一种新型锂电池的制作方法
【专利摘要】一种新型锂电池，包括电池壳体和置于电池壳体内的阳极、阴极和电解液，阳极与阴极之间有多孔的聚合物隔板，关键是阴极由锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土和碳粉制备，阳极由碳质材料制备，阳极与阴极的厚度之比为1∶1～1∶3，所述的阴极中的锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土和碳粉按重量分别为90～92%、0.5～1.5%和4～5%，余量为PVDF。本发明的有益效果是：按上述的结构制备的锂离子电池，由于阴极的厚度大幅降低，整个电池的厚度则可大幅降低。当阳极中亦加入微量的纳米级膨润土时，亦可提高阳极中锂离子的吸纳，并且充电时间可以大为减少，其减少的幅度视阳极和阴极的厚度的减小幅度而定。
【专利说明】一种新型锂电池
【技术领域】
[0001]本发明属于一种电源装置，尤为是一种可充电的锂离子电池。
【背景技术】
[0002]锂离子电池已得到日益广泛的应用，锂离子电池的基本结构是有阳极和阴极，阳极和阴极材料之间设置一个多孔的聚合物隔离膜，并将得到的电极组件用一种含锂盐的非水性电解质浸溃而制备，在这样的电池中，在放电期间，锂离子从阳极通过电解液，然后插入阴极，在充电期间，离子的流动可逆的，锂离子从阴极通过电解液，然后作为金属锂原子沉积回到阳极上；上述的锂离子电池存在若干技术上待解决的问题，例如充电时间长(特别是对大型的动力锂电池)，相对于阳极的厚度，阴极的厚度较大而使电池小型化有困难，当然还存在其它的安全性等缺陷。
【发明内容】
[0003]本发明的发明目的是通过提高阴极材料可插入的锂离子的容量，进而实现电池小型化或更易形成更薄的电池。
[0004]实现本发明的技术解决方案如下:包括电池壳体和置于电池壳体内的阳极、阴极和电解液，阳极与阴极之间有多孔的聚合物隔板，关键是阴极由锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土和碳粉制备，阳极由碳质材料制备，阳极与阴极的厚度之比为1:1?I: 3。
[0005]所述的阴极中的锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土和碳粉按重量分别为90?92%、0.5?L 5%和4?5%，余量为PVDF。
[0006]所述的阴极中的锂化过渡金属插层活性物质包括选自锂化过渡金属氧化物、锂化金属磷酸盐、锂化钴氧化物，LiCoO2, LiNiCoO2, LiAlNiCoO2, LiMnNiCoO2, LiMnO2, Li2Mn2O4 和LiFe (PO4)6的一种或多种化合物。
[0007]所述的阳极与阴极的厚度之比为1: 1.5或1: 2或1: 2.5。
[0008]所述的阴极中设有导电支撑件，导电支撑件为铜箔或铝箔或其它适宜的金属、导电聚合物的薄状物。
[0009]所述的纳米级膨润土的颗粒直径为5?50nm，其由高速剪切方法制备。
[0010]所述的阳极的碳质材料中加入按重量计为0.2?0.5%的纳米级膨润土颗粒，或所述的纳米级膨润土颗粒经石墨材料包覆处理。
[0011]所述的纳米级膨润土为负一价或负二价或负三价，或纳米级膨润土经有机处理一即在纳米级膨润土的晶层间插入有机离子。
[0012]所述的阳极中设有导电支撑件，导电支撑件为铜箔或铝箔或其它适宜的金属、导电聚合物的薄状物。
[0013]按上述的结构制备的锂离子电池，由于阴极的厚度大幅降低，整个电池的厚度则可大幅降低，由于纳米级膨润土具有层状结构且具有负电性，其层间结构中可插入大量的锂离子，可提高阴极材料的锂化程度或可容纳大量的锂离子，由于阴极的厚度降低，机械强度亦会降低，故可适当增加阴极内的导电支撑件的厚度；当阳极中亦加入微量的纳米级膨润土时，亦可提高阳极中锂离子的吸纳，并且充电时间可以大为减少，其减少的幅度视阳极和阴极的厚度的减小幅度而定。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的局部断面示意图。
【具体实施方式】
[0015]请参见图1，图1仅给出了锂离子电池的局部结构图以说明本发明，电池的其它没有给出的部分为已有技术。本发明的具体实施方案包括电池壳体I和置于电池壳体I内的阳极2、阴极3和非水性电解液4，阳极2与阴极3之间有多孔的聚合物隔板5，电池应有的其它部分如盖板、电极耳和导线等为已有技术则不再详述，上述多孔的聚合物隔板5亦为已有技术，当电池使用液态的电解质时则有隔板5隔离阳极2与阴极3，如果电解质为固体聚合物电解液，那么如本领域已知，电池内可不包括隔板5，且如本领域所示固体电解液可以布置于阳极2和阴极3之间。
[0016]所述的阳极2由碳质材料构成，例如但不限于石墨、焦碳、石油焦、碳、部分或全部石墨化的碳结构或本领域已知的能够插入其中的锂离子的任何其它适意的碳质材料或碳结构，阳极2可由作为阳极支撑件的薄导电材料两侧面涂覆上述的碳质材料构成；阴极3为包括涂覆或附着于导电支撑的一面或或者优选两面的电化学活性阴极材料，活性阴极材料为锂化的过渡金属插层活性物质，其包括选自锂化过渡金属氧化物、锂化金属磷酸盐、锂化钴氧化物、LiCoO2' LiNiCoO2, LiAlNiCoO2, LiMnNiCoO2, LiMnO2' Li2Mn2O4 和 LiFe (PO4) 6 的一种或多种化合物，在放电期间，锂离子从阳极通过电解液，然后插入阴极，在充电期间，锂离子的流动是可逆的，锂离子从阴极通过电解液，然后作为金属锂原子或离子沉积回到阳极上，电池的容量取决于阳极或阴极的厚度和阳极或阴极可容量的锂离子，当然还有其它的已知的原因；在本发明中，纳米级膨润土可使插入的锂离子大幅增加，膨润土具有特别的层状结构，其晶体层间为负电性，晶层间被吸附或插入的阳离子是可以交换的，故晶层间可吸附或插入大量的锂离子，对低价阳离子的吸附或插入性能更佳，因此在上述的阴极中的锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土和碳粉按重量分别为90?92%、0.5?1.5%和4?5%，余量为PVDF (聚偏二氟乙烯)；由于按上述比例，阴极中加入膨润土，阴极可插入的锂离子大幅增加，因此阴极的厚度可大幅减小，例如阴极的厚度为阳极厚度的1.5?3倍；非水性电解液可以是在有机非水溶剂或溶剂混合物中的一种或多种锂盐的溶液，例如锂盐可以包括但不限于LiPF6、LiClO4, LiBF4等，溶剂可以包括但不限于PC (碳酸丙烯酯)、EC (碳酸亚乙酯)、DMC (碳酸二甲脂)、DEC (碳酸二乙脂)或其它本领域适宜的各种混合液，且电解液中锂盐的浓度可为常规浓度的二倍以上，实质上由于膨润土具有的晶层间的间隙，为良好的多孔性质，则阴极材料的体积密度亦可适当的增加，既增加了强度又减小了阴极的厚度，例如可将体积密度增加10?15% ;依据对电池性能的要求的不同和选择的阳极或阴极材料的不同，阳极与阴极的厚度之比为1: 1.8或1: 2或1: 2.5，电池充电时是从表面向内部逐层进行充电，完成充电的时间与阳极或阴极的厚度有直接的关系，阳极和阴极的厚度越大则充电时间越长，这对大型电池或动力型的使用造成不便，因此本发明的上述技术特征使阴极的厚度降低有利于大幅缩短充电的时间，经试验，充电时间为已有技术的1/3?1/5 ;由于阳极或阴极的厚度降低，则机械强度相应降低，则阴极中设有导电支撑件，导电支撑件为铜箔或铝箔或其它适宜的金属、导电聚合物的薄状物，导电支撑件可增强阴极的强度并设阴极中间位置，其厚度只要能满足电池制备过程中的工艺和支撑要求即可，例如几十微米至几百微米之间均可；关于上述的纳米级膨润土，其颗粒直径可以是5?50nm之间，其可由高速剪切方法制备(已有技术)，其颗粒直径过大虽然制备方便，但容纳锂离子的效率或单位体积密度会降低，颗粒直径过小则因膨润土已知的性质，剪切加工困难并且颗粒均一性亦受影响；由于膨润土具有的负电性，其可以是负一价或负二价或负三价，因膨润土的负电性的不同，其内插入的正离子的量亦有所不同，为适应电池的需要，可以对膨润土进行有机处理以达到改性处理(如负电性)和提高稳定性，上述的膨润土有机改性是比较成熟的已有技术，其实质是在膨润土的晶层间插入有机离子，经研究表面，有机离子在膨润土的底面上的吸附都是在晶层间取向排列，所以晶层的膨胀是最少的，在试验中，测定的阴极厚度在充电或放电完成时，其厚度变化很小，这也进一步说明尽管加大锂离子含量，含有膨润土的阴极材料中插入的正电性锂离子一部分容纳于膨润土的晶层间；经试验，在阳极的碳质材料中加有按重量计为0.2?0.5%的纳米级膨润土颗粒，有利于提高锂离子的浓度或含量和适当降低厚度，亦有利于快速的充放电能力，经试验，将纳米级膨润土颗粒经石墨材料包覆处理，有利于提高阳极导电率，进一步充放电能力。
[0017]为进一步了解本发明，更详细地给出本发明的具体的实施例。
[0018]实施例1:
阳极由铜箔和铜箔两侧面涂覆的阳极材料层构成，所述的阳极材料层由石墨、PVDF或石墨、PVDF和纳米级膨润土混合构成，石墨和PVDF的构成按重量计为92%和8%，或石墨、PVDF和纳米级膨润土的构成按重量计为90%、9.7%和0.3% ；阴极材料由LiNiCoO2或LiAlNiCoO2、、碳粉、纳米级膨润土和PVDF (按重量计分别为90%、4%、1%和5%)混合，并置于支撑件的两侧面构成阴极，阳极与阴极的厚度比为1: 2?2.5;在阳极与阴极之间设置有适宜的多孔聚合物膜作为隔板，例如可选用多孔的聚丙烯膜；阳极、隔板和阴极可以按本领域已知的技术进行环绕或平行设置构成柱状或平板状，然后置入适当的外壳中，灌入电解液和本领域公知的连接、密封等构成所需的电池，其比容量可达到400?450mAh/g，充电时间大幅降低为一般锂电池的1/3?1/5左右。
[0019]实施例2:
阳极与阴极的结构与实施例1相同，阳极材料与实施例1相同，阴极材料由LiMnO2、碳粉、纳米级膨润土和PVDF按重量计分别为90%、4%、1.5%和4.5%混合制备，阳极与阴极的厚度比为1: 2，经测定，电池的容量比可达到450?490mAh/g，充电时间亦大幅降低，结构更为轻巧。
[0020]本发明按上述说明书及实施例所述，降低阳极与阴极的厚度，可电池的生产成本，减小电池的厚度的同时，降低了充电时间，更有利于大型的动力电池的制备。
【权利要求】
1.一种新型锂电池，包括电池壳体和置于电池壳体内的阳极、阴极和电解液，阳极与阴极之间有多孔的聚合物隔板，其特征在于阴极由锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土和碳粉制备，阳极由碳质材料制备，阳极与阴极的厚度之比为1:1?1: 3。
2.按权利要求1所述的新型锂电池，其特征在于所述的阴极中的锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土和碳粉按重量分别为90?92%、0.5?1.5%和4?5%，余量为PVDF0
3.按权利要求1或2所述的新型锂电池，其特征在于所述的阴极中的锂化过渡金属插层活性物质包括选自锂化过渡金属氧化物、锂化金属磷酸盐、锂化钴氧化物，LiCoO2,LiNiCo02、LiAlNiCo02、LiMnNiCo02、LiMn02、Li2Mn2O4 和 LiFe (PO4)6 的一种或多种化合物。
4.按权利要求3所述的新型锂电池，其特征在于所述的阳极与阴极的厚度之比为I: 1.5 或 1: 2 或 1: 2.5。
5.按权利要求4所述的新型锂电池，其特征在于所述的阴极中设有导电支撑件，导电支撑件为铜箔或铝箔或其它适宜的金属、导电聚合物的薄状物。
6.按权利要求5所述的新型锂电池，其特征在于所述的纳米级膨润土的颗粒直径为5?50nm，其由高速剪切方法制备。
7.按权利要求6所述的新型锂电池，其特征在于所述的阳极的碳质材料中加入按重量计为0.2?0.5%的纳米级膨润土颗粒,或所述的纳米级膨润土颗粒经石墨材料包覆处理。
8.按权利要求1或2或4或5或6或7所述的新型锂电池，其特征在于所述的纳米级膨润土为负一价或负二价或负三价，或纳米级膨润土经有机处理一即在纳米级膨润土的晶层间插入有机离子。
9.按权利要求8所述的新型锂电池，其特征在于所述的阳极中设有导电支撑件，导电支撑件为铜箔或铝箔或其它适宜的金属、导电聚合物的薄状物。
【文档编号】H01M10/0525GK103811760SQ201210439101
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2012年11月7日
【发明者】李志坚, 邓尧平, 王小林 申请人:佛山市顺德区精锐电池科技有限公司