专利名称：采用泡沫金属作为集流体的二次锂离子电池或电池组的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用泡沫金属制成的集流体的二次锂离子电池或电池组。在单体锂离子电池中，正极集流体和负极集流体中至少之一是由泡沫结构尤其是泡沫金属制成的，例如正极集流体为泡沫铝，负极集流体为泡沫铜、泡沫镍或者泡沫铁。本发明还涉及了由以上单体锂离子电池组成的二次锂离子电池组。
背景技术：
本发明主要涉及锂离子电池。目前随着市场对于锂离子电池的性能要求的不断提高，用户要求锂离子电池的能量密度更高，大电流放电性能更好。各锂离子电池制造厂家针对以上客户要求，不断进行研发，以通过提高电池有效空间的利用率来提升电池的能量密度；更有效地发挥电池的活性物质的电化学活性以提高其有效利用率。
从根本上提高锂离子电池能量密度和电化学性能的方法是发明新的能量密度更高的、可以用于锂离子电池的正负极材料。其次是如何减少电池无效的空间，来增加活性物质(正负极材料)的填充量，或者采取适当的物理或化学方法提高活性物质的利用率。对于后一种方法可以采用以下手段采用更薄的集流体和隔膜；采用更有效的添加剂来提高活性物质的有效利用率。
目前仍然需要继续改善二次锂离子电池能量密度和电化学性能。
发明内容
针对对于锂离子电池能量密度和倍率放电等性能指标的更高要求，目前大多数锂离子电池制造厂家都是通过采用更薄的集流体和隔膜；采用更有效的添加剂来提高活性物质的有效利用率。然而，通过大量的实验，本发明人发现，与目前使用的箔类如铜箔、铝箔相比，采用金属泡沫作为锂离子电池的集流体，显著提高了锂离子电池的容量和倍率放电性能。
在本发明的一个实施方案中，金属泡沫可以是包括金属基体骨架的连续相和气孔分散相或连续相的两相复合材料。
不希望受任何理论的限制，在本发明中采用金属泡沫代替传统的箔集流体从而提高了锂离子电池的容量和倍率放电性能的原因可以推测如下。由于泡沫金属内存在着高孔率的三维孔隙，可以使得活性物质填充在该孔隙内，而不是像箔体集流体那样只能涂敷在其表面。而活性物质填充在泡沫金属内的高孔率三维孔隙内后，不但增大了填充率，而且由于泡沫金属本身的三维孔隙结构和高孔率更有利于电流密度的均匀分布和电解液渗透、均匀分布，从而可以提高锂离子电池的活性物质利用率，提高锂离子电池的容量和倍率放电性能。
相反，对于金属箔材，活性物质只能分布在集流体的表面。转化成化学能的电能主要靠集流体传递给活性物质(即充电过程中活性物质将电能转化成化学能，这一过程是能源输入过程；使用过程是放电过程，通过放电将化学能转化成电能，这一过程是能源的输出过程。)靠近集流体的活性物质和远离集流体的活性物质在电能的分配上差异很大，越靠近集流体，其所分配的电能越多同时也越均匀，越远离集流体，其所分配的电能越少。可以看出由于锂离子电池集流体采用的金属箔材导致了锂离子电池活性物质输入和输出以及在转化过程中能量的不均匀性，影响到了活性物质利用率的提高。
本发明人作了大量实验来改进锂离子电池的集流体，通过集流体的改进来提高锂离子电池的能量密度和倍率放电性能。这也是本发明所要达到的一个主要目的。
要达到以上目的，本发明通过大量实验提出了以下解决方案。利用本方案制作的锂离子电池包括以下部分电极、电解质、隔膜、容器。其中电极包括正极和负极，正极包括正极集流体和正极活性物质；负极包括负极集流体和负极活性物质；隔膜可以是单纯的固体绝缘层，也可以是凝胶物，也可以是具有导电性能的固状物；容器是正极、负极、隔膜、电解质的包容体，可以是具有固定形状的容器也可以是由薄膜材料作成的容器。
在本发明的一个优选实施方案中，二次锂离子电池中的正极集流体和负极集流体中的至少之一包括泡沫金属，例如正极集流体为泡沫铝，负极集流体为泡沫铜或者泡沫铁或者泡沫镍。在满足上述特征的条件下，电池中电流密度和电解液可以获得均匀分布，可以提高电池内活性物质的利用空间，可以提高电池的能量密度和电池的倍率放电性能。
实施本发明具体方式本发明提供了具有更高能量密度和更好倍率放电性能的二次锂离子电池和电池组。在本发明中，“锂离子电池或电池组”是指本发明既可应用于锂离子单体电池，也可应用于包括保护电路的单体锂离子电池，也可应用于包括多个单体锂离子电池的电池组，也可应用于包括多个单体锂离子电池及保护电路的电池组，为了简便起见，有时也统称为“锂离子电池”。此外，本发明中“集流体”是指与正、负极材料相接触并能够进行电流传递的导电材料，例如金属材料。
更具体地，一个实施方案中，本发明提供了一种新颖的具有更高能量密度和更好倍率放电性能的二次锂离子电池或电池组。此单体锂离子电池正极集流体为泡沫铝，负极集流体为泡沫铜或者泡沫铁或者泡沫镍。或者该二次锂离子电池至少包括以上集流体的一种。
以下以非限制方式更具体地介绍适用于本发明方法的二次锂离子电池或电池组。二次锂离子电池的一般结构包括正极、负极、非水电解质、隔膜和容器组成。非水电解质通过将含锂的金属锂盐例如LiPF6作为电解质溶解在例如碳酸亚乙酯或碳酸二甲酯的非水溶剂中而得到。隔膜在上述非水溶剂中不溶解，并且是由例如聚乙烯或聚丙烯树脂制成的多孔膜。或者，也可以是由非水电解质溶液增塑聚合材料得到的含有凝胶电解质类型的固体电解质。
正极正极制备可例如采用通过将正极活性材料、导电剂和粘合剂在适当溶剂中混合均匀而制成的浆料用拉浆或其他的方式填充在集流体内，接着干燥并压制成电极。
本发明中电池正极活性物质为含锂元素的化合物。虽然在实施例中本发明使用了钴酸锂(即锂钴复合氧化物)作为正极活性材料进行了描述，但是应该理解，本发明的实施并不依赖于所述含锂复合氧化物的特性，而可以广泛地适用于各种正极活性材料。他们的共同特点是锂离子可以进行脱出和嵌入。同样本发明也适用于以各种掺杂型的含锂元素作为正极活性物质的锂离子电池，如包括各种氧化物和硫化物的正极活性材料，其实例包括例如，锂钴复合氧化物、锂锰复合氧化物、锂镍复合氧化物、锂镍钴复合氧化物、锂锰钴复合氧化物、锂镍锰钴复合氧化物和钒氧化物。在这些正极活性材料中，优选使用具有高电池电压的锂钴复合氧化物(例如LiCoO2)、锂锰复合氧化物(例如LiMn2O4)、锂镍复合氧化物(例如LiNiO2)、锂镍钴复合氧化物(例如LiNi1-xCoxO2)、锂锰钴复合氧化物(例如LiMnxCo1-xO2)。此外，本发明可以使用公知的导电剂和粘合剂。正极活性材料中各组分的混合比例可以使用公知的比例范围。
隔膜本发明所用的隔膜可以是公知的隔膜，没有特别的限制。例如可以是由合成树脂的无纺布、聚乙烯多孔膜或聚丙烯多孔膜以及由此类材料复合而成的材料制成的类型。
负极负极制备可例如采用通过将负极活性材料、导电剂和粘合剂在适当溶剂中混合均匀而制成的浆料用拉浆或其他的方式填充在集流体内，接着干燥并压制成电极。
本发明中电池负极活性物质为锂离子能在其中嵌入和脱出的碳系和非碳系的物质，包括，例如，锂合金(例如，Li4Ti5O12)、金属氧化物(例如非晶态锡氧化物、WO2和MoO2)、TiS2以及能嵌入和脱嵌锂离子的碳系物。特别希望使用碳系物充当负极活性材料。
本发明所用的碳系物包括，例如，石墨、无取向性石墨、焦炭、碳纤维、球形碳、树脂烧结碳和气相生长碳，纳米碳管。因为包含如上所述的特定碳纤维或球形碳的负极表现出高充电效率，特别希望使用中间相沥青基碳纤维或中间相沥青基球形碳充当碳素物。中间相沥青基碳纤维和中间相沥青基球形碳可采用公知的方法获得。
非水电解质和外壳均可采用公知的类型和材料，并未特别限定，非水电解质，例如可以使用，在非水溶剂中溶解电解质而制成的液体非水电解质、将聚合物、非水溶剂和溶解物复合而制成的胶体非水电解质、聚合物固体非水电解质等等。
电池的结构可以是通过卷绕或叠片的方式来形成，可以制成例如柱状、方形等形状。
集流体本发明实施例中所采用的集流体为泡沫金属，优选正极为泡沫铝和/或负极为泡沫铜或泡沫镍或泡沫铁。该泡沫金属可以采用公知的方法制得。泡沫金属的制备有发泡法和电镀法，前者通过向熔体金属添加发泡剂制得泡沫金属；后者通过电沉积工艺在聚氨酯泡沫塑料骨架上复制成泡沫金属。以上材料国内厂家如长沙力元新材料有限公司有供应。当然，本发明也可以使用其它导电泡沫结构。
对电池的充放电操作均可以采用本领域公知的方式进行。
实施例下面将根据具体的试验结果详细叙述本发明。
单体锂离子电池的制备本发明实施例中，使用的单体锂离子电池制作过程如下采用泡沫铜作为负极的集流体，泡沫铝作为正极的集流体，(作为对比，其对照例子采用铜箔作为负极集流体，采用铝箔作为正极集流体)正极活性物质用钴酸锂，负极活性物质用MCMB。电池型号为方型063048A。将钴酸锂与7％的黏合剂PVDF和5％的导电碳黑混合，按1∶1的比例加入N-甲基吡咯烷酮中，制成正极浆料。负极物质可以直接与10％的黏合剂PVDF进行混合，按1∶1的比例加入，制成负极浆料。将搅拌均匀好的正极浆料用拉浆的方法填充在正极集流体内，将搅拌均匀好的负极浆料用拉浆的方法填充在负极集流体内。(作为对照组电池，其正极集流体采用铝箔，负极集流体采用铜箔，用涂布的方式将正负极浆料分别涂敷在正负极集流体表面。)然后烘干，经过压制后，点上极耳，插入隔膜后，在卷绕机上卷绕后装入电池容器中，电池容器材料可以为铝壳。隔膜为PP材料。将电池壳和电池盖用激光焊接的方法焊接在一起。在相对湿度小于1.5％的环境下进行注液，电解液采用EC∶DEC∶DMC＝1∶1∶1的混合溶剂，电解质为1M六氟磷酸锂，注液后立即封口。
实施例1按上述方法制成063048方型的多个锂离子电池，其所用正极集流体为通用的公知的铝箔，负极为通用的公知的铜箔。上述电池的算术平均结果显示电池0.2C5A容量为为873毫安时，1C5A容量为795毫安时。
实施例2按上述方法制成063048方型的多个锂离子电池，其所用的正极集流体为泡沫铝，负极为铜箔，上述电池的算术平均结果显示电池0.2C5A容量为为925毫安时，1C5A容量为901毫安时。
实施例3按上述方法制成063048方型的多个锂离子电池，其所用的正极集流体为铝箔，负极为泡沫铜，上述电池的算术平均结果显示电池0.2C5A容量为为915毫安时，1C5A容量为896毫安时。
实施例4按上述方法制成063048方型的多个锂离子电池，其所用的正极集流体为铝箔，负极为泡沫镍，上述电池的算术平均结果显示电池0.2C5A容量为为911毫安时，1C5A容量为890毫安时。
实施例5按上述方法制成063048方型的多个锂离子电池，其所用的正极集流体为铝箔，负极为泡沫铁，上述电池的算术平均结果显示电池0.2C5A容量为为906毫安时，1C5A容量为887毫安时。
实施例6按上述方法制成063048方型的多个锂离子电池，其所用的正极集流体为泡沫铝，负极为泡沫铜，上述电池的算术平均结果显示电池0.2C5A容量为为931毫安时，1C5A容量为923毫安时。
通过以上实施例可以看出1、将二次锂离子电池的正极集流体换成泡沫铝后其容量和倍率放电性能都得到了提高。
2、将二次锂离子电池的负极集流体换成泡沫铜或泡沫镍或泡沫铁后其容量和倍率放电性能都得到了提高。
3、将二次锂离子电池的正极集流体换成泡沫铝、负极集流体换成泡沫铜后其容量和倍率放电性能都得到了提高。
上述实施例显示应用本发明方法，将锂离子电池的集流体换成泡沫金属材料可以提高锂离子电池的容量和倍率放电性能。适应了目前市场对于二次锂离子电池容量和倍率放电性能提高的要求，具有非常重大的商业价值，对丰富锂离子电池的基础理论研究亦有一定的贡献。
权利要求
1.单体二次锂离子电池，其特征在于该单体锂离子电池包括作为集流体的导电泡沫结构。
2.如权利要求1所述的二次锂离子电池，其特征在于所述的导电泡沫结构是金属泡沫。
3.如权利要求1所述的二次锂离子电池，其特征在于该单体锂离子电池的正极集流体为泡沫铝。
4.如权利要求1-3中任一项所述的二次锂离子电池，其特征在于该单体锂离子电池的负极集流体为泡沫铜或者泡沫镍或者泡沫铁。
5.二次锂离子电池组，包括如权利要求1-4中任一项所述的单体锂离子电池。
全文摘要
本发明提供了一种二次锂离子电池，其正极集流体为泡沫铝和/或负极集流体为泡沫铜或者泡沫镍或泡沫铁。本发明还提供了由以上单体锂离子电池组成的二次锂离子电池组。
文档编号H01M4/66GK1921190SQ200610154100
公开日2007年2月28日 申请日期2006年9月22日 优先权日2006年9月22日
发明者任晓平, 孙杰 申请人:任晓平, 孙杰