[发明专利]一种高能量密度动力电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种高能量密度动力电池。 

 

背景技术

动力电池在先进信息处理终端设备和电动汽车等重要战略领域里至关重要，备受人们的关注，其要求具有较高的能量密度和功率密度。动力电池的能量密度的提高，主要决定于高能量密度电极材料体系的开发。目前已经商品化的动力电池主要由磷酸铁锂或锰酸锂作为正极活性材料，石墨类碳材料作为负极活性材料，传统的动力电池由于受到正极活性材料磷酸铁锂或锰酸锂以及负极活性材料石墨类碳材料自身理论储锂容量极限的制约，其能量密度只能达到150~200Wh/Kg，在能量密度的进一步提高上遇到了瓶颈。

专利申请公布号CN103022555A，申请公布号2013.04.03，名称为锂离子电池及其制备方法的中国专利中公开了一种锂离子电池，它包括正极、负极及电解液，所述电解液包括锂盐及溶剂，正极的活性材料为富锂锰基固溶体；负极的活性材料为钛酸锂；所述溶剂包括氟代碳酸酯以及包括氟代甲基环丁砜或其衍生物、氟代甲基亚硫酸乙烯酯或其衍生物，氟代甲基硫酸乙烯酯或其衍生物中的一种或几种的添加剂。富锂锰基固溶体材料具有高容量、低材料成本、较稳定的结构的优点，钛酸锂具有较好的安全性和优异的循环性能，但是由于钛酸锂的比能量与比容量低，导电性差，用钛酸锂作为负极活性材料大大限制了富锂锰基固溶体材料高克容量这一优势的充分发挥，该电池的电极材料体系只提高了电池的安全性，电池的能量密度依然较低。

 

发明内容

本发明是为了解决现有技术的动力电池能量密度低的问题，提供了一种能量密度高，循环性能好的高能量密度动力电池。

 

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高能量密度动力电池，包括正极和负极，所述正极包括正集流体及涂覆在正集流体上的正极材料，所述负极包括负集流体及涂覆在负集流体上的负极材料，所述正极材料由以下质量百分比的组分组成：正极活性材料70~96%，正极粘结剂1~10%，正极导电剂1~20%，所述负极材料由以下质量百分比的组分组成：负极活性材料80~94%，负极粘结剂4~16%，负极导电剂1~12%，其中，正极活性材料为富锂锰基固溶体材料，负极活性材料为负载纳米碳化硅多壁碳纳米管。本发明的正极活性材料为富锂锰基固溶体材料，富锂锰基固溶体材料主要以过渡金属元素锰为主，锰资源丰富，价格低廉，而且对环境友好，同时又具有复合结构，在较高的充电电压下，会具有很高的比容量；纳米碳化硅由于其具有较大的比表面积和裸露于表面的硅原子，在硅原子和碳原子之间可以嵌入锂离子，大大增强了嵌入锂离子的能力，提高了容量，但是纳米碳化硅在反复的充放电过程中会产生体积膨胀，造成负极材料的粉化，使得电池发生很明显的容量衰减，电池的循环性能差，而本发明中的负极活性材料采用负载纳米碳化硅多壁碳纳米管，负载纳米碳化硅多壁碳纳米管以多壁碳纳米管为载体，而纳米碳化硅沉积在多壁碳纳米管的结构表面形成一体结构，多壁碳纳米管的空心结构能有效缓解和容纳碳化硅在循环过程中的体积变化，避免负极材料的粉化，从而改善循环性能，而且空心结构还能增加与锂离子反应的活性点（提高储锂活性），缩短锂离子的扩散路径，从而使得电池具有很高的能量密度和优良的循环性能。本发明的高能量密度动力电池基于一种全新的电极材料体系，该电极材料体系是发明人通过对不同电极材料的不断筛选，并对电极材料中各组分的含量进行不断设计与优化后得到的，使用该电极材料体系的动力电池能量密度高，循环性能好。

作为优选，富锂锰基固溶体材料的通式为xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂，其中M是一种或多种以上的过渡金属元素，0＜x＜1。

作为优选， 富锂锰基固溶体材料通式中，M=Co、Mn、Mg、Ni、Cr、Al、Ti、Mo、Nd、Ni_0.5Mn_0.5、Ni _1/3Co_1/3Mn_1/3中的任意一种。

作为优选，所述负载纳米碳化硅多壁碳纳米管多壁碳纳米管通过以下方法制得：

（1） 按纳米碳化硅与多壁碳纳米管的质量比为1：18~20的比例计量多壁碳纳米管与纳米碳化硅。纳米碳化硅量过多，多壁碳纳米管对纳米碳化硅体积膨胀的抑制效果较差；纳米碳化硅量过少，对电池的能力密度及循环性能提高效果不明显。