[发明专利]一种钛酸锂电池及其化成方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种以钛酸锂作为负极材料的锂离子电池及其化成方法。

背景技术

目前商用锂离子电池负极材料大多采用各种嵌锂碳、石墨。但是，含碳负极材料存在一些缺点，如在第一次循环时形成一层表面钝化薄膜，大大消耗正极材料中的锂离子，造成很大的容量损失；碳负极的电位与锂的电位很接近，电池过充时，金属锂可能在碳电极面析出而引发安全问题；释放能量的速度不够快，不适合需要瞬间强电流的设备等。锂钛复合氧化物Li₄Ti₅O₁₂是一种金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，属A2BX4系列，具有缺陷的尖晶石结构，空间群为Fd3m，具有锂离子的三维扩散通道。理论计算证明，对于尖晶石结构的钛酸锂，经过多次循环之后，其立方单元晶胞的体积收缩小于1％，锂嵌入引起的张力变化基本上为零，所以该材料具有很好的稳定性和安全，并具有很好的电化学循环性能。

但是，钛酸锂也有着明显的缺陷，钛酸锂在高温下回导致电解液分解，产生较多的气体，严重影响了电池的循环性能和倍率性能的发挥。

专利CN 102055020A采用控制电池的荷电状态，增强钛酸锂负极在预充电阶段形成的钝化膜稳定性，抑制了其与电解液的反应，从而在解决电池胀气上起到了一定效果。但不足之处是上述方法通过对钛酸锂进行包覆，虽可在一定程度上抑制其产生气体，但是由于很难做到完全包覆，并不能从根本上解决这个问题，且氧化物的锂离子电导率较小，影响了电池的循环性能和倍率性能。

发明内容

为了解决钛酸锂电池胀气的技术问题以及为了提高钛酸锂电池的循环性能和倍率性能，本发明提供了一种循环性能和倍率性能好的、不胀气的钛酸锂电池以及该电池的化成方法。

本发明的具体技术方案为：一种钛酸锂电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液和外包装，所述正极片上的活性物质为三元材料，所述负极片上的活性物质为钛酸锂，所述隔膜为无纺布隔膜，所述电解液的溶剂为有机碳酸酯，电解液中含有锂盐，所述外包装材料为铝塑膜，所述电解液中还含有电解液添加剂和气体消除剂，所述电解液添加剂中含有氰化链状碳酸酯或氰化环状碳酸酯的一种和苯砜。

作为优选，所述的氰化链状碳酸酯或氰化环状碳酸酯在电解液中的质量份数为0.5-1.5wt％、所述苯砜在电解液中的质量份数为0.25-1wt％，所述气体消除剂在电解液中的质量份数为0.5-1wt％。

作为优选，所述三元材料为LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂；所述钛酸锂的粒径为0.165微米。

作为优选，所述无纺布隔膜含有羧甲基纤维素成分，无纺布隔膜上还涂覆有涂层，所述涂层为纳米二氧化钛、纳米二氧化锆或纳米二氧化硅中的一种或几种。

作为优选，所述无纺布隔膜中羧甲基纤维素成分的质量含量为30-50wt％。

作为优选，所述无纺布隔膜厚度为10-20微米，孔隙率为35-75％，透气率为10-60cm³/sec。

作为优选，所述无纺布隔膜上涂层的厚度为1-3微米。

本发明还提供了一种上述钛酸锂电池的化成方法，按如下四个阶段进行：

(1)、以0.01C-0.03C的电流对电池恒流充电2h；

(2)、以0.08C-0.12C的电流对电池恒流充电1h；

(3)、以0.4C-0.6C的电流对电池恒流充电3h；

(4)、以0.8C-1.2C的电流对电池恒流充电4h。

其中所述化成过程中最终的截止电压为2.3-3.1V。

作为优选，所述四个阶段之间为无间断连续充电方式，且钛酸锂电池的化成温度在25-45℃之间。

作为优选，所述钛酸锂电池在化成时的最终截止电压为2.8V。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：

钛酸锂电池产生胀气的根本原因是发生了副反应，本发明通过特殊的电解液添加剂和气体消除剂，在锂离子电池化成时能够阻止电解液在正极的持续分解，同时能够复合消除掉电解液分解产生的微量气体，减少了副反应的发生。因为电解液添加剂可以中和酸，可以抑制正负极基体被腐蚀，从而提高电池的循环寿命和倍率性能。

同时，将上述钛酸锂电池采用合理的化成工艺，采用小电流阶梯式充电，配合适当的截止电压，在化成阶段将电池材料中的水分充分反应，将生成气体排出电池外部，从而彻底解决电池胀气问题。