[发明专利]一种碳纳米管聚合物锂离子电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体地说，本发明涉及一种高电压高容量密度 的碳纳米管聚合物锂离子电池及其制备方法。

背景技术

电池工业是新能源领域的重要组成部分，是全球经济发展的一个新热点，与 电力、交通、信息等产业发展息息相关，在运输工具和大型不间断供电电源系统 中处于控制地位，是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的产品。

随着智能手机和笔记本电脑等移动互联网设备的普及，电动自行车等电动交 通工具的推广，以及无人机和太空探测器等航空航天技术的发展，锂离子电池性 能面临着更高的发展要求，而高电压、体积小、能量密度高已成为高性能锂离子 电池的研究方向。

储存了多少电能，是直接衡量电池续航能力标志。电池电压的提升，可以为 电池带来更多的容量，为终端设备带来更长的续航时间。同一款电池这个值越大， 电池就越给力。对于同一正极材料的电池而言，截止电压越高，电池的容量就越 高，电池续航时间就越长。为了在有限的体积下获得更高的锂电池容量，现有技 术通常都尝试使用更高比容量的正负极材料、高能电解液、更薄的隔膜、铜箔、 铝箔。

锂离子电池的性能很大程度上取决于电池的结构和活性电极材料的属性和 电解质，特别是阴极材料的特点。LiCoO₂是目前的主要阴极材料，其可提供能量 密度约达150Wh/kg。但是由于LiCoO₂低的电流密度和高成本以及安全性的考虑， 其不能满足在电动汽车和混合动力汽车的运用领域。

经过二十年阴极材料的发展，高的放电电压平台和大的容量改进对于锂离子 电池的能量密度得到了很好的提高。到目前为止，研究最多的阴极材料包括以下 三种：聚阴离子氧化物、尖晶石型氧化物、a-NaFeO₂层状氧化物。因为质量能量 密度是由放电容量和平均放电电压两者决定，因此寻找高的放电电压平台材料是 比较关键的。

目前已报道的高压阴极材料，主要包括磷酸盐，焦磷酸盐，氟磷酸盐，硼酸 盐LiMBO₃和正硅酸盐Li₂MSiO₄。这些橄榄磷酸盐(LiMPO₄)表现出适中的理论放 电容量、高的热力学稳定性和稳定的放电平台。当M＝Fe，Mn，Co和Ni时，此时对 应的磷酸盐氧化还原电位分别是3.5V、4.1V、4.8V和5.1V(相对于Li/Li⁺)。 LiFePO₄是非常备受关注的一种材料，由于其好的循环性能，原料丰富和无毒性等 特点，然而由于其较低的放电电压平台而导致其对于LiCoO₂具有较低的能量密 度。由于磷酸盐与导电物质如碳之间低的包覆密度，使得其体积能量密度进一步 减小。

目前已知的4.2V聚合物锂离子电池主要是将常规钴酸锂、锰酸锂或者三元材 料作为正极。将钴酸锂、锰酸锂或者三元材料与SP、KS6、PVDF、NMP均匀分散搅 拌，并按一定面密度涂覆于铝箔基材上，作为正极材料使用，由于材料本身特性 决定充电截止电压最大在4.2V。

高电压高容量的电芯主要应用于通讯数码领域。目前技术水平下，LCO无论 压实密度、能量密度都已接近理论数值，LCO高压潜力得到了充分挖掘，但随着 电压上升，LCO材料自身结构不稳定的缺点将更加凸显。

高电压高容量锂离子电池的最近进展，包括耐高压阴极材料，和与之匹配的 电解液溶剂，电解质添加剂和电池其他组成部件的优化。与传统的阴极材料相比 高压锂离子电池的阴极材料的循环稳定性和倍率性能仍需要提高。掺杂剂可以提 高内在的电荷转移和促进锂离子动力学上的扩散，表面修饰可以提高表面的特 性和抑制与电解质侧反应的发生，控制颗粒大小也是一个提高性能的有效方法。 发展与之相匹配的电解液同样是必不可少的，高压电解液添加剂是基于在阴极表 面构建稳定的界面膜的要求，其可通过过渡金属离子抑制电解质的催化分解。 电池的其他组件也应该被考虑以使和高压阴极相匹配。高压阴极材料和稳定的阳 极，以及匹配的含有添加剂的高压电解液和其他优化组件的组合将肯定会建立高 能量密度和功率密度的先进的高压锂离子电池。

所以发展高导电性的阳极稳定性和拟制反应的电解液是寻找高电压高容量 锂离子电池材料的关键任务。在不损失能量密度前提下，掺混高压实的三元材料 (NCM)和运用碳纳米管高导电材料(CNT)包覆技术，可看作是高压LCO的发展 方向。

发明内容