[发明专利]一种兼顾能量密度和安全的低温锂离子电池

说明书

本发明公开了一种兼顾高能量密度和高安全的低温锂离子电池。本发明利用二维硅纳米片快速的导电子和导离子特性从根本上解决了高容量锂离子电池的低温性能差的问题以及利用高电压4.45V钴酸锂牢固的晶体结构保证低温电池的安全性的同时，进一步提升电池的能量密度。使得本发明的低温锂离子电池拥有257Wh/kg的能量密度的同时，在‑40℃下仍能放出80%的容量，以及在满电4.45V状态下能够通过严苛的针刺和重物冲击试验。本发明的低温锂离子电池有广阔的应用空间，尤其在特种设备方面具有很大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及低温锂离子电池的技术领域，尤其涉及一种可兼顾高能量密度和高安全的低温锂离子电池。

背景技术

锂离子电池因其高能量密度，良好的循环性能以及倍率性能被广泛用于便携式电子产品，电动工具，电动汽车和大规模储能系统等。同时兼顾高能量密度与高安全的低温电池拥有很大的市场，尤其在军工应用中。由于低温下锂离子电池中的锂离子迁移速率降低，导致锂离子电池在低温下放电性能急剧恶化。因此，提高电池材料低温下的反应动力学以及降低电池阻抗是解决电池低温性能劣化问题的关键。然而，目前的高能量密度电池负极所用的硅基材料导电性差，导致低温放电性能不佳。目前，在高容量低温锂离子电池方面，都是通过对硅碳/石墨混合物中，碳材料进行的改性，增加碳材料的快速导离子能力，然而碳材料不是提升容量的核心材料，对提升电池的能量密度的能力有限。专利CN109509881A发明了一种高容量低温锂离子电池，负极活性物质使用的是硅碳和石墨的混合物，通过对石墨的表面改性提升电池的低温性能。如果增加硅基材料的含量，电池的低温性能将变差。所以，提升硅基材料本身的低温充放电性能是研发高容量低温电池的根本。目前，同时兼顾高安全和高能量密度的低温电池的专利较少，专利CN109742339A发明了一种高比能量超低温高安全聚合物锂离子电池，负极用的是石墨化的碳材料，对提升电池的能量密度有限。此外，低温电池采用低温电解液体系，其活性大，沸点低，在高温下易燃易爆，导致电池的安全性能很差，尤其在高能量密度下，安全性能得不到保障。

发明内容

本发明针对现有技术的不足；提出了本发明。

本发明需要解决的技术问题：

1、用于提升容量的常规的硅碳负极的导电子和导离子能力差，导致高温容量锂离子电池的低温性能很差。此外，目前含硅负极高容量低温电池只是对碳材料进行改性，没有从根本上解决问题。本发明需要解决的第一个技术问题就是如何安全提升低温锂离子电池材料负极的导电子和导离子能力。

2、低温电池由于采用低温电解液体系，其活性大，沸点低，在高温下易燃易爆，导致电池的安全性能很差。本发明需要解决的第二个技术问题就是如何开发在电池滥用情况下不引起低温电解液发生热失控的材料体系。

为了解决上述技术问题，本发明的方案是提供一种兼顾高能量密度和高安全的低温锂离子电池。

本发明采用的技术方案如下：

一种兼顾高能量密度和高安全的低温锂离子电池，包括：正极片、负极片、隔膜、电解液以及电池封装材料；

正极片包括一定厚度的铝箔以及涂覆在铝箔上的正极活性物质、粘结剂和导电剂组成的混合物。其中正极活性物质使用4.45V高电压钴酸锂，正极活性物质的克容量为180mAh/g以及其D50为15.5μm，Dmax≤55μm，正极的压实密度为3.8g/cm³-4.3g/cm³。优选地，正极中所使用的导电剂选自科琴黑、炭黑、碳纳米管以及石墨烯中的一种或多种。铝箔的厚度为16μm-30μm。

负极片包括一定厚度的铜箔以及涂覆在铜箔上的负极活性物质、粘结剂和导电剂组成的混合物。其中负极活性物质为二维硅基纳米片与石墨的混合物。优选地，负极使用的导电剂选自科琴黑、炭黑、碳纳米管以及石墨烯中的一种或多种。铜箔的厚度为10μm-25μm。