX41.5mm的尺寸剪切，制作成面密度為210g/cn^的正極極片。將正極極片、Cdgard2400型聚丙烯隔膜和負極極片按照順序疊加在一起，在邵陽市達力電源實業有限公司423048的巻繞機上巻繞，熱壓后裝入塑料外殼中。把電池單體放到烘烤箱中，在10(TC下烘烤10小時，再把電池單體轉移到注液間，注入lmol/LLiPF6的EC+DMC(體積比h1)電解液，密封之后即制作成電池單體。將制備好的電池單體，放置12小時后，放到電池化成柜上，在上、下限電壓為l-3V，以0.1C的電流充放電3次。記錄電池單體的內阻40Q、容量338mAh、開路電池的電壓1.003V。如圖1所示，磷酸釩鋰和鈦酸鋰匹配的電池放電時出現2.5V和2.0V雙電位平臺，這主要是由于磷酸釩鋰本身固有兩個放電電位平臺，而鈦酸鋰本身固有一個放電電位平臺，使得它們匹配后的電池放電時具有雙電位平臺。如圖2所示，經過500次循環，電池容量保持率為93.6%，循環性能非常好。該電池重量比能量如表l所示。將9個電池單體，裝入動力電池塑料外殼中，通過導線串聯起來，焊接熱封，即得到所需的開路電壓約36V的動力電池組。實施例2:將35pm的Li4Ti5012、乙炔黑和溶于N-甲基吡咯垸酮的聚偏氟乙烯按照93:5:2的質量比放到攪拌機中，以50轉/分鐘攪拌24小時獲得所需的負極槳料。將負極漿料放到拉漿機上，涂敷在2(Him的銅箔上，在10(TC烘烤12小時，在10MPa/]V^的壓力下輥壓，按照一定270mmX42.5mm的尺寸剪切，制作成面密度為230g/cr^的負極極片。將35pm的Li3V2(P04)3、乙炔黑和溶于N-甲基吡咯垸酮的聚偏氟乙烯按照90:7:3的比例放到攪拌機中，以80轉/分鐘攪拌24小時。將正極漿料放到拉槳機上，涂敷在12pm的鋁箔上，在12(TC烘烤12小時，在25MPa的壓力下輥壓，按照一定320mmX41.5mm的尺寸剪切，制作成面密度為210g/cn^的正極極片。將正極極片、Celgard2400型聚丙烯隔膜和負極極片按照順序疊加在一起，在423048的巻繞機上巻繞，熱壓后裝入塑料外殼中。把電池單體放到烘烤箱中，在10(TC下烘烤24小時，再把電池單體轉移到注液間，注入lM/molLiPF6的EC+DMC+EMC(體積比1:1:1)電解液，密封之后即制作成電池單體。將制備好的電池單體，放置24小時，然后放到電池化成柜上，在上、下限電壓為l-3V，以0.1C的電流充放電3次。記錄電池單體的內阻41Q、容量335mAh、開路電池的電壓I.OOIV。電池出現2.5V和2.0V雙電位平臺，500次循環后電池容量保持率為92.5%。該電池重量比能量如表1所示。將12個電池單體，裝入動力電池塑料外殼中，通過導線連接起來，其中每6個電池單體先串聯，然后并聯。再焊接熱封，即得到所需的開路電壓約24V的動力電池組。實施例3:將25pm的Li4Ti5012、導電石墨和聚四氟乙烯水溶液按照9h4:5的質量比放到攪拌機中，以50轉/分鐘攪拌24小時獲得所需的負極漿料。將負極漿料放到拉漿機上，涂敷在20pm的銅箔上，在IO(TC烘烤12小時，在10MPa/MZ的壓力下輥壓，按照一定270mmX42.5mm的尺寸剪切，制作成面密度為230g/cr的負極極片。將25pm的Li3V2(P04)3、導電石墨和聚四氟乙烯水溶液按照89:6:5的比例放到攪拌機中，以80轉/分鐘攪拌24小時。將正極漿料放到拉漿機上，涂敷在12pm的鋁箔上，在120'C烘烤12小時，在25MPa的壓力下輥壓，按照一定320mmX41.5mm的尺寸剪切，制作成面密度為210g/cm2的正極極片。將正極極片、Cdgard2400型聚丙烯隔膜和負極極片按照順序疊加在一起，在423048的巻繞機上巻繞，熱壓后裝入塑料外殼中。把電池單體放到烘烤箱中，在10(TC下烘烤24小時，再把電池單體轉移到注液間，注入lM/mo1LiC104的EC+DMC+EMC(體積比1:1:1)電解液，密封之后即制作成電池單體。將制備好的電池單體，放置24小時，然后放到電池化成柜上，在上、下限電壓為l-3V，以0.1C的電流充放電3次。記錄電池單體的內阻39Q、容量340mAh、開路電池的電壓1.002V。電池出現2.5V和2.0V雙電位平臺，500次循環后電池容量保持率為92.8%。該電池重量比能量如表1所示。將12個電池單體，裝入動力電池塑料外殼中，通過導線連接起來，其中每6個電池單體先串聯，然后并聯。再焊接熱封，即得到所需的開路電壓約24V的動力電池組。實施例4:將20(im的Li4Ti5012、納米碳纖維和聚四氟乙烯水溶液按照92:3:5的質量比放到攪拌機中，以50轉/分鐘攪拌24小時獲得所需的負極漿料。將負極漿料放到拉漿機上，涂敷在20pm的銅箔上，在IO(TC烘烤12小時，在10MPa/MP的壓力下輥壓，按照一定270mmX42.5mm的尺寸剪切，制作成面密度為230g/cn^的負極極片。將20,的Li3V2(P04)3、納米碳纖維和聚四氟乙烯水溶液按照90:5:5的比例放到攪拌機中，以80轉/分鐘攪拌24小時。將正極漿料放到拉漿機上，涂敷在12pm的鋁箔上，在120。C烘烤12小時，在25MPa的壓力下輥壓，按照一定320mmX41.5mm的尺寸剪切，制作成面密度為210g/cr^的正極極片。將正極極片、Celgard2400型聚丙烯隔膜和負極極片按照順序疊加在一起，在423048的巻繞機上巻繞，熱壓后裝入塑料外殼中。把電池單體放到烘烤箱中，在10(TC下烘烤24小時，再把電池單體轉移到注液間，注入1M/molLiAsF6的EC+DMC+EMC(體積比1:h1)電解液，密封之后即制作成電池單體。將制備好的電池單體，放置24小時，然后放到電池化成柜上，在上、下限電壓為l-3V，以0.1C的電流充放電3次。記錄電池單體的內阻42Q、容量342mAh、開路電池的電壓1.001V。電池出現2.5V和2.0V雙電位平臺，500次循環后電池容量保持率為93.9%。該電池重量比能量如表1所示。將12個電池單體，裝入動力電池塑料外殼中，通過導線連接起來，其中每6個電池單體先串聯，然后并聯。再焊接熱封，即得到所需的開路電壓約24V的動力電池組。實施例5:將20(im的Li4Ti5012、碳納米管和聚四氟乙烯水溶液按照93:4:3的質量比放到攪拌機中，以50轉/分鐘攪拌24小時獲得所需的負極漿料。將負極漿料放到拉漿機上，涂敷在20pm的銅箔上，在IO(TC烘烤12小時，在10MPa/MS的壓力下輥壓，按照一定270mmX42.5mm的尺寸剪切，制作成面密度為230g/cr^的負極極片。將20pm的Li3V2(P04)3、碳納米管和聚四氟乙烯水溶液按照90:4:6的比例放到攪拌機中，以80轉/分鐘攪拌24小時。將正極漿料放到拉漿機上，涂敷在12pm的鋁箔上，在12(TC烘烤12小時，在25MPa的壓力下輥壓，按照一定320mmX41.5mm的尺寸剪切，制作成面密度為210g/cm2的正極極片。將正極極片、Celgard2400型聚丙烯隔膜和負極極片按照順序疊加在一起，在423048的巻繞機上巻繞，熱壓后裝入塑料外殼中。把電池單體放到烘烤箱中，在10(TC下烘烤24小時，再把電池單體轉移到注液間，注入lM/mdLiAsF6的EC+DMC+EMC(體積比1:h1)電解液，密封之后即制作成電池單體。將制備好的電池單體，放置24小時，然后放到電池化成柜上，在上、下限電壓為l-3V，以0.1C的電流充放電3次。記錄電池單體的內阻40Q、容量345mAh、開路電池的電壓l.OOOV。電池出現2.5V和2.0V雙電位平臺，500次循環后電池容量保持率為94.3°/。。該電池重量比能量如表1所示。將12個電池單體，裝入動力電池塑料外殼中，通過導線連接起來，其中每6個電池單體先串聯，然后并聯。再焊接熱封，即得到所需的開路電壓約24V的動力電池組。對比例l:按照成熟的工藝裝配成2V4Ah鉛酸蓄電池，然后進行恒流充電，以0.1C2。A0.2C2QA的電流充至2.5V，再進行恒壓充電，充電電壓定為2.5V，充電時間為20h。記錄電池容量4.05Ah。如圖3所示，鉛酸蓄電池的沒有一個放電平臺，容量很快就放完，這也是它不如鋰離子電池的原因之一。如圖4所示，鉛酸蓄電池的循環性能較差，前300次循環非常好，容量保持率97%以上，但是300次循環后容量衰減的很快，到450周時容量保持率只有50%。該電池重量比能量如表l所示。本發明的電池具有較高的安全性能、良好的倍率性能、長的循環壽命和較高的重量比能量，并且制造簡單，成本低廉，可以取代目前廣泛使用的鉛酸蓄電池。高能量、高功率，具有良好的倍率性能和循環性能的動力電源，以取代傳統的鉛酸蓄電池。同時，本發明涉及的新型電池完全沒有環境污染，使一種綠色環保電池。而且，本發明的電池具有無泄露、儲存壽命長、易于小型化等優點，而且使用溫度范圍特別廣泛。表1磷酸釩鋰和鈦酸鋰匹配電池與鉛酸蓄電池重量比能量對比表<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>權利要求1.一種鋰離子動力電池，具有電池外殼、負極、正極、電解液和隔膜，其特征在于所述負極含有占負極材料90％～93％質量比的鈦酸鋰活性物質，所述正極含有占正極材料88％～90％質量比的磷酸釩鋰活性物質，所述電解液含有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、二甲醚(DME)和碳酸甲乙酯(EMC)中的一種以上混合的有機溶劑。2.根據權利要求l所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述負極由粘結劑、鈦酸鋰活性物質和導電劑按2%5%:90%93%:3%5%質量比組成。3.根據權利要求2所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述鈦酸鋰活性物質的化學式為Li4Ti5012。4.根據權利要求3所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述鈦酸鋰活性物質的粒徑為13-35(im。5.根據權利要求4所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述負極設有集流體，集流體為銅箔或鋁箔。6.根據權利要求5所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述正極由粘結劑、磷酸釩鋰活性物質和導電劑3%5%:88%90%:5%7%組成。7.根據權利要求6所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述磷酸釩鋰活性物質的化學式為Li3V2(P04)3。8.根據權利要求7所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述磷酸釩鋰活性物質的粒徑為13-35pm。9.根據權利要求8所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述正極設有集流體，集流體為鋁箔。10.根據權利要求9所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述粘結劑是聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。11.根據權利要求10所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述導電劑是乙炔黑、導電石墨、碳納米管或納米碳纖維。12.根據權利要求11所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述電解液中含有的電解質是導電鋰鹽LiPF6、LiC104或LiAsF6。13.根據權利要求12所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述隔膜為聚丙烯膜、聚乙烯膜或丙烯與乙烯的共聚物膜。14.根據權利要求13所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述外殼是塑料外殼、金屬外殼或者金屬合金外殼。15.根據權利要求14所述的鋰離子動力電池，其特征在于所述鋰離子動力電池通過串聯電池單體或并聯電池單體構成。全文摘要本發明公開了一種鋰離子動力電池，要解決的技術問題是提高動力電池的重量比能量、保護環境。本發明的鋰離子動力電池，具有電池外殼、負極、正極、電解液和隔膜，負極含有占負極材料90％～93％質量比的鈦酸鋰活性物質，正極含有占正極材料88％～90％質量比的磷酸釩鋰活性物質，電解液含有碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、二甲醚和碳酸甲乙酯中的一種以上混合的有機溶劑。本發明與現有技術相比，電池具有較高的安全性能、良好的倍率性能、循環性能和長的循環壽命，制造簡單，成本低廉，沒有環境污染，無泄露、儲存壽命長，易于小型化，而且使用溫度范圍廣泛，可以取代目前廣泛使用的鉛酸蓄電池。文檔編號H01M10/40GK101227016SQ20081006605公開日2008年7月23日申請日期2008年2月2日優先權日2008年2月2日發明者敏岳,張萬紅,賀雪琴,鐘志強,陳敬波申請人:深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司