一种快速充电锂电池的制作方法
【专利摘要】一种可快速充电的锂电池，包括电池壳体和置于电池壳体内的阳极、阴极与电解液，阳极和阴极之间有多孔的聚合物隔板，电池壳体有密封盖和对应的电极耳，关键是阴极的结构是在一箔状支撑件两侧面设有阴极材料，该阴极材料的整体内形成易于导电的导电网络，阴极材料由锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土、碳粉和PVDF制备，阳极中间亦有箔状支撑件且阳极由碳质材料制备，阳极与阴极的厚度之比为1∶1.5～1∶4。本发明的充电时间可以控制在10分钟以内，对于小型锂电池，充电时间则更短且可使得小型便携移动电子设备进一步轻量化，本发明突破了现有技术的长期存在的局限，必将得到广泛的应用。
【专利说明】一种快速充电锂电池
【技术领域】
[0001]本发明属于一种可充电的电源装置，具体涉及一种可快速充电的锂电池。
【背景技术】
[0002]锂离子电池已得到日益广泛的应用，尤为是在移动设备上得到普遍的应用，如手机、移动电脑、野外设备等，但相对而言，小型的锂电池技术比较成熟，且充电时间较短(几个小时),如有备用电池,一般的使用均可满足,但对大型的锂电池目前技术还有技术瓶颈，如充电时间过长。一般而言，锂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，构成基本组件，该组件绕制成柱形或平板型结构置于壳体内，充电时其是从外向内充电，即相对于阴极或阳极的厚度的增加，虽然可使工艺相对简单，但充电时间随之增加。对于大型锂电池，如汽车或小型机动车使用的动力锂电池，主要存在的缺陷是电池容量偏小和充电时间过长。目前解决上述缺陷的方法是将多个小电池串并联而形成动力电池，但因单个电池间的均一性没有得到很好的解决，数量过多的小电池组合会产生新的问题，并且充电时间仍没有根本解决。因此，如何又要提高锂电池容量，又能降低充电时间，是锂电池得到更广泛应用而必须解决的问题。
【发明内容】
[0003]本发明的发明目的是公开一种提高锂电池容量且能大幅降低充电时间的可充电锂电池。
[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、阴极与电解液，阳极和阴极之间有多孔的聚合物隔板，电池壳体有密封盖和对应的电极耳，关键是阴极的结构是在一箔状支撑件两侧面设有阴极材料，该阴极材料的整体内形成易于导电的导电网络，阴极材料由锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土、碳粉和PVDF制备，阳极中间亦有箔状支撑件且阳极由碳质材料制备，阳极与阴极的厚度之比为1: 1.5?I: 4。
[0005]所述的锂化的过渡金属插层活性物质的颗粒表面有一可导电的碳化层，上述具有碳化层的锂化的过渡金属插层活性物质与纳米级膨润土、碳粉和PVDF制备的阴极材料层内则形成一个可导电的导电网络。
[0006]所述的碳化层是由酚醛树脂内加入碳粉经高温碳化而制备。
[0007]所述的碳化层是由酚醛树脂内加入碳粉、石墨粉经高温碳化而制备。
[0008]所述的阴极材料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。
[0009]所述的阴极材料中的锂化过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土和碳粉按重量计分别为92?94%、0.5?1.5%和2?3%，余量为PVDF。
[0010]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，膨润土颗粒经锂化处理一即在膨润土的晶层间插入锂离子；或所述的膨润土颗粒经石墨材料包覆处理。
[0011]所述的阳极与阴极的厚度之比为1: 1.5或1: 2或1: 3.5。
[0012]本发明公开的快速充电的锂电池，其整体的宏观结构未作大的改变，原有锂电池的壳体、电极耳、极间的电连接和封盖等均可使用已有技术，但由于在阴极材料中混合有锂化的纳米级膨润土颗粒，并使阴极材料中形成整体的导电网络，则使锂电池的容量提高，同时可以减小阴极的厚度，特别是又提高了阴极材料的导电性，可以实现在充电时，对阴极整体进行充电，无须逐层进行充电。因此，本发明特别适合制备大型动力锂电池，解决了大型动力锂电池的容量不足和充电时间过长的缺陷，本发明的充电时间可以控制在10分钟以内，对于小型锂电池，充电时间则更短且可使得小型便携移动电子设备进一步轻量化，本发明突破了现有技术的长期存在的局限，必将得到广泛的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的局部断面示意图。
【具体实施方式】
[0014]请参见图1给出的局部结构，本发明的实施例如下:包括电池壳体和置于电池壳体内的阳极、阴极与电解液，阳极和阴极之间有多孔的聚合物隔板，电池壳体有密封盖和对应的电极耳(图中未详细给出上述已有技术的宏观结构)，关键是阴极的结构是在一箔状支撑件两侧面设有阴极材料，阴极材料由包覆导电材料的锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土、碳粉和PVDF制备，该阴极材料的整体内形成易于导电的导电网络，阳极中间亦有箔状支撑件且阳极由碳质材料制备，阳极与阴极的厚度之比为1: 1.5?1: 4。上述的锂化的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，LiCo02、LiNiCo02、LiAlNiCo02、LiMnNiCo02、LiMn02、Li2Mn204 和 LiFe (PO4)6 的一种或多种化合物，当然还包括已知或已在使用的其它锂氧化物或锂盐；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，充电时锂离子在外加电压的作用下是逐层脱离阴极，因此充电时间较长，可达几小时；而上述技术方案中的锂化的过渡金属插层活性物质表面包覆导电材料层，并与纳米级膨润土、碳粉和PVDF (聚偏二氟乙烯)共同构成阴极后，上述的导电材料层可使整个阴极内部形成一个导电网络，同时碳粉可进一步提高导电性能，由于上述的导电网络的存在，则可使整个阴极充电时，整体进行充电而不是逐层进行充电，因此充电时间大为降低，充电时间可控制在十分钟之内；上述的导电材料层实际上是一种碳化层，该碳化层包覆锂化的过渡金属插层活性物质的颗粒表面，该碳化层是由酚醛树脂(或相同或相近性能的其它树脂)内加入碳粉或加入碳粉、石墨粉混合物或加入石墨粉或加入石墨粉、碳化硅粉混合物经高温碳化而制备，具体是将锂化的过渡金属插层活性物质的颗粒与上述混合各种粉的酚醛树脂混合，然后先中温固化，固化温度为160°C?190°C，再高温碳化，碳化温度为900°C?1050°C，如酚醛树脂内混合有石墨粉，则碳化温度为2000°C?2300°C，则锂化的过渡金属插层活性物质的颗粒表面被碳化层覆盖，可以通过机械方式再颗粒化，或通过将混合有上述各种粉的酚醛树脂雾化为颗粒状后进入一中温腔室固化，或通过离心方式分离成颗粒状后固化，固化的颗粒再进行高温碳化，上述的各类碳化方法是已知技术，这里不再详细描述。
[0015]除上述的碳化层结构外，在阴极材料中混合有纳米级膨润土颗粒，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，因此可以预先将膨润土锂化使其晶层容纳或插入锂离子；上述阴极材料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计分别为92?94%、0.5?1.5%和2?3%，余量为PVDF(聚偏二氟乙烯)，按上述重量比，阴极材料中加入了锂化的膨润土，阴极或电池中的锂离子增加，因此可以将阴极的厚度大幅减小；本领域已知的是阴极的厚度远远大于阳极的厚度，按本发明，阴极的厚度为阳极的厚度1.5?4倍，同时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、LiC104、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 (碳酸二乙月旨)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以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，则可使上述的阴极材料的体积密度适当的增加，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%左右，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，阳极与阴极的厚度比可以是1: 1.8或1: 2或1: 3或1: 3.5，具体取何厚度比例，主要视电池容量要求、阴极材料的混合比例等诸多因素，其基本上是本领域通常会考虑到的；由于电池的电极的厚度与充电时间有关，虽然前述的由碳化层构成的导电网络可使电极整体充电，但电极厚度的降低仍然有助于进一步降低充电时间，同时节约电极材料的使用量和减小电池的重量；对于上述的纳米级膨润土，其颗粒直径可以是5?50nm之间，优选为20?30nm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，剪切加工困难且颗粒均一性亦受影响；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，正离子在膨润土上的吸附都是在晶层间取向排列，所以晶层的膨胀是最小的，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，亦有利于降低阳极的厚度和减少充电时间。
[0016]为进一步了解本发明，更详细地给出本发明的具体实施例。
[0017]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92%、2%、1%和5%)混合，其中LiNiCoO2或LiAlNiCoO2、均由碳化层包覆，碳化层的制备是将酚醛树脂与碳粉或碳粉和石墨粉混合后再与LiNiCoO2或LiAlNiCoO2、混合，经雾化为颗粒后进入一中温腔室固化，固化温度为160°C?190°C，然后再高温下进行碳化，如只有碳粉则碳化温度为900°C?1050°C，如含有石墨粉，则碳化温度为2000°C?2300°C，将上述制备的阴极材料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，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，充电时间为10分钟之内。
[0018]实施例2:
阳极材料和电池结构与实施例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92%、2%、1.5%和4.5%混合制备，LiMnO2由碳化层包覆，碳化层的制备是将酚醛树脂与石墨粉或石墨粉和碳化硅粉混合后，经离心方法制得微小颗粒状后置入一中温腔室固化，固化温度为160°C?190°C，然后在2000°C?2300°C进行碳化，阳极与阴极的厚度为1: 1.8?2，经测定，电池的容量可达到450?490mAh/g，充电时间为8分钟之内。
[0019]本发明按上述说明书及实施例所述，可降低生产成本，减轻电池的重量，尤为是大幅降低充电时间和增加电池的容量，更适于大型动力电池的制备。
【权利要求】
1.一种快速充电锂电池，包括电池壳体和置于电池壳体内的阳极、阴极与电解液，阳极和阴极之间有多孔的聚合物隔板，电池壳体有密封盖和对应的电极耳，其特征在于阴极的结构是在一箔状支撑件两侧面设有阴极材料，该阴极材料的整体内形成易于导电的导电网络，阴极材料由锂化的过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土、碳粉和PVDF制备，阳极中间亦有箔状支撑件且阳极由碳质材料制备，阳极与阴极的厚度之比为1: 1.5?1: 4。
2.根据权利要求1所述的快速充电锂电池，其特征在于所述的锂化的过渡金属插层活性物质的颗粒表面有一可导电的碳化层，上述具有碳化层的锂化的过渡金属插层活性物质与纳米级膨润土、碳粉和PVDF制备的阴极材料层内则形成一个可导电的导电网络。
3.根据权利要求2所述的快速充电锂电池，其特征在于所述的碳化层是由酚醛树脂内加入碳粉经高温碳化而制备。
4.根据权利要求2所述的快速充电锂电池，其特征在于所述的碳化层是由酚醛树脂内加入碳粉、石墨粉经高温碳化而制备。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的快速充电锂电池，其特征在于所述的阴极材料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。
6.根据权利要求5所述的快速充电锂电池，其特征在于所述的阴极材料中的锂化过渡金属插层活性物质、纳米级膨润土和碳粉按重量计分别为92?94%、0.5?1.5%和2?3%，余量为PVDF。
7.根据权利要求6所述的快速充电锂电池，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，膨润土颗粒经锂化处理一即在膨润土的晶层间插入锂离子；或所述的膨润土颗粒经石墨材料包覆处理。
8.根据权利要求7所述的快速充电锂电池，其特征在于所述的阳极与阴极的厚度之比为 1: 1.5 或 1: 2 或 1: 3.5。
【文档编号】H01M10/04GK103811761SQ201210439111
【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