安全型高比能量动力锂离子电池的制作方法

本实用新型涉及锂离子电池，特别涉及一种安全型高比能量动力锂离子电池。

背景技术：

现有的动力电池通常使用磷酸铁锂正极和石墨负极，其中，正极的磷酸铁锂在制备烧结过程中，氧化铁在高温还原性气氛下可能被还原成单质铁，容易引起电池的微短路。磷酸铁锂的振实密度与压实密度很低，导致锂离子电池的能量密度较低，且低温性能较差，在低温下(0℃以下)无法使电动汽车行驶。并且，磷酸铁锂的合成反应是一个复杂的多相反应，很难保证产品的一致性，导致电池的制造成本较高，成品率低。负极的石墨本身的理论储锂容量较低，高倍率充放电性能差，限制了锂离子电池在高容量和高功率方面的发展。因此，现有的动力电池能量密度较低，环境适应性难以满足整车及其他储能需求。

技术实现要素：

本实用新型提供一种安全型高比能量动力锂离子电池，使用富锂三元材料正极和硅碳复合材料负极，有效提高电池循环寿命及安全性能，使电池实现高能量密度的同时，其他性能指标能满足汽车及其他储能需求。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供一种安全型高比能量动力锂离子电池，其中，电池的正极极片、负极极片及两者之间的隔膜通过卷绕或叠片形成电芯；所述正极极片包含正极集流体，以及在正极集流体两面设置的三元材料层，三元材料是LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂；所述负极极片包含负极集流体，以及在负极集流体两面设置的碳硅复合材料层。

优选地，所述正极极片还包含设置在三元材料层外部的包覆层；

所述包覆层是碳包覆层、金属氧化物包覆层、金属氟化物包覆层、磷酸盐包覆层、锂化物包覆层、金属银包覆层中的任意一个。

优选地，所述正极极片还包含设置在三元材料层与正极集流体之间的PTC温度敏感层。

优选地，所述负极极片还包含设置在硅碳复合材料层与负极集流体之间的PTC温度敏感层。

优选地，所述正极集流体是铝箔；所述负极集流体是铜箔。

优选地，所述隔膜包含聚烯烃基材层，以及设置在所述聚烯烃基材层两面的陶瓷涂覆层。

本实用新型的安全型高比能量动力锂离子电池，通过对电极界面结构的布局，实现具有高比能量、高安全性及长循环寿命的三元/硅碳体系动力电池，单体电池能量密度能够达到180wh/kg。

本实用新型中的包覆层可以有效减少活性物质与电解液的接触面积和副反应的发生，阻止金属离子在电解液中的溶解，防止循环中颗粒体积的变化，以有效提高材料的电化学性能。

本实用新型可以有效提高极片界面状态的稳定性，通过PTC温度敏感层有效防止电池反应升温，降低电池燃烧、爆炸等风险；通过陶瓷涂层有效防止正负极之间短路，提高安全性能。

附图说明

图1是本实用新型安全型高比能量动力锂离子电池的外形结构示意图；

图2是本实用新型正极极片中各层结构的示意图；

图3是本实用新型负极极片中各层结构的示意图；

图4是本实用新型隔膜的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的安全型高比能量动力锂离子电池中，正极极片、负极极片及两者之间的隔膜，通过卷绕或叠片形成电芯；电芯及电解液设于电池的外壳10中，并使得正极或负极的集流体通过其各自引出的极耳，连接至外壳上对应的正极或负极的极柱20、30。通过极柱上设置的连接片，将多个电池的单体串联或并联形成电池模块，满足车用及储能系统需求。

如图2所示，本实用新型的正极极片，是在正极集流体1的两面涂布三元材料层3(图中仅示出涂布的一面)。本例的正极集流体1是铝箔。三元材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂，具有比容量高、热稳定性优异和耐过充性能好的优势。其中，Ni²⁺能提高材料的比容量，Co³⁺能有效减少阳离子混合占位情况，提高材料的循环性能；Mn⁴⁺有利于降低材料成本，提高材料的安全性和稳定性，一定程度改善锂离子电池在高功率放电条件下的性能。

为了进一步改善高流量密度和高电压下，三元材料层3的活性物质和电解液接触界面的不稳定性和金属离子溶出问题，加强其表面稳定性，在三元材料层3为活性物质的正极极片，设置了以下的任意一种包覆层4。

碳包覆层，如碳类的蔗糖、淀粉、聚乙烯醇(PVA)等；利用碳的优异电子和离子传导性，在电解液中具有稳定性的特质；包覆后，分布在颗粒表面和孔洞中的碳有利于颗粒之间电子的转移，提高材料的锂离子扩散系数，减少极化的产生。

金属氧化物包覆层，如CeO₂、TiO₂、ZnO、ZrO₂、Al₂O₃等，提供较强的M-O金属键而降低氧的活性，抑制氧的生成；在材料表面形成Li-M-O，M-O-F和M-F等，阻止HF对活性物质的腐蚀，保护活性物质表面，使层状结构保持稳定。

金属氟化物包覆层，如CaF₂、LiF、SrF₂、ZrF_x，氟化物可以阻止活性物质与电解液中HF反应，阻止金属离子的溶解及产物的分解，加强材料的结构稳定性。

磷酸盐包覆层，FePO₄、Li3PO₄等，PO₄^3-与金属离子的强共价键和强P＝O键可以稳定电极表面，提高材料的热稳定性和对电解液的抗腐蚀能力。

锂化物包覆层，如LiAlO₂、Li-La-Ti-O等，所包含的Li+较多，可以提高离子电导率，为锂离子脱嵌提供更好的中介体；

金属Ag包覆层，少量Ag嵌入晶体内部，增大晶体的层间距，使锂离子的嵌入和脱出更容易。

如图3所示，本实用新型的负极极片，是在负极集流体5的两面涂布碳硅复合材料层6(图中仅示出涂布的一面)。本例的负极集流体5是铜箔。硅碳复合材料具有一定储锂容量、电化学可逆嵌脱锂性能稳定的碳类材料作为活性材料的分散载体。复合材料的充放电特征具备载体碳材料和硅类材料各自的充放电特征以及复合特征，复合材料同时具备硅类材料的高储锂容量特性和碳类材料的高循环稳定性。

配合参见图2、图3所示，本实用新型中还可以涂布正极极片或负极极片的活性物质时，可以预先在集流体上涂布正温度系数很大的半导体材料PTC(Positive Temperature Coefficient)，即，在正极集流体1与三元材料层3之间设置PTC温度敏感层2，在负极集流体5与硅碳复合材料层6之间设置另一PTC温度敏感层2。

所述PTC温度敏感层2在常温时导电性良好，电阻率低于正、负极活性物质涂层的电阻率；当温度升高时，电阻急剧上升，PTC温度敏感层2内导电剂连接集流体和正、负极活性物质涂层间的导电网络被阻断。活性物质涂层内的电子不能通过集流体转移，电子的转移速度大大降低，可有效的防止电池进一步反应升温，从而降低电池燃烧、爆炸等风险。

如图4所示，本实用新型中的隔膜，包含基材层7和涂覆层8；基材层7的材料为聚烯烃，涂敷层8为陶瓷材料，即使基材层7失效，耐高温的陶瓷涂敷层8仍能有效防止正负极之间的短路，从而大大提高安全性能。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。