一種新型鋰電池的制作方法
【專利摘要】一種新型鋰電池，包括電池殼體和置于電池殼體內(nèi)的陽極、陰極和電解液，陽極與陰極之間有多孔的聚合物隔板，關(guān)鍵是陰極由鋰化的過渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級膨潤土和碳粉制備，陽極由碳質(zhì)材料制備，陽極與陰極的厚度之比為1∶1～1∶3，所述的陰極中的鋰化的過渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級膨潤土和碳粉按重量分別為90～92%、0.5～1.5%和4～5%，余量為PVDF。本發(fā)明的有益效果是：按上述的結(jié)構(gòu)制備的鋰離子電池，由于陰極的厚度大幅降低，整個電池的厚度則可大幅降低。當(dāng)陽極中亦加入微量的納米級膨潤土?xí)r，亦可提高陽極中鋰離子的吸納，并且充電時間可以大為減少，其減少的幅度視陽極和陰極的厚度的減小幅度而定。
【專利說明】一種新型鋰電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種電源裝置，尤為是一種可充電的鋰離子電池。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池已得到日益廣泛的應(yīng)用，鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)是有陽極和陰極，陽極和陰極材料之間設(shè)置一個多孔的聚合物隔離膜，并將得到的電極組件用一種含鋰鹽的非水性電解質(zhì)浸潰而制備，在這樣的電池中，在放電期間，鋰離子從陽極通過電解液，然后插入陰極，在充電期間，離子的流動可逆的，鋰離子從陰極通過電解液，然后作為金屬鋰原子沉積回到陽極上；上述的鋰離子電池存在若干技術(shù)上待解決的問題，例如充電時間長(特別是對大型的動力鋰電池)，相對于陽極的厚度，陰極的厚度較大而使電池小型化有困難，當(dāng)然還存在其它的安全性等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的發(fā)明目的是通過提高陰極材料可插入的鋰離子的容量，進而實現(xiàn)電池小型化或更易形成更薄的電池。
[0004]實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:包括電池殼體和置于電池殼體內(nèi)的陽極、陰極和電解液，陽極與陰極之間有多孔的聚合物隔板，關(guān)鍵是陰極由鋰化的過渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級膨潤土和碳粉制備，陽極由碳質(zhì)材料制備，陽極與陰極的厚度之比為1:1?I: 3。
[0005]所述的陰極中的鋰化的過渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級膨潤土和碳粉按重量分別為90?92%、0.5?L 5%和4?5%，余量為PVDF。
[0006]所述的陰極中的鋰化過渡金屬插層活性物質(zhì)包括選自鋰化過渡金屬氧化物、鋰化金屬磷酸鹽、鋰化鈷氧化物，LiCoO2, LiNiCoO2, LiAlNiCoO2, LiMnNiCoO2, LiMnO2, Li2Mn2O4 和LiFe (PO4)6的一種或多種化合物。
[0007]所述的陽極與陰極的厚度之比為1: 1.5或1: 2或1: 2.5。
[0008]所述的陰極中設(shè)有導(dǎo)電支撐件，導(dǎo)電支撐件為銅箔或鋁箔或其它適宜的金屬、導(dǎo)電聚合物的薄狀物。
[0009]所述的納米級膨潤土的顆粒直徑為5?50nm，其由高速剪切方法制備。
[0010]所述的陽極的碳質(zhì)材料中加入按重量計為0.2?0.5%的納米級膨潤土顆粒，或所述的納米級膨潤土顆粒經(jīng)石墨材料包覆處理。
[0011]所述的納米級膨潤土為負一價或負二價或負三價，或納米級膨潤土經(jīng)有機處理一即在納米級膨潤土的晶層間插入有機離子。
[0012]所述的陽極中設(shè)有導(dǎo)電支撐件，導(dǎo)電支撐件為銅箔或鋁箔或其它適宜的金屬、導(dǎo)電聚合物的薄狀物。
[0013]按上述的結(jié)構(gòu)制備的鋰離子電池，由于陰極的厚度大幅降低，整個電池的厚度則可大幅降低，由于納米級膨潤土具有層狀結(jié)構(gòu)且具有負電性，其層間結(jié)構(gòu)中可插入大量的鋰離子，可提高陰極材料的鋰化程度或可容納大量的鋰離子，由于陰極的厚度降低，機械強度亦會降低，故可適當(dāng)增加陰極內(nèi)的導(dǎo)電支撐件的厚度；當(dāng)陽極中亦加入微量的納米級膨潤土?xí)r，亦可提高陽極中鋰離子的吸納，并且充電時間可以大為減少，其減少的幅度視陽極和陰極的厚度的減小幅度而定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的局部斷面示意圖。
【具體實施方式】
[0015]請參見圖1，圖1僅給出了鋰離子電池的局部結(jié)構(gòu)圖以說明本發(fā)明，電池的其它沒有給出的部分為已有技術(shù)。本發(fā)明的具體實施方案包括電池殼體I和置于電池殼體I內(nèi)的陽極2、陰極3和非水性電解液4，陽極2與陰極3之間有多孔的聚合物隔板5，電池應(yīng)有的其它部分如蓋板、電極耳和導(dǎo)線等為已有技術(shù)則不再詳述，上述多孔的聚合物隔板5亦為已有技術(shù)，當(dāng)電池使用液態(tài)的電解質(zhì)時則有隔板5隔離陽極2與陰極3，如果電解質(zhì)為固體聚合物電解液，那么如本領(lǐng)域已知，電池內(nèi)可不包括隔板5，且如本領(lǐng)域所示固體電解液可以布置于陽極2和陰極3之間。
[0016]所述的陽極2由碳質(zhì)材料構(gòu)成，例如但不限于石墨、焦碳、石油焦、碳、部分或全部石墨化的碳結(jié)構(gòu)或本領(lǐng)域已知的能夠插入其中的鋰離子的任何其它適意的碳質(zhì)材料或碳結(jié)構(gòu)，陽極2可由作為陽極支撐件的薄導(dǎo)電材料兩側(cè)面涂覆上述的碳質(zhì)材料構(gòu)成；陰極3為包括涂覆或附著于導(dǎo)電支撐的一面或或者優(yōu)選兩面的電化學(xué)活性陰極材料，活性陰極材料為鋰化的過渡金屬插層活性物質(zhì)，其包括選自鋰化過渡金屬氧化物、鋰化金屬磷酸鹽、鋰化鈷氧化物、LiCoO2' LiNiCoO2, LiAlNiCoO2, LiMnNiCoO2, LiMnO2' Li2Mn2O4 和 LiFe (PO4) 6 的一種或多種化合物，在放電期間，鋰離子從陽極通過電解液，然后插入陰極，在充電期間，鋰離子的流動是可逆的，鋰離子從陰極通過電解液，然后作為金屬鋰原子或離子沉積回到陽極上，電池的容量取決于陽極或陰極的厚度和陽極或陰極可容量的鋰離子，當(dāng)然還有其它的已知的原因；在本發(fā)明中，納米級膨潤土可使插入的鋰離子大幅增加，膨潤土具有特別的層狀結(jié)構(gòu)，其晶體層間為負電性，晶層間被吸附或插入的陽離子是可以交換的，故晶層間可吸附或插入大量的鋰離子，對低價陽離子的吸附或插入性能更佳，因此在上述的陰極中的鋰化的過渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級膨潤土和碳粉按重量分別為90?92%、0.5?1.5%和4?5%，余量為PVDF (聚偏二氟乙烯)；由于按上述比例，陰極中加入膨潤土，陰極可插入的鋰離子大幅增加，因此陰極的厚度可大幅減小，例如陰極的厚度為陽極厚度的1.5?3倍；非水性電解液可以是在有機非水溶劑或溶劑混合物中的一種或多種鋰鹽的溶液，例如鋰鹽可以包括但不限于LiPF6、LiClO4, LiBF4等，溶劑可以包括但不限于PC (碳酸丙烯酯)、EC (碳酸亞乙酯)、DMC (碳酸二甲脂)、DEC (碳酸二乙脂)或其它本領(lǐng)域適宜的各種混合液，且電解液中鋰鹽的濃度可為常規(guī)濃度的二倍以上，實質(zhì)上由于膨潤土具有的晶層間的間隙，為良好的多孔性質(zhì)，則陰極材料的體積密度亦可適當(dāng)?shù)脑黾?，既增加了強度又減小了陰極的厚度，例如可將體積密度增加10?15% ;依據(jù)對電池性能的要求的不同和選擇的陽極或陰極材料的不同，陽極與陰極的厚度之比為1: 1.8或1: 2或1: 2.5，電池充電時是從表面向內(nèi)部逐層進行充電，完成充電的時間與陽極或陰極的厚度有直接的關(guān)系，陽極和陰極的厚度越大則充電時間越長，這對大型電池或動力型的使用造成不便，因此本發(fā)明的上述技術(shù)特征使陰極的厚度降低有利于大幅縮短充電的時間，經(jīng)試驗，充電時間為已有技術(shù)的1/3?1/5 ;由于陽極或陰極的厚度降低，則機械強度相應(yīng)降低，則陰極中設(shè)有導(dǎo)電支撐件，導(dǎo)電支撐件為銅箔或鋁箔或其它適宜的金屬、導(dǎo)電聚合物的薄狀物，導(dǎo)電支撐件可增強陰極的強度并設(shè)陰極中間位置，其厚度只要能滿足電池制備過程中的工藝和支撐要求即可，例如幾十微米至幾百微米之間均可；關(guān)于上述的納米級膨潤土，其顆粒直徑可以是5?50nm之間，其可由高速剪切方法制備(已有技術(shù))，其顆粒直徑過大雖然制備方便，但容納鋰離子的效率或單位體積密度會降低，顆粒直徑過小則因膨潤土已知的性質(zhì)，剪切加工困難并且顆粒均一性亦受影響；由于膨潤土具有的負電性，其可以是負一價或負二價或負三價，因膨潤土的負電性的不同，其內(nèi)插入的正離子的量亦有所不同，為適應(yīng)電池的需要，可以對膨潤土進行有機處理以達到改性處理(如負電性)和提高穩(wěn)定性，上述的膨潤土有機改性是比較成熟的已有技術(shù)，其實質(zhì)是在膨潤土的晶層間插入有機離子，經(jīng)研究表面，有機離子在膨潤土的底面上的吸附都是在晶層間取向排列，所以晶層的膨脹是最少的，在試驗中，測定的陰極厚度在充電或放電完成時，其厚度變化很小，這也進一步說明盡管加大鋰離子含量，含有膨潤土的陰極材料中插入的正電性鋰離子一部分容納于膨潤土的晶層間；經(jīng)試驗，在陽極的碳質(zhì)材料中加有按重量計為0.2?0.5%的納米級膨潤土顆粒，有利于提高鋰離子的濃度或含量和適當(dāng)降低厚度，亦有利于快速的充放電能力，經(jīng)試驗，將納米級膨潤土顆粒經(jīng)石墨材料包覆處理，有利于提高陽極導(dǎo)電率，進一步充放電能力。
[0017]為進一步了解本發(fā)明，更詳細地給出本發(fā)明的具體的實施例。
[0018]實施例1:
陽極由銅箔和銅箔兩側(cè)面涂覆的陽極材料層構(gòu)成，所述的陽極材料層由石墨、PVDF或石墨、PVDF和納米級膨潤土混合構(gòu)成，石墨和PVDF的構(gòu)成按重量計為92%和8%，或石墨、PVDF和納米級膨潤土的構(gòu)成按重量計為90%、9.7%和0.3% ；陰極材料由LiNiCoO2或LiAlNiCoO2、、碳粉、納米級膨潤土和PVDF (按重量計分別為90%、4%、1%和5%)混合，并置于支撐件的兩側(cè)面構(gòu)成陰極，陽極與陰極的厚度比為1: 2?2.5;在陽極與陰極之間設(shè)置有適宜的多孔聚合物膜作為隔板，例如可選用多孔的聚丙烯膜；陽極、隔板和陰極可以按本領(lǐng)域已知的技術(shù)進行環(huán)繞或平行設(shè)置構(gòu)成柱狀或平板狀，然后置入適當(dāng)?shù)耐鈿ぶ?，灌入電解液和本領(lǐng)域公知的連接、密封等構(gòu)成所需的電池，其比容量可達到400?450mAh/g，充電時間大幅降低為一般鋰電池的1/3?1/5左右。
[0019]實施例2:
陽極與陰極的結(jié)構(gòu)與實施例1相同，陽極材料與實施例1相同，陰極材料由LiMnO2、碳粉、納米級膨潤土和PVDF按重量計分別為90%、4%、1.5%和4.5%混合制備，陽極與陰極的厚度比為1: 2，經(jīng)測定，電池的容量比可達到450?490mAh/g，充電時間亦大幅降低，結(jié)構(gòu)更為輕巧。
[0020]本發(fā)明按上述說明書及實施例所述，降低陽極與陰極的厚度，可電池的生產(chǎn)成本，減小電池的厚度的同時，降低了充電時間，更有利于大型的動力電池的制備。
【權(quán)利要求】
1.一種新型鋰電池，包括電池殼體和置于電池殼體內(nèi)的陽極、陰極和電解液，陽極與陰極之間有多孔的聚合物隔板，其特征在于陰極由鋰化的過渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級膨潤土和碳粉制備，陽極由碳質(zhì)材料制備，陽極與陰極的厚度之比為1:1?1: 3。
2.按權(quán)利要求1所述的新型鋰電池，其特征在于所述的陰極中的鋰化的過渡金屬插層活性物質(zhì)、納米級膨潤土和碳粉按重量分別為90?92%、0.5?1.5%和4?5%，余量為PVDF0
3.按權(quán)利要求1或2所述的新型鋰電池，其特征在于所述的陰極中的鋰化過渡金屬插層活性物質(zhì)包括選自鋰化過渡金屬氧化物、鋰化金屬磷酸鹽、鋰化鈷氧化物，LiCoO2,LiNiCo02、LiAlNiCo02、LiMnNiCo02、LiMn02、Li2Mn2O4 和 LiFe (PO4)6 的一種或多種化合物。
4.按權(quán)利要求3所述的新型鋰電池，其特征在于所述的陽極與陰極的厚度之比為I: 1.5 或 1: 2 或 1: 2.5。
5.按權(quán)利要求4所述的新型鋰電池，其特征在于所述的陰極中設(shè)有導(dǎo)電支撐件，導(dǎo)電支撐件為銅箔或鋁箔或其它適宜的金屬、導(dǎo)電聚合物的薄狀物。
6.按權(quán)利要求5所述的新型鋰電池，其特征在于所述的納米級膨潤土的顆粒直徑為5?50nm，其由高速剪切方法制備。
7.按權(quán)利要求6所述的新型鋰電池，其特征在于所述的陽極的碳質(zhì)材料中加入按重量計為0.2?0.5%的納米級膨潤土顆粒,或所述的納米級膨潤土顆粒經(jīng)石墨材料包覆處理。
8.按權(quán)利要求1或2或4或5或6或7所述的新型鋰電池，其特征在于所述的納米級膨潤土為負一價或負二價或負三價，或納米級膨潤土經(jīng)有機處理一即在納米級膨潤土的晶層間插入有機離子。
9.按權(quán)利要求8所述的新型鋰電池，其特征在于所述的陽極中設(shè)有導(dǎo)電支撐件，導(dǎo)電支撐件為銅箔或鋁箔或其它適宜的金屬、導(dǎo)電聚合物的薄狀物。
【文檔編號】H01M10/0525GK103811760SQ201210439101
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月7日
【發(fā)明者】李志堅, 鄧堯平, 王小林 申請人:佛山市順德區(qū)精銳電池科技有限公司