[发明专利]一种高能量密度的钛酸锂动力电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子动力电池技术领域，尤其涉及一种高能量密度的钛酸锂动力电池及其制备方法。

背景技术

二十一世纪以来，随着人们环保意识的加强、化石能源的日益枯竭以及锂电池技术的不断进步，锂电池以其长寿命、高循环、环境友好等优异特性，正被迅速应用在电动自行车、混合动力汽车及纯电动汽车领域。由于作为汽车的储能设备使用条件复杂多样，加之与人们的生命安全密切相关，如何提高锂电池的安全性能已成为锂电池应用领域的核心热点之一，同时也一定程度上限制了锂电汽车的快速发展。

正、负极材料的热稳定性是影响锂离子电池安全性能的关键因素，因此，选择热稳定性能优异的电极材料是提高锂电池安全性能的有效途径。石墨材料以其较高的克容量和良好的循环性能，使其成为锂离子电池负极材料的首选。但该类电池在安全性方面存在固有缺陷，如锂元素以原子形式嵌入在石墨层中，电池短路极易发生剧烈放热反应；电池过充时，负极易形成锂枝晶刺穿隔膜等。

尖晶石结构的钛酸锂材料以其优异的倍率性能和良好的循环寿命，被视为新一代动力锂电池负极的首选之一。稳定的尖晶石结构使其具有良好的热稳定性，同时，以其作为负极的电池，锂元素始终以离子形式存在，有效避免了电池短路时负极放热反应的发生及锂枝晶问题，有效改善了电池的安全性能。但钛酸锂材料的对锂电位为1.55V，相对于碳负极高出很多，从而影响了电池的工作电压及能量密度。

目前，钛酸锂电池的正极材料以锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂为主，其工作电压为1.8-2.4V，能量密度仅为60-90Wh/kg，严重制约了其在动力电池方面的应用。尖晶石结构的镍锰酸锂材料(LiNi_0.5Mn_1.5O₄)具有良好的热稳定性和循环性能，对锂电位为4.8V，克容量为130mAh/g，从动力电池对高能量密度、长循环性能、高安全性能等方面考虑，该材料是钛酸锂动力电池正极材料的理想选择。

发明内容

本发明的目的是针对目前市场上的钛酸锂电池高安全但能量密度较低的特点，通过实施切实可行的优化方案，提供了一种兼具高安全与高能量密度的锂离子动力电池。

本发明采用如下技术方案：

本发明的高能量密度的钛酸锂动力电池，由正极、负极、隔膜、电解液及包装材料组成，该电池正极是由正极活物、导电剂、粘结剂及溶剂组成的浆料涂覆在铝金属集流体上；该电池负极是由负极活物、导电剂、粘结剂及溶剂组成的浆料涂覆在铝金属集流体上。

正极活物是由正极主活物和第二活物组成，正极主活物为金属氧化物包覆的LiNi_0.5Mn_1.5O₄，金属氧化物为Al₂O₃，ZnO，ZrO₂或TiO₂中的一种，Li₃V₂(PO₄)₃为第二活物；正极导电剂是超导电炭黑、鳞状石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种。

该电池正、负极的粘结剂均为聚偏氟乙烯(PVDF)；溶剂均为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。

负极活物为碳包覆的Li₄Ti₅O₁₂；负极导电剂是超导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、鳞状石墨等中的一种或几种。

正极浆料中固相组成比例为：正极活物、PVDF、导电剂的质量比为(92-97)：(2-4)：(1-4)，其中正极活物中第二活物(Li₃V₂(PO₄)₃占正极活物总重量的1％-10％，导电剂中CNT的用量占导电剂总质量的30％以上；负极浆料中固相组成比例为：负极活物、PVDF、导电剂的质量比为(92-97)：(2-4)：(1-4)。

该电池的隔膜为单面或双面涂有氧化铝的陶瓷隔膜，涂覆前的隔膜成分为单层PP材质或多层PE/PP复合材质。