一种高电压锂离子电池的制作方法

文档序号:10537148阅读:532来源:国知局
一种高电压锂离子电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种高电压锂离子电池,所述锂离子电池包含正极、负极、隔膜和电解质,以磷酸钴锂及其复合物作为正极活性物质。磷酸钴锂及其复合物至少选自:磷酸钴锂及其碳复合物,磷酸钴锂及其金属离子掺杂复合物,磷酸钴锂及其导电聚合物复合物。与现有技术相比,本发明提供的基于金属氧化物负极及磷酸钴锂正极的高电压锂离子电池,具有安全性好、比容量高、比能量高的特点。磷酸钴锂正极材料具有高电压、高安全性、高结构稳定性的特点,有望成为新一代5V高电压、高容量、高能密度的正极材料。
【专利说明】
一种高电压锂离子电池
技术领域
[0001]本发明属于电化学领域,具体涉及一种新型高电压锂离子电池。
【背景技术】
[0002]21世纪人类必须面对能源和环境的两个严峻问题,因此开发新能源和可再生清洁能源有着深远的意义。电动汽车采用电能取代石油等化石燃料作为动力,具有节能环保的优势,受到了全球的关注。在与电动汽车相关的研究热点中,电池技术被视为最主要的难关。但是目前的动力离子电池体系在比能量、比功率、使用寿命、成本方面,还存在很多亟待解决的问题。因此,开发设计安全性好、比能量密度高、循环性能长的动力锂离子电池是必要和迫切的。
[0003]锂离子电池正极材料是锂离子电池的重要组成部分之一,其研究发展直接影响到锂离子电池整体性能。LiCoPO4晶体具有与磷酸铁锂一样有序的橄榄石型稳定的结构,属于正交晶系,理论放电容量为167mAh/g,LiCoP04正极材料具有安全性能好,相对于锂电极电势高(约4.8V),有望成为新一代高容量、高电压、高能密度的正极材料。
[0004]此外,负极材料也是提高锂离子电池能量及循环寿命的重要因素。目前,商业化使用的负极材料大多为石墨负极材料。该类负极材料具有良好的充放电平台和结构稳定性,但其实际放电比容量(约为330毫安时/克)已接近其理论值(372毫安时/克),无法满足新一代锂离子电池的需求。因此,开发、设计新型高容量的负极材料迫在眉睫。在寻找石墨替代物的过程中,一些过渡金属氧化物如Fe203、Fe304、Co304、Co0、Ni0、Cu0、Zn0等因具有较高的理论容量(600?1200毫安时/克)、环境友好、安全性好、成本低等优点,成为锂离子二次电池负极材料的研究热点。
[0005]因此,以LiCoPO4作为正极材料,以金属氧化物负极作为负极材料,在设计、研究、
开发新型高电压、高安全性、高能密度的磷酸钴锂/金属氧化物动力锂离子电池具有重要的科学意义和产业化应用价值。

【发明内容】

[0006]本发明的目的是提供一种新型的高电压锂离子电池。
[0007]本发明提供一种高电压锂离子电池,所述锂离子电池包含正极、负极、隔膜和电解质,
[0008]以磷酸钴锂及其复合物作为正极活性物质。磷酸钴锂及其复合物至少选自:磷酸钴锂及其碳复合物,磷酸钴锂及其金属离子掺杂复合物,磷酸钴锂及其导电聚合物复合物。
[0009]所述的磷酸钴锂及其碳复合物中的碳为多孔导电碳黑(Ketjenblack EC600JD)、微孔超导碳黑(BP2000)、碳纳米纤维(CNFs)、有序介孔碳(OMC)、多孔碳(CMK-3)、氧化石墨稀(G0)、石墨稀(Graphene)等具有高比表面积和优异导电性能的碳材料中的一种。
[0010]以金属氧化物及其碳复合材料作为负极活性物质。金属氧化物及其碳基复合物至少选自:铁氧化物及其碳基复合物,锰氧化物及其碳基复合物,钴氧化物及其碳基复合物,镍氧化物及其碳基复合物,铜氧化物及其碳基复合物以及锌氧化物及其碳基复合物。
[0011 ] 所述的铁氧化物为Fe0、Fe304、Fe203的一种或多种;所述锰的氧化物为Mn0、Mn304、Mn2O3的一种或多种;所述的钴氧化物为Co0、Co304的一种或多种;所述的镍氧化物为N1;所述的铜氧化物为Cu0、Cu20的一种或多种;所述的锌氧化物为ZnO。
[0012]所述的金属氧化物及其碳基复合物至少包括:金属氧化物/多孔碳复合物,金属氧化物/碳纳米管复合物,金属氧化物/石墨烯复合物,金属氧化物/碳黑复合物,金属氧化物/石墨复合物,金属氧化物/中间相碳微球复合物。多孔碳可选自含有大孔、介孔、微孔中至少一种的碳材料。碳黑选自乙炔黑、科琴黑中的一种或多种。石墨选自天然石墨、人工石墨、改性石墨中的一种或多种。
[0013]本发明提供一种制备所述高电压锂离子电池的方法,将含有金属氧化物负极活性物质的电极作为负极,与磷酸钴锂及其复合物正极相匹配。
[0014]本发明一种能量存储元件,所述能量存储元件含有所述锂离子电池。
[0015]有益效果:
[0016]与现有技术相比,本发明提供的基于金属氧化物负极及磷酸钴锂正极的高电压锂尚子电池,具有安全性好、比容量尚、比能量尚的特点。憐酸钻锂.正极材料具有尚电压、尚安全性、高结构稳定性的特点,有望成为新一代5V高电压、高容量、高能密度的正极材料。
[0017]另外,金属氧化物负极相对于金属锂的电压平台在0.5?2.1V之间,其表面没有金属锂析出,安全性好;而且,金属氧化物负极材料中的金属离子与锂离子发生基于多电子的氧化还原反应,理论比容量最高可以达到1200毫安时/克。根据全电池的理论容量计算,可以发现,当正极容量保持不变,负极容量在1000-1200毫安时/克时,全电池的比容量才可以得到很大程度的提升,高容量金属氧化物负极的使用提高了全电池的能量密度。此外,金属氧化物负极材料来源丰富,价格便宜,具有潜在的应用价值。
【附图说明】
[0018]图1为实施例1的锂离子电池的充放电曲线。
[0019]图2为实施例2的锂离子电池的充放电曲线。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
[0021 ]下述实施例中所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得。
[0022]实施例1、LiCoP04/碳正极-MnO/碳负极全电池的组装及其电化学性能测试
[0023](I)正极的制备
[0024]按L i CoPO4/碳:碳黑:粘结剂=(7?9):(0.5?2):(0.5?I)的比例(质量比)混合,混合均匀后,涂覆在铝集流体上,经真空干燥、切片后,得到正极极片。所述碳为多孔导电碳黑(Ketjenblack EC600JD)、微孔超导碳黑(BP2000)、碳纳米纤维(CNFs)、有序介孔碳(OMC)、多孔碳(CMK-3)、氧化石墨稀(GO)、石墨稀(Graphene)等具有高比表面积和优异导电性能的碳材料中的一种。
[0025](2)负极的制备
[0026]按照MnO/碳复合物:碳黑:粘结剂=(7?9): (0.5?2): (0.5?I)的比例(质量比)混合,混合均匀后,涂覆在铜集流体上,经真空干燥、切片后,得到负极极片。MnO/碳复合物中碳材料为多孔炭。
[0027](3)全电池的组装
[0028]在正极和负极之间插入聚丙烯微孔膜Celgard2300(美国celgard隔膜有限公司)作为隔膜,加入碳酸酯电解液[1M LiPF6(六氟磷酸锂)的DMC(碳酸二甲酯)/EC(乙烯碳酸酯)/PC(碳酸丙烯酯)(体积比为1:1:1)溶液]。
[0029](4)全电池的测试
[0030]将上述装配的全电池在充放电测试仪上进行充放电测试,测试的充放电区间为2.0-4.2V。测试温度为25°C,电池容量和充放电电流均基于正极材料的质量进行计算。图1是所述基于LiCoPO4/碳正极-MnO/碳的全电池在0.1C条件下的充放电曲线,首次放电比容量能达到16ImA h/go
[0031]实施例2、LiCoP04/碳正极-Fe3O4/碳负极全电池的组装及其电化学性能测试
[0032](I)正极的制备
[0033]按LiCoPO4/碳:碳黑:粘结剂=(7?9): (0.5?2): (0.5?I)的比例(质量比)混合,混合均匀后,涂覆在铝集流体上,经真空干燥、切片后,得到正极极片。所述碳为多孔导电碳黑(Ketjenblack EC600JD)、微孔超导碳黑(BP2000)、碳纳米纤维(CNFs)、有序介孔碳(OMC)、多孔碳(CMK-3)、氧化石墨稀(GO)、石墨稀(Graphene)等具有高比表面积和优异导电性能的碳材料中的一种。
[0034](2)负极的制备
[0035]按照Fe3O4/碳:碳黑:粘结剂=(7?9): (0.5?2): (0.5?I)的比例(质量比)混合,混合均匀后,涂覆在铜集流体上,经真空干燥、切片后,得到负极极片。Fe3O4/碳复合物中碳材料为多孔炭。
[0036](3)全电池的组装
[0037]在正极和负极之间插入聚丙稀微孔膜Celgard2300(美国celgard隔膜有限公司)作为隔膜,加入碳酸酯电解液[1M LiPF6(六氟磷酸锂)的DMC(碳酸二甲酯)/EC(乙烯碳酸酯)/PC(碳酸丙烯酯)(体积比为1:1:1)溶液]。
[0038](4)全电池的测试
[0039]将上述装配的全电池在充放电测试仪上进行充放电测试,测试的充放电区间为2.0?4.2V。测试温度为25°C,电池容量和充放电电流均基于正极材料的质量进行计算。图2是所述基于LiCoPO4/碳正极-Fe3O4/碳负极全电池在0.1C条件下的充放电曲线,放电比容量达到 120mA h/g。
[0040]综上所述,本发明提供的基于磷酸钴锂正极材料具有高电压、高安全性、高结构稳定性的特点,有望成为新一代5V高电压、高容量、高能密度的正极材料。金属氧化物负极的具有较高的比容量和优异的循环稳定性,而且金属氧化物负极的原料易得,成本较低,因而本发明的磷酸钴锂-金属氧化物/碳电池有望作为一种新型的安全性好且能量密度高的储能器件,具有良好的应用前景。上述内容仅为本发明的优选实施例,并非用于限制本发明的实施方案,本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神,可以十分方便地进行相应的变通或修改,因此本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种高电压锂离子电池,所述锂离子电池包含正极、负极、隔膜和电解质,其特征在于: 以磷酸钴锂及其复合物作为正极活性物质,磷酸钴锂及其复合物至少选自:磷酸钴锂及其碳复合物,磷酸钴锂及其金属离子掺杂复合物,磷酸钴锂及其导电聚合物复合物。2.根据权利要求1所述的一种高电压锂离子电池,其特征在于,所述的磷酸钴锂及其碳复合物中的碳为多孔导电碳黑、微孔超导碳黑、碳纳米纤维、有序介孔碳、多孔碳、氧化石墨烯、石墨烯等具有高比表面积和优异导电性能的碳材料中的一种。3.根据权利要求1所述的一种高电压锂离子电池,其特征在于,以金属氧化物及其碳复合材料作为负极活性物质,金属氧化物及其碳基复合物至少选自:铁氧化物及其碳基复合物,锰氧化物及其碳基复合物,钴氧化物及其碳基复合物,镍氧化物及其碳基复合物,铜氧化物及其碳基复合物以及锌氧化物及其碳基复合物; 所述的铁氧化物为Fe0、Fe304、Fe203的一种或多种;所述猛的氧化物为Mn0、Mn304、Mn203的一种或多种;所述的钴氧化物为Co0、Co304的一种或多种;所述的镍氧化物为N1;所述的铜氧化物为Cu0、Cu20的一种或多种;所述的锌氧化物为ZnO。4.根据权利要求1所述的一种高电压锂离子电池,其特征在于,所述的金属氧化物及其碳基复合物至少包括:金属氧化物/多孔碳复合物,金属氧化物/碳纳米管复合物,金属氧化物/石墨烯复合物,金属氧化物/碳黑复合物,金属氧化物/石墨复合物,金属氧化物/中间相碳微球复合物;多孔碳可选自含有大孔、介孔、微孔中至少一种的碳材料;碳黑选自乙炔黑、科琴黑中的一种或多种;石墨选自天然石墨、人工石墨、改性石墨中的一种或多种。5.—种制备如权利要求1?5所述的高电压锂离子电池的方法,其特征在于,所述方法为将含有金属氧化物负极活性物质的电极作为负极,与磷酸钴锂及其复合物正极相匹配。6.一种能量存储元件,其特征在于,所述能量存储元件含有权利要求1?5所述的锂离子电池。
【文档编号】H01M10/0525GK105895912SQ201610277884
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】栗欢欢, 盛益洪, 吴伯荣, 陈敏, 王亚平, 陈龙, 江浩斌, 胡楠楠, 朱大全
【申请人】江苏大学, 镇江弛旭锂电池有限公司
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