[发明专利]一种长寿命锂离子电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及储能用锂离子电池，尤其涉及一种长寿命锂离子电池及其制备方法。

背景技术

储能系统是推动智能电网建设，发展清洁能源与可再生能源，实现低碳经济和节能减排的重要保障。锂离子电池作为储能系统已在智能电网中进行示范。目前储能用锂离子电池主要采用磷酸铁锂/石墨体系。虽然磷酸铁锂具有环境友好、结构稳定的优点，但其平台电压低、导电性差，倍率和低温性能较差，批次稳定性差。另一方面在以石墨为负极活性物质的锂离子电池中，锂离子在电池充电过程中嵌入到石墨层间，造成石墨层间膨胀大于10%，石墨的这一特点导致电池循环性能差，且由于石墨嵌锂电位低，在循环过程中易析锂，存在安全问题。因此，采用磷酸铁锂/石墨体系的锂离子电池存在倍率性能差、低温充放电性能差，一致性差等问题，并且其能量密度和循环寿命不足以满足智能电网对储能系统的要求。

近年来，具有高容量的富锂锰基固溶体正极材料受到人们的广泛关注，该材料是基于层状Li₂MnO₃和LiMO₂结构的固溶体，化学式为xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂ (M=Mn、Ni、Co)。当该材料在较低电位时，有部分Li从LiMO₂组分中脱出。同时，Li₂MnO₃在充放电过程中起着稳定正极结构的作用，由该材料制备的锂离子电池具有循环性能良好的优点。 

硬碳是一种难石墨化的碳，其平均层面间距比石墨微晶的层面间距大。硬碳颗粒中除了含有六方晶簇外，还有大量的微孔、晶簇间隙、晶簇表面缺陷等结构，所有这些结构或缺陷都是可以储存锂。硬碳嵌锂机制决定在充放电的过程中，锂离子的嵌入和脱嵌过程中颗粒膨胀很小，颗粒结构基本不会损坏，循环性能比石墨优秀。而且，硬碳各向同性的结构能够提高电极的电导率，电化学极化要比石墨小得多，所以硬碳材料有更好的功率特性。另外，硬碳在低温条件下也有优异的充放电循环特性和功率特性。

软碳的结晶度介于石墨和硬碳之间，晶粒尺寸小，晶面间距较大，与电解液的相容性好，充放电电位与硬碳类似；与硬碳一样也具有长寿命、高倍率，安全性好的优点。

基于此，本发明提供一种循环寿命长、温度使用范围宽、安全性高的锂离子电池。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中锂离子电池能量密度低、循环寿命短、低温性能差等缺点，采用以富锂锰基材料为正极，以硬碳或软碳为负极的材料体系，提供一种能量密度高、循环性能好、温度使用范围宽、安全性好的锂离子电池，满足储能系统的使用要求。

为此，本发明提供了一种长寿命锂离子电池，包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液，所述正极材料包括正极活性物质70-95%（重量比），导电剂3-28%（重量比），粘结剂2-27%（重量比），所述正极活性物质为富锂锰基材料，其通式为xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂ (M=Mn、Ni、Co、Cr、Zn、Mg、Al、Ti中的任意一种)，0<x<1；富锂锰基材料在充放电中具有良好的结构稳定性，循环性能优良；

所述负极材料包括负极活性物质80-95%（重量比），导电剂3-18%（重量比），粘结剂2-17%（重量比），所述负极活性物质为硬碳、软碳中的一种或几种的组合；

所述导电剂为超导电炭黑、导电石墨、鳞片状石墨哦、碳纤维、碳纳米管中的一种或几种混合；所述粘结剂为SBR与CMC组合、PVDF、PTFE、PVDF-HFP中的一种；

所述电解液包括锂盐、有机溶剂、成膜添加剂。

优选的，所述富锂锰基材料为0.1Li₂MnO₃·0.9LiNiMnO₂，0.2Li₂MnO₃·0.8LiNiMnO₂，0.3Li₂MnO₃·0.7LiNiMnO₂，0.4Li₂MnO₃·0.6LiNiMnO₂，0.3Li₂MnO₃·0.7LiCoNiMnO₂中的一种。

优选的，所述隔膜为聚烯烃微孔隔膜、陶瓷隔膜、无纺布隔膜、纤维隔膜中的一种，隔膜表面含有微孔。