专利名称：锂离子电池阴极、其制备方法及采用该阴极的锂离子电池的制作方法
技术领域：
本发明关于一种锂离子电池阴极及其制备方法。
本发明还关于一种快速充放电的锂离子电池。
背景技术：
随着视听、资讯及通讯等电子产品均朝向无线化、便携化方向发展，大量便携式电器如移动电话、摄像机、笔记型电脑、照相机等普及使用，增大了对具有高压、大容量的可充电电池的需求。锂离子电池是一种新型可充电的理想的高能轻型电池，因其具有高工作电压与比能量、高放电电容量、工作电压平稳、循环寿命长等优点，成为移动电话、笔记本电脑及数码相机的重要电能供应来源。
一般而言，锂离子电池包括一阴极、一阳极及连接阴极与阳极并将其分隔开的渗透隔离膜。上述阴极、阳极及渗透隔离膜置于一金属罐内，并将电解液注入金属罐内，浸泡正极、负极，以发生电化学反应，将电能与化学能互相转换。
其中，渗透隔离膜为多孔结构，可使离子通过，却对电子绝缘，一般为聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。阴极材料一般为嵌锂过渡金属氧化物，如LiMO2(M＝Co、Ni或Mn)，为电子供给者，阴极材料的原子在氧化过程中变成离子，并释放出电子，离子通过渗透隔离膜在另一电极还原，电子则传输至外电路中形成电流。阳极材料一般为可嵌锂化合物，如各种碳材料包括石墨、碳纤维及金属氧化物等。
锂离子电池的电解液一般常用液态电解液，其以有机非水溶液如碳酸乙烯酯(Ethylene Carbonate，EC)、碳酸二乙酯(Diethyl Carbonate，DEC)的混合物为溶剂，以锂盐(如LiPF6)为溶质，并添加少量添加剂组成。
该种锂离子电池是以锂离子的嵌入与迁出反应实现充放电，取代锂电池内锂金属沉积与溶解反应。在充电过程中，锂离子会由阴极氧化物中迁出，再嵌入至阳极化合物中；在放电过程中，阳极材料中已存在的锂离子迁出，再行嵌入阴极氧化物中。如此反复进行，达到充放电的目的，可避免锂在电极表面的枝状晶化问题，使锂离子电池的寿命及安全性能更优。
锂离子二次电池虽然已被广泛使用，但仍存有部份问题尚待解决。锂离子迁出或嵌入阴极材料时，都是在固体中进行扩散反应，当锂离子离开阴极材料进入电解液后，则是在液体中进行扩散反应。一般而言，固体中的扩散系数较液体中的扩散系数小得多，因此锂离子在阴极端所遭受的扩散阻力主要来自于阴极固体材料中。这种阻力的存在，使锂离子电池充电与放电有一定的速度限制，无法进行快速的充放电。为增加电池导电性，需在阴极固体材料中添加助导剂，使得制程繁琐。
有鉴于此，提供一种阻力较小的锂离子电池阴极及其制备方法以及可快速充放电的锂离子电池实为必需。
发明内容以下，将以实施例说明一种阻力较小的锂离子电池阴极及其制备方法。
以及，通过这些实施例提供一种快速充放电的锂离子电池。
该种锂离子电池阴极包括多个纳米颗粒，该纳米颗粒是由纳米碳材及包覆在其表面的氧化物组成。
该氧化物为嵌锂过渡金属氧化物。该嵌锂过渡金属氧化物为LiMO2，M为Co、Ni或Mn。
该种锂离子电池阴极的制备方法，该阴极包括多个纳米颗粒，制备该阴极的纳米颗粒包括如下步骤将含所需氧化物的水溶液加入一密闭容器内；将纳米碳材加入该水溶液内；加热。
该种锂离子电池包括一阴极、一阳极及一渗透隔离膜，该渗透隔离膜连接阴极与阳极并将其分隔开，该阴极包括多个纳米颗粒，该纳米颗粒由纳米碳材及包覆在其表面的氧化物组成。
与现有技术相比，本实施例锂离子电池的优点在于其锂离子电池阴极以纳米碳材为嵌锂过渡金属氧化物的载体，可以减小锂离子电池阴极的粒径，缩短锂离子在阴极中所需的扩散时间，加快电池充放电速度，大幅缩短充放电时间。
该锂离子电池阴极及其制备方法的优点在于提供了一种结晶性佳、纳米级粒径的锂离子电池阴极，且纳米碳材的特性提高了锂离子电池阴极本身的导电性及热稳定性，并缩短了固体阴极材料中添加助导剂的制程。
图1是本实施例锂离子电池结构示意图。
图2是本实施例锂离子电池阴极的制备方法示意图。
图3是本实施例纳米颗粒的结构示意图。
具体实施方式为减小锂离子电池阴极的阻力，缩短锂离子在阴极中所需的扩散时间，加快电池充放电速度，本实施例考虑减少锂离子电池阴极的粒径。将锂离子电池阴极纳米化对减少其粒径具有重要作用。
C60(俗称纳米碳球)包含60个碳原子，由20个六角形和12个五角形所围成，外形像一颗足球，是目前已知对称性最高的球状分子。其分子直径为7.1埃，密度为1.68克/立方厘米，在室温下呈紫红色固态分子晶体。它与钻石一样常温下不具导电性，但在18K时具有超导性。
由化学性质来看，C60具有近似石墨的sp2杂化轨道，每个碳原子与相邻的三个碳原子键合，具有三个δ键和一个π键。其碳-碳键有两种长度，分别为1.38埃和1.45埃；两个相邻六角形所共享的碳-碳键较短，接近双键(C＝C)的性质(由一个δ键及一个π键所组成)，而六角环和五角环共享的键较长，接近单键(C-C)的性质。这种独特的化学结构使纳米碳球的化学性质相当稳定。
利用纳米碳球的上述性质纳米化电极材料颗粒，使减小锂离子电池阴极的粒径、进一步提升锂离子电池的功能、增大充放电容量以及加快充放电速度成为可能。
本实施例锂离子电池包括一阴极、一阳极及连接阴极与阳极并将其分隔开的渗透隔离膜。上述阴极、阳极及渗透隔离膜置于一金属罐内，并将电解液注入金属罐内，浸泡正极、负极，以发生电化学反应，将电能与化学能互相转换。其中，渗透隔离膜为多孔结构，可使离子通过，却对电子绝缘，一般为聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。阳极材料为可嵌锂化合物，如各种碳材料包括石墨、碳纤维及金属氧化物等。
本实施例锂离子电池阴极包含多个纳米颗粒，其中该纳米颗粒以嵌锂过渡金属氧化物，如LiMO2(M＝Co、Ni或Mn)等氧化物包覆纳米碳材制备而成。由于纳米碳材的粒径为纳米级，且常温下不导电，以纳米碳材为载体的锂离子电池阴极，可以减小粒径，锂离子在阴极中所需的扩散时间就会缩短，可快速地进入电解液，再扩散至阳极端。此阴极材料可使锂离子在充放电过程中迅速迁出及嵌入，加快电池充放电速度，大幅缩短充放电时间。
本实施例纳米碳材可采用纳米碳管、纳米碳球或纳米线。
该种锂离子电池的具体实施方式
为请参阅图1，该锂离子电池100包括一阴极110、一阳极120及连接阴极110与阳极120并将其分隔开的渗透隔离膜130。该渗透隔离膜130为多孔结构，其材质为聚乙烯。阳极120的材质为石墨。本实施例锂离子电池阴极110包含多个纳米颗粒，该纳米颗粒由氧化物包覆纳米碳材而形成。
本实施例锂离子电池100的工作原理为锂离子电池阴极110的原子在氧化过程中变成离子，并释放出电子，离子通过渗透隔离膜130在另一电极还原，电子则传输至外电路中形成电流。
本实施例锂离子电池阴极110的纳米颗粒以水热法制备。水热法是一种在密闭容器内完成的湿化学方法，与溶胶凝胶法等其它湿化学方法的主要区别为温度和压力。其温度范围介于水的沸点与临界点(374℃)之间，通常介于130～250℃间，相应的水蒸汽压为0.3～4MPa。水热法所得粉末粒度通常为0.1微米至几微米，甚至几十纳米，且具有结晶好、团聚少、纯度高、粒度分布窄及形貌可控等优点。
图2是锂离子电池阴极110的制备方法示意图。该方法在一密闭容器10内进行，该密闭容器10内的水溶液11的溶质为所需氧化物，将纳米碳材12加入该水溶液11中，加热，产生的水蒸气产生高压，在该条件下，产生所需的锂离子电池阴极材料。
在加热同时可进行搅拌，搅拌方式可采用电磁搅拌，还可采用搅拌棒搅拌。
还可在加热同时进行超声波震荡，使纳米碳材粒子分散更均匀。
本实施例纳米碳材为纳米碳管、纳米碳球或碳纳米线。
图3是本实施例纳米颗粒20的结构示意图，其中，氧化物21包覆在纳米碳材12表面。
本实施例锂离子电池阴极及其制备方法提供了一种结晶性佳、纳米级粒径的阴极材料，且纳米碳材的特性提高了阴极材料本身的导电性及热稳定性，并缩短了固体阴极材料中添加助导剂的制程。
本实施例制备的产物在水热反应下已晶化，无需再经过常规的热处理晶化过程，从而可减少或消除热处理过程中的颗粒团聚。且不需高温烧结即可直接得到结晶粉末，从而避免研磨及由此带来的杂质。环境污染少、成本低、易于商业化。
权利要求
1.一种锂离子电池阴极，其特征在于包括多个纳米颗粒，该纳米颗粒是由纳米碳材及包覆在其表面的氧化物组成。
2.如权利要求1所述的锂离子电池阴极，其特征在于该纳米碳材为纳米碳管、纳米碳球或碳纳米线。
3.如权利要求1所述的锂离子电池阴极，其特征在于该氧化物为嵌锂过渡金属氧化物。
4.如权利要求3所述的锂离子电池阴极，其特征在于该嵌锂过渡金属氧化物为LiMO2，M为Co、Ni或Mn。
5.一种锂离子电池阴极的制备方法，该阴极包括多个纳米颗粒，其特征在于制备该阴极的纳米颗粒包括如下步骤将含所需氧化物的水溶液加入一密闭容器内；将纳米碳材加入该水溶液内；加热。
6.如权利要求5所述的锂离子电池阴极的制备方法，其特征在于在加热同时进行搅拌。
7.如权利要求6所述的锂离子电池阴极的制备方法，其特征在于该搅拌为电磁搅拌或搅拌棒搅拌。
8.如权利要求5所述的锂离子电池阴极的制备方法，其特征在于在加热同时进行超声波震荡。
9.一种锂离子电池，包括一阴极、一阳极与一渗透隔离膜，该渗透隔离膜连接阴极与阳极并将其分隔开，其特征在于该锂离子电池阴极包括多个纳米颗粒，该纳米颗粒是以氧化物包覆纳米碳材而形成。
10.如权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于该纳米碳材为纳米碳管、纳米碳球或碳纳米线。
11.如权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于该氧化物为嵌锂过渡金属氧化物。
12.如权利要求11所述的锂离子电池，其特征在于该嵌锂过渡金属氧化物为LiMO2，M为Co、Ni或Mn。
13.如权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于该渗透隔离膜为多孔结构。
14.如权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于该渗透隔离膜的材质为聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。
15.如权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于该阳极的材质为可嵌锂化合物。
16.如权利要求15所述的锂离子电池，其特征在于该可嵌锂化合物为石墨、碳纤维或金属氧化物。
全文摘要
本发明提供一种锂离子电池阴极，其包括多个纳米颗粒，该纳米颗粒是由纳米碳材及包覆在其表面的氧化物组成。制备该阴极的纳米颗粒包括如下步骤将含所需氧化物的水溶液加入一密闭容器内，将纳米碳材加入该水溶液内，加热。本发明还提供一种锂离子电池，包括一阴极、一阳极与一渗透隔离膜，该渗透隔离膜连接阴极与阳极并将其分隔开，该锂离子电池阴极包括多个纳米颗粒，该纳米颗粒是以氧化物包覆纳米碳材而形成。
文档编号H01M4/04GK1877884SQ200510035289
公开日2006年12月13日 申请日期2005年6月10日 优先权日2005年6月10日
发明者何纪壮 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司