一种基于锂离子传导的储能电池及制作方法

专利名称：一种基于锂离子传导的储能电池及制作方法
技术领域：
本发明属于电化学技术领域，具体为一种基于锂离子传导的高性能锂离 子储能电池及制作方法。
背景技术：
随着可再生能源，如风能、太阳能和燃料电池等的日益普及，以及电网 调峰、提高电网可靠性和改善电能质量的迫切需求，电力储能系统的重要性 日益凸显。大容量储能系统还可应用于居住小区、医院、大型企业、军事等 作为应急电源。因此，电力储能技术的应用前景非常广阔。
目前的储能方法可分为化学储能和物理储能。其中化学储能方法主要有 铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、超级电容器、镍氢电池和锂离子 电池等。物理储能方法主要有抽水储能、压縮空气储能、飞轮储能和超导储 能等。从发展水平及实用角度来看，化学储能方法比物理储能方法具有更广 阔的发展前景。目前已经商业化运行的储能电池中，铅酸电池是最老的也是 最成熟的储能方法，廉价可靠。但由于深度放电对电池损失非常大，循环寿 命较短，尤其在高温下寿命短，其能量和功率密度也非常低，日常维护较为
频繁。钠硫电池具有3倍于铅酸电池的能量密度，大电流放电性能好，能量 效率高(可达到80%以上)。但是，钠硫电池的工作温度为300-35(TC，需要 采取加热保温措施。同时钠硫电池不能过充与过放，需要严格控制电池的充 放电状态；且钠硫电池中的陶瓷隔膜相当脆弱，在电池受外力冲击或者机械 应力时容易损坏，因此电池的循环寿命是有限的。氧化还原液流电池的能量 效率较高，可达70% 80%，电堆易于扩展，超深度放电不引起电池的不可 逆损伤，建设周期短，系统运行和维护费用低。但是氧化还原液流电池的功 率密度较低，电极材料和隔膜材料的温度稳定性较差，电解液管理困难。
20世纪90年代初问世的锂离子电池，具有能量密度高、自放电率低、 充放电效率高、循环寿命长、对环境友好等优点，现己广泛用于各种通讯和电子产品中。常规锂离子电池的工作原理是锂离子在具有层状结构的钴酸锂 正极和石墨负极间来回脱嵌，以实现电能和化学能的相互转换。但由于石墨 材料充放电过程中的体积效应、过充时容易发生金属锂的沉积与钴酸锂材料 价格较高、热稳定性差等导致的成本、使用寿命和安全性问题制约了锂离子 电池作为大型储能装置的应用。为此，本发明将提出一种替代常规正负极材 料的高性能新型锂离子电池作为储能装置。

发明内容
本发明的目的在于提出一种高性能的锂离子储能电池，本发明的特征在
于采用尖晶石结构的钛酸锂(Li4Ti5012)替代层状结构的石墨(C6)作为负 极活性物质，尖晶石结构的锰酸锂(LiMn204)或橄榄石结构的磷酸亚铁锂 (LiFePO》替代层状结构的钴酸锂(LiCo02)作为正极活性物质。
Li4Ti50i2具有锂离子三维扩散通道，锂离子扩散系数为2Xl(TScmVS ， 比碳负极材料高1个数量级；充放电过程中其骨架保持不变，属于零应变材 料；充放电平台高( 1.5V)，不会发生金属锂的沉积。LiMri204具有价格低廉、 锂离子扩散速度快、安全性较好等特点。LiFeP04具有原料成本较低、晶体 结构稳定、热稳定好等特点。
本发明由0015012/1^111204 (或LiFeP04)体系组成的锂离子储能电池 具有较高的能量密度，优异的循环性能，良好的安全性能、高效的倍率性能 以及无污染等特点，非常适用于大型储能电池。
所述的基于锂离子传导的储能电池的制作步骤如下
(1) 电池极片的制作
—将聚偏氯氟乙烯粘结剂加入到适量的N-甲基吡咯烷酮溶剂中(溶剂的质 量为待加入的活性物质质量的0.5~2倍)，经搅拌溶解后制成胶液。将活性物 质(1^4715012或LiMri204或LiFeP04)和碳黑按活性物质碳黑粘结剂的质 量百分比=70-95%: 2-20%: 3-10%的比例加入到胶液中，充分搅拌混合后涂 布于铝箔(厚度15-3(Vm)的两面。构成正极片或负极片。
(2) 电池制作
电池极片经真空烘干、辊压后裁切成所需尺寸。正、负极片由隔膜隔开后，经巻绕或叠片成电芯。电芯装壳、焊接、注液、封口、化成和分容后制 得所需电池。
(3)储能电池组的制作
单体电池经过分选后组成模块，再按储能要求将模块组装成电池组。经
过分选出性能较一致的电池(分选要求容量偏差±1.0%、内阻偏差士0.3mQ、 充放电平台偏差士2mV和自放电率±1.0%)组合成模块。按照储能要求，将 电池模块组装成电池组(如100Ah， 380V)。


图1:实施例1的Li4Ti5012/ LiMn204电池室温条件下1C倍率的充放电 曲线。
图2:实施例1的Li4Ti5012/ LiMn204电池室温条件下1C循环曲线。 图3:实施例2的Li4Ti5012/ LiFeP04电池室温条件下1C倍率的充放电 曲线。
具体实施方式
实施例l
首先将聚偏氯氟乙烯加入适量的N-甲基吡咯烷酮中，经搅拌溶解后制成 胶液，待用。将负极活性物质Li4Ti5012和碳黑混合后加入上述胶液中 (Li4Ti5012:超导碳黑聚偏氯氟乙烯的质量百分比=90:5:5),充分搅拌混合 后，均匀涂敷于铝箔(厚度为20pm)的两面，制成负极极片。同样将正极 活性物质LiMn204和碳黑混合后加入上述胶液中(LiMn204:碳黑聚偏氯 氟乙烯的质量百分比=92:5:3)，充分搅拌混合后，均匀涂敷于铝箔(厚度为 2(^m)的两面，制成正极极片。
将上述制成的正、负极片在80'C真空下干燥8h后，辊压并进行分切。 将裁好的正、负极片由隔膜隔开后，巻绕成电芯。将电芯装入圆柱形钢壳后， 经过底部焊接、辊槽、注液(电解液为1M六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯、碳 酸二甲酯、碳酸甲乙酯，其中碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的体积 比为1:1:1)、封口后制成圆柱形电池。从图1可以看出，Li4Ti5012/LiMn204电池的1C放电平台为2.2V，低于 传统LiCo02/C体系的锂离子电池的放电平台(~3.6V)。从附图2可以看出， Li4Ti5012/ LiMn204电池2000次循环后仍保持约90%的容量，而传统的 LiCo02/C电池通常循环寿命<500次，不满足储能电池的使用寿命要求。 Li4Ti5CWLiMn204电池循环性能大大优于LiCo02/C电池，降低了使用成本， 符合储能电池的使用要求。
实施例2
首先将聚偏氯氟乙烯加入到适量的N-甲基吡咯烷酮中，经搅拌溶解后制 成胶液，待用。将负极活性物质Li4Ti5012和碳黑混合加入上述胶液中 (Li4Ti5012:碳黑聚偏氯氟乙烯的质量百分比-75:15:10)，充分搅拌混合后， 均匀涂敷于铝箔(厚度为15pm)的两面，制成负极极片。同样将正极活性 物质LiFeP04和碳黑混合加入上述胶液中(LiFeP04:碳黑聚偏氯氟乙烯的 质量百分比=80:12:8)，充分搅拌混合后，均匀涂敷于铝箔(厚度为30pm) 的两面，制成正极极片。
将上述制成的正、负极片在80。C下真空干燥6h后，辊压后进行冲切。 正、负极片由隔膜隔开后，叠片成电芯。电芯装入方形铝壳、焊接、注液、 封口后制成方形电池。
权利要求
1、一种基于锂离子传导的储能电池，由含锂盐的非水溶液构成电解液，其特征在于由钛酸锂构成负极主体活性物质，由锰酸锂或磷酸亚铁锂构成正极主体活性物质。
2、 按权利要求1所述的基于锂离子传导的储能电池，其特征在于所述的 含锂盐的非水溶液电解液为1M六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳 酸甲乙酯，其中碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的体积比为1:1:1。
3、 按权利要求1所述的基于锂离子传导的储能电池，其特征在于正极主 体活性物质或负极主体活性物质涂敷在铝箔两面，构成正极片或负极片。
4、 按权利要求3所述的基于锂离子传导的储能电池，其特征在于所述铝 箔厚度为15-3(Him。
5、 制作如权利要求1-3中任一项所述的基于锂离子传导的储能电池的方 法，其特征在于制作步骤是a) 将聚偏氯氟乙烯粘结剂加入到N-甲基吡咯烷酮溶液中，经搅拌溶解 后压制成胶液；b) 将正极主体活性物质或负极主体活性物质、碳黑、粘结剂按质量百分 比为70-95%:20-20%:3-10%的比例加入到步骤&制备的胶液中；搅拌均匀后 涂布于铝箔两面构成电极片；所述的溶剂的质量为待加入的活性物质质量的 0.5-2倍；c) 将步骤b制作的正电极片或负电极片真空烘干，辊压后裁切成正、负 极片并由隔膜隔开后，经巻绕或叠片成电芯，装壳、焊接、注液、封口制成 电池。
6、 按权利要求5所述的基于锂离子传导的储能电池的制作方法，其特征 在于制成的电池为圆柱形电池或方形电池。
7、 按权利要求5所述的基于锂离子传导的储能电池的制作方法，其特征 在于单体电池经过分选后组成模块，再按储能需求将模块组装成电池组。
8、 按权利要求7所述的基于锂离子传导的储能电池的制作方法，其特征 在于所述的单体电池的分选要求是容量偏差±1.0%、内阻偏差士0.3mQ、充 放电平台偏差士2mV和自放电率±1.0%。
全文摘要
本发明提出了一种基于锂离子传导的储能电池，与传统锂离子电池体系不同的是，其特征在于具有尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)替代层状结构的石墨(C₆)作为负极活性物质，具有尖晶石结构的锰酸锂(LiMn₂O₄)或橄榄石结构的磷酸亚铁锂(LiFePO₄)替代层状结构的钴酸锂(LiCoO₂)作为正极活性物质。主体负极活性物质或正极主体活性物质，与碳黑、粘结剂混匀后涂敷于铝箔上制成正负极片后制成储能电池。Li₄Ti₅O₁₂/LiMn₂O₄(或LiFePO₄)体系锂离子电池与传统锂离子电池体系相比，具有较高的能量密度，优异的循环性能，良好的安全性能以及高效的倍率性能，非常适合大型储能电池的要求。
文档编号H01M10/36GK101414693SQ200810203938
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月3日 优先权日2008年12月3日
发明者刘浩涵, 夏保佳, 建 张, 张熙贵, 佳 李, 剑 颜 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所