可充锂二氧化锰电池的制作方法

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背景技术:

锂电池(Lithium Battery,简写成LB)分为锂一次电池(又称锂原电池,Primary LB)与锂二次电池(又称锂可充电电池,Rechargeable LB)。锂原电池通常以金属锂或者锂合金为负极,用MnO2,SOCl2,(CF)n等材料为正极。锂二次电池研发分为金属锂二次电池、锂离子电池。

锂原电池的研究开始于20世纪50年代,在70年代实现了军用与民用。后来基于环保与资源的考虑,研究重点转向可反复使用的二次电池。锂金属二次电池研究只比锂原电池晚了十年,它在80年代推出市场。Exxon一直致力于锂金属二次电池的研究。1972年,他们设计了一种以TiS2为正极、锂金属为负极、LiClO4/二恶茂烷为电解液的电池体系。实验表明,Li/TiS2电池的性能表现良好,与过量的锂金属阳极搭配,TiS2稳定性能容许它深度循环接近1000次,每次循环损失低于0.05%。

这些研究成果公诸于众,很快说服了大众。但电池体系的循环效率却与理论值仍然相差甚远,实际电池寿命短、安全性能差等问题也接踵而来。充放电机理的研究表明,锂枝晶的生成是“罪魁祸首”。

充电过程中,由于金属锂电极表面凹凸不平,电沉积速率的差异造成不均匀沉积,导致树枝状锂晶体在负极生成。当枝晶生长到一 定程度就会折断,产生“死锂”,造成锂的不可逆,使电池充放电实际容量降低。锂枝晶也有可能刺穿隔膜,将正极与负极连接起来,电池产生内短路。短路生成大量的热会令电池着火甚至发生爆炸。

要解决锂枝晶的问题,研究人员首先想到用锂合金(如锂铝合金)作为替代电极。70年代末,Exxon的研究人员开始对锂铝合金电极进行研究,结果并不如人意。由于电极体积变化大、循环次数有限以及锂在合金中的扩散速率低(特别在室温下)等问题,锂铝合金蓄电池只能用在低放电深度和低放电率的扣式电池上,才能满足特定条件下的使用要求。1977-1979年,Exxon推出扣式锂合金二次电池,用于手表和小型设备。

“摇椅式电池”是一种电池的设计概念,其创新之处在于:它用嵌入化合物代替了锂金属,电池两极都由嵌入化合物充当。这样,两边都有“空间”让锂离子嵌入,在充放电循环过程中,锂离子在正负电极来回“嵌入”与“脱嵌”,就像摇椅一样“摇摆”,因此得名。

最早提出“摇椅式”电池概念的是Armand。70年代初,Armand就开始研究石墨嵌入化合物。1977年,他为嵌锂石墨化合物申请专利时,指出该化合物可充当二次电池的电极材料。1980年,他提出“摇椅式电池概念”,让锂二次电池的正负两极均由嵌入化合物充当。同年,Scrosati等人发表了基于两种无机嵌入化合物的锂二次电池的论文。

RCB令电池设计思路豁然开朗,但是要让“概念”得以实现,

必须跨越三道“障碍”:一是找到合适的嵌锂正极材料,二是找到适用的嵌锂负极材料,三是找到可以在负极表面形成稳定接口的电解液。

合适的正负极材料并不好找,传统的嵌入化合物都不符合要求,这是因为:锂的电极电势极低,用另一种嵌入化合物代替金属锂,其电极电势一定会上升。要在正负极间形成一定电压降,并为了补偿负极电压升高造成电压损失,正极材料电压要足够高;另外,无论是锂合金还是嵌锂化合物,负极材料的电压要足够低。最后,这些正负极材料还要与匹配的电解质溶剂产生稳定的接口。这些障碍让RCB从概念变成现实足足花了10年的时间。

碳材料作为固体化学的研究主题已经有很长的时间,但在LIB出现以前作为负极材料的嵌入化合物的研究并不多。

直至RCB概念提出以后,人们在寻找低电压的嵌入化合物时,Li-GIC才被重新提起。在有机溶剂中把石墨作为“宿主”嵌入锂实在令人难以置信,电池专家们无法想象当找到含有复杂锂盐的惰性有机电解质(如LiPF6,LiBF4,LiAsF6)时,在碳材料表面形成的钝化膜(SEI)具有如此良好的稳定性。电极与电解质之间接口的稳定性保障了电池在经历1000多次循环反应之后,Li-GIC并无腐蚀。当研究人员把RCB负极材料的“选票”投给Li-GIC或者Li-CIC的时候,RCB的实现终于扫除了最后一个障碍。1990-1995年,多个电池制造商都推出了与RCB概念对应的电池产品。最早是1990年Nagaura等

以“Li-ion”(锂离子)命名的产品;接着是1993年Bittihn等提出的“Swing Electrode System”(摇摆电极体系)以及1994年Sawai等提出的“Shuttlecock”(穿梭往返之意)。虽然名字不同,实质上仍是RCB概念的应用技术。而最早将该技术商品化的是索尼公司。随后几间公司也宣布锂离子电池的商品化,包括A&T Battery,Hitachi Maxwell,Mitsubishi和Sanyo。

锂离子电池(Li-ion Battery,LIB)的设计贯彻了全新的电池概念。一般来讲,普通电池的工作原理大都基于“氧化-还原反应”;而锂离子电池原理除“氧化-还原”以外,还基于电化学嵌入/脱嵌反应。在两极形成的电压降的驱动下,锂离子(Li+)可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或者“脱嵌”,在充放电过程中,锂离子在正负极间定向的移动,。由于“嵌入与脱嵌”并没有造成电极材料晶格结构的变化,反应具有良好的可逆性。这让锂离子电池具有一般高能量密度可充电电池所不具备的高循环寿命。但传统锂离子电池锂源设计在正极,正极活性物质为钴酸锂;锰酸锂;磷酸铁锂等,制造成本高及安全性差等问题。



技术实现要素:

为了做出成本低安全性好锂二氧化锰可充电池,本发明提供一种可充锂二氧化锰电池,该电池不仅能反复多周次使用、成本低、安全性好,使用方便、绿色环保。

要解决的技术问题

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:负极为石墨和锂粉混合压制而成,这里的锂源直接以锂粉形式加在负极石墨里,当注入电解液后,锂嵌入石墨中即成可反复充电的锂离子负极。电池正极使用二氧化锰或锂锰氧化物,后者充电性能优于纯二氧化锰,材料在350-400℃高温除去材料中的水分,传统的锂离子电池锂源在正极。电解液是锂离子电池用的电解液。电池的工作原理和传统锂离子电池相同。

本发明的有益效果是:成本低、安全性好,使用方便、绿色环保。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是可充锂二氧化锰电池实施例的纵剖面构造图。

图中1.负极,2.正极,3.隔膜,4.电池盖,5电池壳,6.密封圈,

图中可充锂二氧化锰电池为扣式电池,负极(1)为钝化锂粉混合石墨,比例为1∶6-1∶2之间,正负极之间放锂离子电池隔膜(3),正极(2)为二氧化锰加2-10%导电材料如石墨和乙炔黑,为提高二氧化锰充电性能可制成锂锰氧化物,锂锰的摩尔陪比为0.3∶1。电解液为锂离子电池的有机电液。隔膜使用锂离子电池隔膜。正负极制片;加注电解液;封口需在在干燥环境中,露点-40℃。可充锂二氧化锰电池也可作成方型软包电池。

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