[发明专利]一种新型锂离子电池正负极颗粒合金金属包覆方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型锂离子电池正负极颗粒合金金属包覆技术。

背景技术

锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。

锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，好的电池，每月在2％以下(可恢复)。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃～60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100％，而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。

锂离子电池由三个部分组成：正极、负极和电解质。

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。

充电时：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+xe

放电时：Li1-xFePO4+xLi+xe→LiFePO4

正极材料是锂离子电池的重要组成部分。迄今研究最多的正极材料是LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4及以上三种材料的衍生物，如LiNi0.8Co0.2O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等。

LiCoO2是唯一大规模商品化的正极材料，目前90％以上的商品化锂离子电池采用LiCoO2作为正极材料。LiCoO2的研究比较成熟，综合性能优良，但价格昂贵，容量较低，存在一定的安全性问题。

LiNiO2成本较低，容量较高，但制备困难，材料性能的一致性和重现性差，存在较为严重的安全问题。LiNi0.8Co0.2O2可看成LiNiO2和LiCoO2的固溶体，兼有LiNiO2和LiCoO2的优点，一度被人们认为是最有可能取代LiCoO2的新型正极材料，但仍存在合成条件较为苛刻(需要氧气气氛)、安全性较差等缺点，综合性能有待改进；同时由于含较多昂贵的Co，成本也较高。

尖晶石LiMn2O4成本低，安全性好，但循环性能尤其是高温循环性能差，在电解液中有一定的溶解性，储存性能差。

新型的三元复合氧化物镍钴锰酸锂(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)材料集中了LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等材料的各自优点：成本与LiNi0.8Co0.2O2相当，可逆容量大，结构稳定，安全性较好，介于LiNi0.8Co0.2O2和LiMn2O4之间，循环性能好，合成容易；但由于含较多昂贵的Co，成本也较高。对中大容量、中高功率的锂离子电池来说，正极材料的成本、高温性能、安全性十分重要。

上述LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4及其衍生物正极材料尚不能满足要求。因此，研究开发能用于中大容量、中高功率的锂离子电池的新型正极材料成为当前的热点。

负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。

充电时：xLi+xe+6C→LixC6

放电时：LixC6→xLi+xe+6C

目前商业化的锂离子电池负极材料大多采用碳材料，研究表明这类材料的储锂容量较低，实际比容量已非常接近理论比容量，如石墨的理论储锂量为372mAh/g，进一步提高其比容量的空间非常有限，而且碳材料在嵌锂时，由于其电极电位与金属锂相近，当电池过充电的时候，碳电极表面容易析出金属锂，形成枝晶，从而引起短路，严重影响锂离子电池的安全性能因此，必须寻找新的非碳材料作为代替品，以提高锂离子电池的比容量和循环性能。

大部分的金属如Si、Sn、Sb、Al、In、Zn、Pb、Bi、Ag、Pt、Au、Cd、As、Ga、Ge等均可以与锂形成合金，这些元素表现出与锂不同的反应电位。合金作为锂离子电池负极材料，其加工性能、容量密度均比现有的石墨电池材料要好，同时具有快速充放电能力，具有很大的发展潜力，可望成为锂离子二次电池的最佳候选材料。

发明内容

本发明目的是充分利用大部分金属可以与锂形成合金的特性，提供一种对锂离子电池正负极颗粒进行合金金属包覆技术方案，以提高锂离子电池的比容量和循环性能。