[发明专利]一种锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种高能量密度锂离子电池及其使用方法。

背景技术

新能源，尤其是以锂离子电池为代表的新能源形式近年来在国内、甚至是世界范围内都在持续地掀起一波又一波的浪潮。

目前，中国已成为全世界锂离子电池电动汽车研发和生产的核心力量。2017年2月20日，工信部、发改委、科技部、财政部联合发布了“关于印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》的通知”，此通知中明确了至2020年锂离子电池发展的5大目标：

1.产品性能大幅提升。到2020年，新型锂离子动力电池单体比能量超过300瓦时/公斤，到2025年，新体系动力电池技术取得突破性进展，单体比能量达500瓦时/公斤。

2.产品安全性满足大规模使用需求。

3.产业规模合理有序发展。到2020年，动力电池行业总产能超过1000亿瓦时，形成产销规模在400亿瓦时以上、具有国际竞争力的龙头企业。

4.关键材料及零部件取得重大突破。到2020年，正负极、隔膜、电解液等关键材料及零部件达到国际一流水平，上游产业链实现均衡协调发展，形成具有核心竞争力的创新型骨干企业。

5.高端装备支撑产业发展。

以上信息表明了国家对锂离子电池这种新能源形式的重视，以及对国内企业在锂离子电池技术、核心材料技术的进步寄予了厚望。

另一方面，在现代人的日常生活当中，几乎每个人的身上都会携带至少一块锂离子电池(例如手机、平板电脑、笔记本电脑、数码相机等)，随着数码终端产品的大屏幕化以及多功能化，屏幕的清晰度、系统的运行速度得到了极大的改善，而手机电池的续航能力却成为了其中最大的瓶颈。因此，对锂离子电池的能量密度也提出了更高的要求。

然而，要提升电池的能量密度，通常只有两条路径可供选择：一是提升主要活性材料及电极的性能；二是减少辅助材料(如铜箔、铝箔、电解液、隔膜)的用量。现有的常规正、负极活性材料经历了20多年的发展，基本已达到各自极限，因此众多锂离子电池生产制造厂家目前主要依赖于减少辅助材料的用量来实现电池能量密度的缓慢提升。但是，2016年三星公司的Note7系列手机的大量燃烧、爆炸事故背后所隐藏的信息是，一味地依靠减薄正负极集流体箔材厚度、减薄隔绝正负极的隔膜等手段是存在安全性隐患的，人们必须从提升主要活性材料及电极的性能着手，才能真正安全地提升电池的能量密度。目前，与电池能量密度密切相关的活性材料特性有容量、库伦效率、放电平均电压；与电池能量密度密切相关的电极特性有压实密度、活性物质百分比、接触内阻等。

近年来，硅基负极材料由于其天然的超高嵌锂容量被广泛关注并研究，然而传统正极材料如钴酸锂(LCO)、镍钴锰三元材料(NMC)、镍钴铝三元材料(NCA)、磷酸铁锂(LFP)、锰酸锂(LMO)等发展一直比较缓慢，只能通过体相掺杂和表面包覆等手段保证不影响其循环性能的同时小幅提升工作电压，因此并不能够很好满足商业电池的迫切需求。相比于其它正极材料，富锂锰基固溶体材料有着比较独特的晶体结构：在富锂锰基材料的过渡金属/锂混合层内，锂和过渡金属元素有序排列，形成超晶格结构，该材料是Li₂MnO₃组分和Li(Ni_xMn_yCo_1-x-y)O₂在纳米尺度上的两相均匀混合物。由于这种独特的结构，富锂锰基固溶体在首次充电过程中会出现两个明显不同的阶段：在低于4.5V时，锂层中的Li脱出，同时过渡金属Ni或Co发生氧化还原反应；当充电电压高于4.5V时，呈现充电平台。研究表明，该平台期间，材料表面的氧发生氧化，会引起结构的变化，混合层中的锂会迁移到锂层中，留下的八面体空位由体相的过渡金属元素通过协同作用扩散占据，因此脱出的部分锂不能再嵌入富锂锰基固溶体中，从而以锂离子或者锂金属原子的活性锂形式存在于电池体系中。