一种提高锂离子电池循环性能的方法_2

文档序号:9329091阅读:来源:国知局
副反应,同时对正极和负极材料进行活化;最终实现电池在较高的电压范围及较长的循环周期内保持较高的容量保持率。采用本申请的方法制备的锂离子电池,其可逆容量的循环性能远高于未进行预放电处理的电池,配合真空抽滤法制备正极,获得去极化电极,可实现接近理论容量的可逆容量,并能够保持较长的充放电循环。
【附图说明】
[0027]图1是本申请实施例中锂离子电池预先放电处理,对界面进行重构的作用示意图;
[0028]图2是本申请实施例中真空抽滤过程示意图;
[0029]图3是本申请实施例中以Li(Nia5Coa2Mna3)O2为活性材料制备的电极的扫描电镜照片,(a)为刚制备的电极的扫描照片,(b)为提前放电处理的电极的扫描照片,(C)为未提前放电处理直接进行充放电循环的电极的扫描照片;
[0030]图4是本申请实施例中以Li (Nia5Coa2Mna3) O2为活性材料,采用抽滤法制备电极组装成壳式电池,未提前放电处理直接进行循环的前10次充放电曲线;
[0031]图5是本申请实施例中以Li (Nia5Coa2Mna3) O2为活性材料,采用抽滤法制备电极组装成壳式电池,提前放电处理后进行循环的前10次充放电曲线;
[0032]图6是本申请实施例中以Li (Nia5Coa2Mna3) O2为活性材料,采用抽滤法制备电极组装成壳式电池,提前放电到不同电压的电极和未提前放电处理的电极,以及常规涂覆法制备的电极的循环性能对比图;
[0033]图7是本申请实施例中以Li (Nia5Coa2Mna3) O2为活性材料,采用抽滤法制备电极组装成壳式电池,提前放电处理的电极、未提前放电处理的电极和常规涂覆法制备的电极的倍率性能对比图。
【具体实施方式】
[0034]最初的锂离子电池,在使用时,通常都需要用户在首次充电时充分充电,如充满八个小时等,然后在使用时,完全释放电量后,再进行正常的充电、放电使用,这样做的目的是充分激活电池的容量和性能。为此,为了便于使用,目前大多数电池生产商,都会先进行充分充电、放电,如此循环几次,这就不需要用户再充分充电、放电,直接按照正常的充放电使用即可。
[0035]但是,本申请的发明人经过大量的试验发现,在电池组装完成后,提前将电池放电至卜定的电压,如放电到0-2V,这样比直接进行充分充电、放电更能够提高锂离子电池的循环性能,特别是对于采用层状正极材料或掺杂层状正极材料的锂离子电池,不仅能够提高循环性能,而且能够在较高的电压范围及较长的循环周期内保持较高的容量保持率。也就是说,对于电池生产商来说,在电池组装完成后,不再需要若干次的充分充电、放电,直接按照本申请的方法提前放电到一定的电压后,即可直接给到用户进行正常的充放电使用。
[0036]下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明,不应理解为对本申请的限制。
[0037]实施例一
[0038]本例的正极采用层状正极材料Li (Nia5Coa2Mna3) O2 (即NCM523)为活性材料制备,以Li金属为负极,使用常规的EC、DEC电解液,组装壳式电池进行试验,在电池进行充电、放电循环之前,预先对电池进行放电处理,其设计思路如图1所示,即通过提前放电处理使CNT与电解液反应生成SEI,包覆在NCM523粒子表面,进而阻止NCM523中Mn离子向电解液的溶解,同时避免在充电时NCM523与电解液的反应,并激活NCM523表面和Li负极。具体方法如下。
[0039](a)将碳纳米管、石墨烯、导电聚合物中的至少一种和层状正极材料及以此为基础的掺杂体系材料分散均匀。
[0040]用数字天平称取层状正极材料粉末和单壁碳纳米管,层状正极材料粉末跟碳纳米管的质量比例为9:1,两者同时倒入10%的SDBS去离子水溶液,放在超声细胞粉碎机设备上共同超声2-10min,。
[0041 ] b.将分散均匀的碳纳米管和活性材料混合料通过真空抽滤法制备成具有三维多孔网络结构的薄膜电极。
[0042]真空抽滤法的过程示意图如图2所示,其步骤为:将真空抽滤装置安装好,将超声分散好的溶液倒入缓冲瓶中,开启真空栗开始抽滤,待溶液抽干以后,添加少量去离子水清洗,直至不再有泡沫产生,薄膜在氧化铝模版上形成,最后将沉积了三元正极材料和导电金属棒的复合薄膜的氧化铝模版放入烘箱中烘干,温度100°C,薄膜烘干后会自动从氧化铝模版上脱落,即获得薄膜电极。
[0043]c.将制备的薄膜电极切割成直径Icm的圆片,以Li金属为负极,使用新宙邦生产的电解液LBC3045M38制备壳式电池。
[0044]d.将制备的壳式电池安装在电池测试平台上进行放电,0.1C恒流放电,放电截止电位为1.2V,即完成提前放电处理。
[0045]采用电镜扫描分别对刚制备的薄膜电极、制成壳式电池后经过提前放电处理的电极,以及制成壳式电池后未经过提前放电处理直接进行循环的电极进行观察。并分别测试提前经过放电处理的壳式电池,以及没有经过提前放电处理的壳式电池的电化学性能。电化学性能测试包括,前10次充放电曲线测定,120次充放电循环性能测试,120次充放电循环后容量保持率的测定,充放电的具体条件为3.0-4.2V之间进行0.5C恒流充放电。
[0046]电镜扫描观察结果如图3所示,结果显示,本例的经过提前放电处理的电极,其表面明显生成一层较厚的SEI层,并紧密的包覆在NCM523材料表面,其主要是由电解液和碳纳米管形成的,可以防止NCM523中的有效元素损失;刚制备好的薄膜电极完全没有SEI层,而未提前放电处理直接进行循环的电极,表面存在一层很薄的SEI层,无法形成有效的防护,且主要是由于电解液和NCM523形成,存在NCM523中有效元素的损失。
[0047]电化学性能测试结果如图4-图7所示,结果显示,未提前放电的样品表现出较差的循环性能,经过多次循环后,其容量出现了明显衰减,而提前放电的样品在经过120次循环后,其可逆容量衰减不超过5%,说明了本申请的界面调控方法的有效性。
[0048]在以上试验的基础上,本例对不同的导电聚合物、纳米管、石墨烯进行了试验。导电聚合物除了可以采用聚苯胺以外,还可以使用聚噻吩、聚吡咯、聚苯乙炔、聚乙炔、聚苯撑、聚苯硫醚、富勒稀,此外,也可以使用聚噻吩、聚吡略、聚苯乙炔、聚乙炔、聚苯撑、聚苯硫醚、富勒烯的衍生物。纳米管除了使用单壁碳纳米管以外,还可以使用双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、功能化碳纳米管、导电材料形成的纳米管、导电材料形成的纳米棒或导电材料形成的纳米纤维。石墨烯除了可以使用单重石墨烯以外,其它的,如双层石墨烯、多层石墨烯、功能化石墨烯、导电材料形成的纳米片也可以用于本例。
[0049]实施例二
[0050]本例对不同的层状正极材料进行了试验,具体分别采用LiMn02、LiN12, LiCoO2,LiMn2O4和Li 2Μη03、替换实施例一的Li (Nia5Coa2Mna3)O2,制备正极。组装壳式电池的方法和提前放电处理方式与实施例一相同。
[0051 ] 并采用实施例一相同的电化学性能测试方法对本例的提前放电处理的壳式电池,以及没有经过提前放电处理的壳式电池进行测试。
[0052]结果显示,提前放电的样品在经过多次循环后,其可逆容量衰减得到明显改善,说明了本申请的界面调控方法的有效性。
[0053]在以上试验的基础上,本例还分别对通式为Li1 zNazNix,Coy,Mni x, y,02、Li2Ru1-y”Mny”03、x”Li2MnO3.(l_x”)LiM’ 02、LiN’ K’ O4的层状正极材料进行了试验,其中,Li1 zNazNix.Coy.Mni x,y,02中的 O 彡 x’ 彡 1,0 彡 y,彡 1,0 彡 z 彡 I ;Li
O 彡 y” 彡 I ;x” Li2MnO3.(l_x,,)LiM,O2中的 O 彡 x,,< 0.5,Μ,为 N1、Mn 或 Co ;LiN,K,O4中N’为Fe、Mn、Ni或Co,K’为P或Si。120次循环后的结果显示,未提前放电处理的壳式电池表现出较差的循环性能,而提前放电处理的壳式电池样品其可逆容量得到明显改善。
[0054]实施例三
[0055]本例特别针对锂离子电池的负极进行了试验,分别采用C、S1、Sn、Ge、Li3N、Li20、Ti02、Ni0x(0〈x〈2)、FeOx (0<x<2)、V0x(0<x<2.5)、Co0x
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