[发明专利]一种高功率锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其是使用无定形碳作为阳极材料的高功率锂离子电池。

背景技术

锂离子电池相对于铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池具有更高的能量密度、自放电小、循环寿命长等优点，当前已广泛应用于消费电子领域。

许多应用场合，如HEV，在车辆启动时需要很大的启动电流、刹车时需要在很短的时间内回收能量，对于电池的要求为功率要高。从结构上看，锂离子电池包括正极、负极、隔膜、电解液及外包装。其工作原理为充电时，电子从正极材料流经外电路进入负极，锂离子先从正极材料颗粒内部扩散到颗粒表面，然后在液相电解液中电迁移到负极材料表面，穿过SEI膜，在负极材料颗粒内部扩散；放电时，则是一个反向过程。在此过程中锂离子在电极材料颗粒内部的扩散是速率限制步骤。常用的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。钴酸锂为二维层状结构，钴氧层间距约0.7nm，LiMn₂O₄为立方尖晶石结构，具有三维锂离子通道。而锂离子电池最常使用的石墨材料的层间距为0.338nm，由此可看出，石墨阳极材料为锂离子传输的速率限制步骤。

当前对于高功率锂离子电池阳极材料研究较多的是钛酸锂及其复合材料。申请号为200610014789.1、200810230097.X、201010127600.6、201010184114.8、201020135554.X的中国专利使用钛酸锂或钛酸锂/碳复合材料作为负极制作高功率锂离子电池。但是钛酸锂的平台电位为1.5V vs.Li⁺/Li，全电池的平台电压约2.3V，能量密度较低。另外，应用时组装成Pack组，将使得串联电芯数量增加，会增加组装复杂度及平衡电路的成本。

对于使用无定形碳材料作为阳极的锂离子电池，申请号为96114275.8、96114133.6的专利使用无定形碳作为阳极，制备了锂离子电池，其碳材料的可逆储锂容量达到了536mAh/g，此时阳极电位很接近析锂电位，较大倍率充电时，很容易析锂，对高功率锂离子电池的应用存在巨大的安全隐患，故不能作为高功率锂离子电池使用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，而提供了一种使用无定形碳作为阳极材料的高功率锂离子电池。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高功率锂离子电池，其包括过渡金属嵌锂氧化物的正极、无定形碳作为阳极材料的负极、隔膜、电解液及外包装，所述的无定形碳的石墨微晶簇的石墨片层的堆叠厚度为1.2～4.8nm。

相对于现有技术，本发明使用无定形碳作为阳极材料，制备得到高功率锂离子电池。其中的无定形碳材料的特点为石墨片层的堆叠厚度为1.2～4.8nm，此无定形碳材料的石墨微晶簇尺寸小，簇之间提供了大量的锂离子的传输通道，利于锂离子在无定形碳内部的扩散，当较大倍率充电时，极化小，不容易析锂，大大提高了高功率锂离子电池应用的安全性，同时微晶的层间距较大(0.35～0.38nm)，也利于锂离子在无定形碳内部的扩散，使得锂离子电池能够应用于大倍率、高功率的场合。

作为本发明高功率锂离子电池的一种改进，所述石墨片层的堆叠厚度为2～4.6nm，采用此堆叠厚度使得本发明具有良好的综合性能，尤其是功率密度更高。

作为本发明高功率锂离子电池的一种改进，所述石墨片层的堆叠厚度为3.72nm。

作为本发明高功率锂离子电池的一种改进，所述无定形碳的石墨微晶的层间距d(002)为0.340～0.385nm，微晶的层间距较大，利于锂离子在无定形碳内部的扩散，因此对锂离子传输影响较大的因素(锂离子在无定形碳颗粒内部的扩散)得以改善，使得锂离子电池能够应用于大倍率、高功率的场合。

作为本发明高功率锂离子电池的一种改进，所述石墨微晶的层间距d(002)为0.35～0.38nm。

作为本发明高功率锂离子电池的一种改进，所述无定形碳的D50为5～15μm，如果大于15μm会影响锂离子从电解液本体向无定形碳颗粒内部的传递速度，小于5μm会因比表面大，与电解液的接触更多，发生副反应，使得性能变差，所述的D50指一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50％，小于它的颗粒也占50％，D50也叫中位径或中值粒径。