本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种高比能锂离子电池。
背景技术：
目前电动汽车动力电池有三大问题：一是安全性差，着火事件频频发生，甚至屡屡伤及乘客的生命。二是寿命不够长，约为车身寿命的一半。三是低温性能不好，难以在寒区正常使用。安全性差的主要原因是，正极使用三元材料镍钴铝酸锂或镍钴锰酸锂，并不断增加镍的含量以提高正极比容量，达到片面追求电池高比能量的目的；而这些三元正极材料的热失控温度最低，因而所做成电池的安全性最差。寿命不够长的主要原因，一是现在高比能锂离子电池的正极材料三元材料镍钴铝酸锂或镍钴锰酸锂电位高，消耗电解液快。二是以石墨为负极的锂离子电池在高倍率充电、尤其是低温时，容易在石墨表面沉积金属锂并长成锂枝晶，造成“死锂”而使比能量衰减。低温性能不好的主要原因，一是温度低时锂离子在石墨中的嵌入和脱嵌速度急速下降，因而锂离子电池的低温性能不佳，尤其不宜在低温下充电；二是锂离子在正极活性物质中的扩散速度急剧下降。
现有的锂离子电池存在几个问题：安全性与比能量相矛盾，比能量与充放电倍率相矛盾，充放电倍率与循环寿命相矛盾。安全性与比能量相矛盾的正确处理原则，是要在确保安全性的前提下提高比能量。比能量与充放电倍率相矛盾及充放电倍率与循环寿命相矛盾，则要找到兼顾的技术途径。针对单一的矛盾，目前均有较好的技术措施，而缺少综合的方法，大有顾此失彼之憾。如提高比功率主要是在电池制作工艺上采取减小活性物质的粒度、减小极片的厚度、减小电池的内阻等措施，这样比能量将受损严重。高功率锂离子电池中，已有在负极中开始使用硬炭者，主要是看中其快充电时不易长锂枝晶，而未对提高比能量有贡献；正极单纯使用三元材料以利用其高比容量，而未刻意提高电池的充电倍率。通常说起的快充电的锂离子电池，都指向负极使用钛酸锂，但此电池的比能量过低，价格又居高不下。
（1）朝阳立塬公司制成功率型磷酸铁锂电容电池，于2015年进行了技术鉴定，该电池以石墨为负极材料，放电功率可达2243w/kg，但比能量仅为78wh/kg。
（2）申请号为201510996357.4的专利申请书中，正极采用三元金属氧化物和大比表面双电层的混合物，负极为硬碳并预嵌锂，制备的化学电源具有放电高功率密度（>6500w/kg）的特性，10c倍率下循环寿命超过3万次，但其比能量仅为90～100wh/kg，而且预嵌锂技术在规模生产中难以操作。
（3）申请号为201611082582.8的专利申请书中，正极活性材料为含锂基镍钴锰氧化物中加入大量碳材料，其碳材料为活性碳、石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶中的一种或几种；但负极活性材料为掺锆或表面碳包覆的钛酸锂，未见其说明电池的性能数据。
（4）申请号为201810224732.7的专利申请书中，主要保护权项是负极预嵌锂技术，与早其3年的申请号为201510996357.4专利（上述专利2）申请书的思路雷同，其正极和负极活性材料都是锂离子电池材料。
上述（2）、（3）、（4）三项专利使用的三元材料均有安全性不佳的缺点。
增程式电动车可以解除纯电动车的里程、安全、价格、电池寿命、后续电池的五大焦虑，节能减排性能优于纯电动车，是电动汽车市场化的主要发展方向。增程式电动车的电池用量远小于纯电动车，如日产note的e-power动力系统的电池只有1.5kwh。可见，增程式电动车的电池若欲完全回收刹车能量，其充电倍率应该提高到5c以上，这也是大多数现有动力电池欠缺的。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高比能锂离子电池，具有高安全性、高比能量、高倍率充放电、资源丰富、循环寿命长、低温性能优越等综合优势。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高比能锂离子电池，包括负极活性物质和正极活性物质；
所述负极活性物质为硬炭材料；或由所述硬炭材料包覆纳米硅形成；或由所述纳米硅裹覆导电炭层后与所述硬炭材料均匀混合形成；
所述正极活性物质为复合多孔炭的磷酸铁锂；或为掺杂金属后裹覆所述多孔炭炭层的微纳结构磷酸铁锂。
优选地，所述硬炭材料和所述纳米硅的质量比为100：0-50：50。
优选地，所述硬炭材料的可逆比容量为400mah/g以上，粒径小于40微米，电导率大于5s/cm。
优选地，所述纳米硅的粒径小于20纳米。
优选地，所述多孔炭由碳气凝胶、石墨烯、骨架炭、导电性优良的活性炭中的一种或一种以上组成。
优选地，所述多孔炭占所述正极活性物质质量的1%-30%。
优选地，所述多孔炭的比表面积为600m2/g-1600m2/g。
优选地，所述磷酸铁锂与所述多孔炭的复合方式包括：将所述磷酸铁锂与所述多孔炭均匀混合后制浆，并涂布电极片；或将所述多孔炭制成网片，再与所述磷酸铁锂制成的电极片复合。
优选地，所述金属由钴、锰、镍、铬中的一种或一种以上组成。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种高比能锂离子电池，排除使用石墨负极材料和三元正极材料，以提高高倍率充电的安全性，而以可高倍率充电而不易长枝晶的硬碳为负极主要活性物质，利用其各向同性的特点提高负极的充电倍率和低温性能，并复合纳米硅提高负极的比容量；正极用安全性高、寿命长、廉价的磷酸铁锂，并在其中混入一定量的多孔炭以利用其双电层储能作用，提高正极的充电倍率和低温性能。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
磷酸铁锂的理论比容量是170mah/g，而且电位低，离子电导和电子电导性较差，但它具有安全性高，资源丰富，价格低廉等极为重要的优点，最适合本发明的高安全性要求。
本发明一种高比能锂离子电池中，首先着眼于正极和负极材料的安全性，同时通过“负极硬炭-纳米硅组合”与“正极磷酸铁锂-多孔炭组合”相配对，提高电池的比能量和比功率。其机制描绘如下：对于磷酸铁锂比能量低的缺点，负极选用比容量均高的硬炭材料和纳米硅，并在它们的复合中疏解了硅体积急剧变化带来的问题，从而可从负极腾出重量和体积来增加磷酸铁锂用量以弥补其电压低的弱点；而正极用量增加带来极片加厚和极化加重的问题，又可被其中高导电性多孔炭的双电层电容储能、导电网络强化和电解质的负离子参加传导电荷等作用所消解。对于磷酸铁锂离子电导和电子电导性较差的问题，通过在材料生产时复合多孔炭炭层和采取微纳结构等措施加以解决。尤其是通过在正极中加入多孔炭，利用其双电层储能的快速充放电性能，进一步提高了正极的倍率性能。
本发明一种高比能锂离子电池中，通过调节正、负极四种活性物质的比例，可以制成所需比功率-比能量的锂离子电池，可用作各种电动车的动力电池，应用前景十分良好。负极材料和正极材料的优选组合，形成本发明的核心技术特色，从而发明了一种安全的高比能的新型锂离子电池，更具体地说是一种安全高比能的电容型锂离子电池。0.5c放电的比能量可达190wh/kg，在常温下5c倍率下充放电比能量可达155wh/kg；循环1000周后，容量保持率在80%以上，而且具有良好的低温倍率性能。
实施例1
制备安全的高比能锂离子电池，负极活性物质为硬碳包覆纳米硅的复合材料，可逆比容量为595mah/g。正极活性物质为掺杂铬元素后并裹覆多孔炭炭层的微纳结构磷酸铁锂，加入的活性炭在正极活性材料中的质量比为8%，活性炭的比表面为1520m2/g。所得铝塑膜电池以0.5c倍率充电至3.8v，放电至2.5v，电池比能量为190wh/kg；5c充电-放电的比能量为155wh/kg；经过5c充放循环1000次后，容量保持率在80％以上。
实施例2
制备安全的高比能锂离子电池，负极活性物质为硬碳包覆纳米硅的复合材料，可逆比容量为510mah/g。正极活性物质为掺杂铬元素后并裹覆多孔炭炭层的微纳结构磷酸铁锂，加入的碳气凝胶在正极活性材料中的质量比为12%，碳气凝胶的比表面为810m2/g。所得铝塑膜电池以0.5c倍率充电至3.8v，放电至2.5v，电池比能量为179wh/kg；零下30℃的能量保持率在75％。5c充电-放电的比能量为152wh/kg。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。