[发明专利]一种快速充电的锂离子二次电池及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子二次电池技术领域，具体涉及一种快速充电锂离子二次 电池及其使用方法。

背景技术

随着便携式电子产品的快速发展，可充电电池成为必不可少的储能设备， 其中锂离子电池在多个领域取得了重要应用。锂离子电池不仅在手机、照相机 等电子产品中得到广泛的应用，而且在新能源汽车等领域也取得了突破性进展。 虽然锂离子电池技术有了很大的进步，传统普通充电技术也已经成熟，但传统 的常规充电时间过程较长，快速充电技术至今仍未完全解决。充电时间长是制 约电动汽车普及的重要因素之一，尤其是家庭使用的小轿车对充电时间要求更 高。因此快速充电技术成为锂离子二次电池发展的重要内容。

目前普遍采用的充电方式为恒流再恒压的方式充电，此法在充电过程中恒 压时间较长，难以达到快充的目的。提高电池恒流充电时的限制电压可以达到 快速充电的目的，但电池限制电压太高，电池内部会发生副反应；限制电压太 低，电池难以充满。锂离子电池主要由正极材料、电解液和负极材料组成。每 当充电时，锂离子从正极材料脱出，经过电解液后嵌入到负极材料中。锂离子 在负极材料中的输运速度以及锂离子电池与负极材料的反应热决定着充电速度 的快慢。

CN105048014A公开了一种带温度补偿的锂离子动力电池快速充电方法，通 过检测待充电电池剩余电量与充电电量阈值进行比较来决定采取恒流或者恒压 充电，但是该方法使用繁琐，不宜于推广。

发明内容：

针对上述存在问题或不足，为克服传统充电时间长的缺点，实现锂离子二 次电池快速充电的目的。本发明提供了一种快速充电的锂离子二次电池，其结 构构造简单，操作方便，安全可靠。

该快速充电的锂离子二次电池，包括铝(Al)电流收集器、正极材料、电 解液、隔膜、负极材料和钛(Ti)电流收集器，其特征在于：还包括一个连接于 负极材料上额外电场模块，该额外电场模块可产生一个加持于负极材料的附加 电场。

所述额外电场模块，包括一对金属铂(Pt)电极、电源和控制开关。所述额 外电场模块通过控制开关实现锂离子二次电池普通充电与快速充电模式转换。 开关打开时，电池的充电过程和普通电池相同；开关闭合时，额外电场模块会 产生一个加持于负极材料的附加电场，实现快速充电。

所述Pt电极不超出电池负极材料的范围，即不能接触Ti电流收集器6，也 不能进入到电解液4中，产生的附加电场仅能施加于负极材料。

所述负极材料为插入式反应机理的材料。

所述快速充电的锂离子二次电池使用过程中，其额外电场模块的控制开关 处于打开状态，即额外电场模块此时不产生电场。

本发明是在普通锂离子二次电池结构基础上，通过在负极材料部分增加提 供额外电场的模块，该额外电场模块产生的附加电场可以增强锂离子与负极材 料的反应，同时降低锂离子的扩散能垒，使得锂离子快速的嵌入，从而达到快 速充电的效果。影响本发明所述锂离子二次电池充电效率的因素是：额外电场 模块加持于负极材料中的附加电场强度的大小，场强越大，充电效率越高。因 此与额外电场模块的电源电压与负极材料厚度相关，电压越高，厚度越小，在 负极材料中产生的场强越大，快速充电效果越佳。

综上所述，本发明具有如下优点：通过在传统电池结构上增加一额外电场 模块，大大缩短了充电时间，具有较高的经济效益。通过控制开关可实现普通 充电与快速充电模式的转换。该锂离子二次电池设计结构简单，实现方便。

附图说明

图1：本发明所涉及的快速充电电池结构的示意图。

图2：本发明所涉及额外电场模块开关打开时示意图。

图3：本发明所涉及额外电场模块开关闭合时附加电场示意图。

图4：锂离子在碳纳米管上的吸附能及扩散能垒随电场强度的变化。

附图说明：1.Al电流收集器，2.正极材料，3.隔膜，4.电解液，5.负极 材料，6.Ti电流收集器，7.Pt电极，8.电源，9.控制开关，10.Pt电极。

具体实施方式

如图1所示，一种快速充电的锂离子电池结构示意图。对于Pt电极要求： Pt电极不能超出电池负极材料5的范围，即不能接触Ti电流收集器6，也不能 进入到电解液4中。在充电且开关9打开时，在负极材料中没有附加电场，如 图2所示，为普通充电模式；负极材料选用：石墨，碳纳米管或MoS₂。

在充电且开关9闭合时，额外电场模块在负极材料中产生附加电场，如图3 所示，电场增强了锂离子与负极材料的反应，同时降低锂离子扩散能垒，如图4 所示给出了锂离子在碳纳米管负极材料的反应能和扩散能垒随着电场强度增加 而下降，从而实现快速充电。电池使用过程中，开关9打开。