[发明专利]一种高比能锂离子电池

说明书

本发明公开了一种高比能锂离子电池，包括负极活性物质和正极活性物质；负极活性物质为硬炭材料；或由硬炭材料包覆纳米硅形成；或由纳米硅裹覆导电炭层后与硬炭材料均匀混合形成；正极活性物质为复合多孔炭的磷酸铁锂；或为掺杂金属后裹覆多孔炭炭层的微纳结构磷酸铁锂。本发明一种高比能锂离子电池，排除使用石墨负极材料和三元正极材料，以提高高倍率充电的安全性，而以可高倍率充电而不易长枝晶的硬碳为负极主要活性物质，利用其各向同性的特点提高负极的充电倍率和低温性能，并复合纳米硅提高负极的比容量；正极用安全性高、寿命长、廉价的磷酸铁锂，并在其中混入一定量的多孔炭以利用其双电层储能作用，提高正极的充电倍率和低温性能。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种高比能锂离子电池。

背景技术

目前电动汽车动力电池有三大问题：一是安全性差，着火事件频频发生，甚至屡屡伤及乘客的生命。二是寿命不够长，约为车身寿命的一半。三是低温性能不好，难以在寒区正常使用。安全性差的主要原因是，正极使用三元材料镍钴铝酸锂或镍钴锰酸锂，并不断增加镍的含量以提高正极比容量，达到片面追求电池高比能量的目的；而这些三元正极材料的热失控温度最低，因而所做成电池的安全性最差。寿命不够长的主要原因，一是现在高比能锂离子电池的正极材料三元材料镍钴铝酸锂或镍钴锰酸锂电位高，消耗电解液快。二是以石墨为负极的锂离子电池在高倍率充电、尤其是低温时，容易在石墨表面沉积金属锂并长成锂枝晶，造成“死锂”而使比能量衰减。低温性能不好的主要原因，一是温度低时锂离子在石墨中的嵌入和脱嵌速度急速下降，因而锂离子电池的低温性能不佳，尤其不宜在低温下充电；二是锂离子在正极活性物质中的扩散速度急剧下降。

现有的锂离子电池存在几个问题：安全性与比能量相矛盾，比能量与充放电倍率相矛盾，充放电倍率与循环寿命相矛盾。安全性与比能量相矛盾的正确处理原则，是要在确保安全性的前提下提高比能量。比能量与充放电倍率相矛盾及充放电倍率与循环寿命相矛盾，则要找到兼顾的技术途径。针对单一的矛盾，目前均有较好的技术措施，而缺少综合的方法，大有顾此失彼之憾。如提高比功率主要是在电池制作工艺上采取减小活性物质的粒度、减小极片的厚度、减小电池的内阻等措施，这样比能量将受损严重。高功率锂离子电池中，已有在负极中开始使用硬炭者，主要是看中其快充电时不易长锂枝晶，而未对提高比能量有贡献；正极单纯使用三元材料以利用其高比容量，而未刻意提高电池的充电倍率。通常说起的快充电的锂离子电池，都指向负极使用钛酸锂，但此电池的比能量过低，价格又居高不下。

（1）朝阳立塬公司制成功率型磷酸铁锂电容电池，于2015年进行了技术鉴定，该电池以石墨为负极材料，放电功率可达2243W/kg，但比能量仅为78Wh/kg。

（2）申请号为201510996357.4的专利申请书中，正极采用三元金属氧化物和大比表面双电层的混合物，负极为硬碳并预嵌锂，制备的化学电源具有放电高功率密度（>6500W/kg）的特性，10C倍率下循环寿命超过3万次，但其比能量仅为90～100Wh/kg，而且预嵌锂技术在规模生产中难以操作。

（3）申请号为201611082582 .8的专利申请书中，正极活性材料为含锂基镍钴锰氧化物中加入大量碳材料，其碳材料为活性碳、石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶中的一种或几种；但负极活性材料为掺锆或表面碳包覆的钛酸锂，未见其说明电池的性能数据。

（4）申请号为201810224732 .7的专利申请书中，主要保护权项是负极预嵌锂技术，与早其3年的申请号为201510996357.4专利（上述专利2）申请书的思路雷同，其正极和负极活性材料都是锂离子电池材料。

上述（2）、（3）、（4）三项专利使用的三元材料均有安全性不佳的缺点。