[发明专利]一种形状记忆合金复合材料制成的锂离子电池及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种形状记忆合金复合材料制成的锂离子电池及制备方法，属于锂离子电池制备技术领域。

背景技术

近些年来，随着世界能源和环境危机日益加剧，人们越来越需要开发新的能源材料来替换现在广泛使用的石油、煤和天然气等传统能源材料。在新能源研究领域，锂离子电池发展迅速并被认为是21世纪最理想的绿色能源之一。锂离子电池是一种可多次反复充放电使用的二次电池，它工作主要是依靠锂离子在阴极和阳极之间漂移来实现。在充电时，锂离子从阴极中脱嵌，经过电解质嵌入阳极，使阳极处于富锂状态；而在放电时，锂离子从阳极中脱嵌，经过电解质嵌入阴极，使阳极处于贫锂状态。

传统锂离子电池使用石墨作为阳极材料，但是石墨的储锂能力有限，已不能满足高容量锂离子电池发展的需求，因此各类新型阳极材料的研发(如锡基材料、硅基材料等)显得尤为重要，但锡基、硅基这些新型阳极材料在充电过程中体积会发生明显的膨胀，产生高密度位错、宏观缺陷等问题，这些变化通常是导致电池性能降低和寿命缩短的根本原因。

因此，寻找一种在充电过程中不会发生明显的体积膨胀的阳极材料是锂离子电池制备技术领域所亟待解决的问题之一。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种利用形状记忆合金复合材料制成的锂离子电池，通过采用形状记忆合金复合材料制成锂离子电池的阳极以控制电极材料在充放电过程中的体积变化。

为达到上述目的，本发明提供了一种锂离子电池，其阳极为形状记忆合金复合材料M/TiNi，阴极为金属锂或钴酸锂，电解质为用于锂离子电池的液态电解质或固态电解质。

本发明所提供的锂离子电池的外壳可以采用常用的外壳，例如铝制的外壳。电池的阴极和阳极之间还可以设置隔离膜，该隔离膜可以是锂离子电池中常用的隔离膜。

在上述锂离子电池中，所采用的形状记忆合金复合材料M/TiNi是锡基、硅基等高密度容量阳极材料与TiNi记忆合金材料的复合材料，优选地，所采用的M/TiNi为Ti₃Sn/TiNi、Ti₂Sn/TiNi、Ti₅Sn₃/TiNi、Ti₆Sn₅/TiNi和Ti₅Si₃/TiNi等共晶合金中的一种或几种。更优选地，上述Ti₃Sn/TiNi的原子比Ti∶Sn∶Ni为4∶1∶1，Ti₂Sn/TiNi的原子比Ti∶Sn∶Ni为3∶1∶1，Ti₅Sn₃/TiNi的原子比Ti∶Sn∶Ni为6∶3∶1，Ti₆Sn₅/TiNi的原子比Ti∶Sn∶Ni为7∶5∶1，Ti₃Sn₄/TiNi的原子比Ti∶Sn∶Ni为4∶4∶1，Ti₅Si₃/TiNi的原子比Ti∶Si∶Ni为6∶3∶1。

在上述锂离子电池中，优选地，形状记忆合金复合材料M/TiNi是通过以下步骤制备的：按照形状记忆合金复合材料M/TiNi的成分配比选取纯度在99.9wt.％以上的单质钛、单质镍、单质锡或者单质钛、单质镍、单质硅，放入真空度高于10^-1Pa的真空环境或惰性气体保护的熔炼炉中，熔炼成形状记忆合金复合材料M/TiNi。

在上述锂离子电池中，优选地，所采用的液态电解质为LiPF₆(六氟磷酸锂)，所述固态电解质为LiAlSiO₄等。

本发明使用形状记忆合金与锡基、硅基等高容量密度电极材料复合制备成锂离子电池阳极材料，利用形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性可以缓冲和限制锡基、硅基等高容量密度电极材料在充电过程中巨大的体积变化，预防电极材料在充放电过程中发生裂化或粉碎，对于控制电极材料在充放电过程中的变化和提高电池效率有着重要意义。

本发明还提供了上述锂离子电池的制备方法，其包括以下步骤：

按照形状记忆合金复合材料M/TiNi的原子比选取纯度在99.9wt.％以上的单质钛、单质镍、单质锡或者单质钛、单质镍、单质硅，放入真空度高于10^-1Pa的真空环境或惰性气体保护的熔炼炉中，熔炼成形状记忆合金复合材料M/TiNi；

将形状记忆合金复合材料M/TiNi加工成直径5-12mm、厚度0.5-2mm的薄片，制成锂离子电池的阳极；