CN106169617A - 一种空间用安全高功率锂离子蓄电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间用安全高功率锂离子蓄电池，其包括正极片、负极片、将正负极分开的隔膜、电解液，正极片包括正极集流体以及涂覆于正极集流体表面的正极活性涂层，该正极活性涂层包含正极活性物质，该正极活性物质是由组分A与组分B组成的混合型体系，组分A为钴酸锂、镍钴铝酸锂、镍钴锰酸锂中的至少一种，组分A的材料外表面包覆导电碳层，该导电碳层的质量与组分A的质量比为（0.1‑2）：100，碳层厚度为纳米级；组分B选自锰酸锂和磷酸铁锂中的至少一种；组分B占正极活性物质的质量百分比为5%~50%。与现有技术相比，本发明中混合正极体系的使用可以大大提高空间锂离子电池的倍率性能和安全性能，拓展锂离子电池在空间电源中的应用。
Description
技术领域
本发明属于锂离子蓄电池的技术领域，具体涉及一种混合体系型空间用安全高功率锂离子蓄电池。
背景技术
锂离子蓄电池相对于铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池具有更高的能量密度、长循环寿命以及更低自放电率等优点，当前已广泛应用于各类电子产品、新能源汽车以及空间卫星电源分系统中。
目前在空间储能电源用锂离子蓄电池均为高比能量型，单体电池比能量较高，适用于轻量化以及长寿命卫星电源。而随着空间载荷对电源系统功率需求的不断提升，高比功率锂离子蓄电池因其较高的比功率且兼顾一定的比能量得到广泛关注。目前在空间用的高比功率锂离子蓄电池技术发展相对缓慢，相应的技术仍不成熟，同时由于高功率锂离子蓄电池在大电流放电时通常会产生高热量，因此提高蓄电池的安全性也至关重要。
为此，本发明从改善锂离子蓄电池电化学体系出发，在提高电池功率密度的同时增加电池的本征安全性，进一步拓展了其在卫星平台中的应用领域。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题而设计的一种混合体系型空间用高功率锂离子蓄电池，该锂离子电池具有高倍率性能和安全性能等技术特点。
为达到上述目的，本发明提供了一种空间用安全高功率锂离子蓄电池，包括正极片、负极片、将正负极分开的隔膜、电解液，以及空间用锂离子蓄电池全密封壳体，所述的正极片包括正极集流体以及涂覆于正极集流体表面的正极活性涂层，按质量百分比，所述的正极活性涂层包括以下组分：
正极活性物质：85%~95%；
正极导电剂：0.1%~10%；
正极粘接剂：0.1%~10%；
所述正极活性物质是由组分A与组分B组成的混合型体系，所述组分A为钴酸锂、镍钴铝酸锂、镍钴锰酸锂中的至少一种，所述组分B选自锰酸锂和磷酸铁锂中的至少一种；
所述组分B占正极活性物质的质量百分比为5%~50%。组分B占正极活性物质的质量百分比不能太高，否则会降低电池的容量及比能量，也不能太低，否则无法提高电池的安全性。
优选地，所述的组分A的粒径D50为5~10um，组分B的粒径D50为4~10um。
为提高锂离子电池的倍率特性，所述的组分A的材料外表面包覆有导电碳层，所述的碳层的质量与所述组分A的质量比为（0.1-2）：100，碳层厚度为纳米级。
所述的正极导电剂选择导电超级炭黑、碳纳米管及石墨烯中的至少一种。
所述的正极粘接剂选择聚偏氟乙烯、丁苯橡胶和聚四氟乙烯中的至少一种。
所述的负极片包括负极集流体以及涂覆于负极集流体表面的负极活性涂层，按质量百分比，所述负极活性涂层包括以下组分：
负极活性物质：80%~95%；
负极导电剂：1%~10%；
负极粘接剂：1%~10%；
所述的负极活性物质为人造石墨、中间相碳微球、硬碳、锡金属合金的至少一种。
所述的负极活性物质的粒径D50为5~10um，粒径小，材料粒径分布窄。
所述的负极导电剂选择导电超级炭黑、碳纳米管及石墨烯中的至少一种。
作为本发明空间安全高功率锂离子蓄电池的一种改进，所述的正极导电剂和负极导电剂均为导电超级炭黑和碳纳米管、石墨烯中的至少一种。通过一些二维以及三维导电材料的引入构建三维导电网络，提高电极材料活性物质之间的电接触，增强极片导电能力以及与集流体的电接触。同时一定的高效导电剂加入可以更好的串联活性物质与集流体间接触力，增强电极片的韧性。
所述的负极粘接剂选择聚偏氟乙烯、丁苯橡胶和聚四氟乙烯中的至少一种。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明通过组分A和组分B进行简单的物理混合，不仅可以兼顾钴酸锂、镍钴铝酸锂、镍钴锰酸锂等材料的高容量和高倍率等特点，以及锰酸锂和磷酸铁锂等的优异的倍率及安全特性优势，而且机械混合简单易于实现。而且，组分A的材料外面包覆的导电碳层，能提高上述混合体系型电池的放电能力，使得电池结构更加稳定，有利于提高电池的循环性能。此外，本发明中材料均选用小尺寸颗粒材料，组分A的粒径D50为5~10um，组分B的粒径D50为4~10um，材料粒径分布窄。小尺寸颗粒的材料具有粒径小，比表面积大的特点，表现出以下优越性：（1）提高锂离子传输的动力学性能。由于颗粒粒径小，锂离子扩散路径短，大大降低了锂离子在固相中的平均扩散时间；更短的传输路径使得大电流充放电成为可能，更大的比表面积降低了实际电流密度，减小了对电极材料的破坏，有利于循环性能的保持；（2）缓解充放电过程中材料结构产生的晶格内应力，表现出较高的嵌锂容量以及长循环寿命。
附图说明
图1为本发明的实施例1的高倍率放电示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
实施例1-3
实施例1-3提供的锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜以及电解液，电池设计容量4Ah；正极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体表面的正极活性涂层，正极集流体为厚度为20um的铝箔；正极活性涂层的配方如表1所示。负极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体表面的负极活性涂层，负极集流体为厚度为12um的铜箔；负极活性涂层的配方如表1所示。
表1：实施例1-3的原料配方（以质量份数计）
电解液主要包括有机溶剂、添加剂和锂盐，锂盐为LiFP6，浓度为1.2mol/L，有机溶剂主要为DMC（碳酸二甲酯）、EMCEMC（碳酸甲乙酯）、EC（碳酸乙烯酯）等，同时添加VC（碳酸亚乙烯酯）、PS（亚硫酸丙烯酯）、LiODFB等添加剂。
隔膜的厚度为25um的PP（聚丙烯）/PE（聚乙烯）/PP三层复合膜。
本实施例的电池的制备方法为：
正极片的制备：将钴酸锂、锰酸锂、炭黑、碳纳米管、聚偏氟乙烯加入NMP中混合成浆料，均匀涂覆于铝箔上，经干燥、辊压、裁切后，得到正极片；
负极片的制备：将人造石墨、炭黑、碳纳米管聚偏氟乙烯加入NMP中混合成浆料，均匀涂覆于铜箔上，经干燥、辊压、裁切后，得到负极片；
电芯的制备：将正极片、负极片以及隔膜用Z形层叠片方式制成电芯，然后在正极片和负极片上分别通过超声波焊接正极极耳和负极极耳，最后将电芯置于全密封壳体内，烘烤，除去电芯中的水分；
注液：向上述电芯中注入一定量的上述电解液，封口静置；
最后，对上述电芯进行化成分容，经过一段时间的老化，得到高功率的锂离子蓄电池。
将上述4Ah的电池进行高倍率放电，如图1所示，为实施例1制备的电池的高倍率放电示意图，电池最高可以200A放电，倍率最高可达50C，倍率性能优秀。实施例2、实施例3经上述高倍率放电检测，倍率也均高达50Ｃ，而现有技术的锂离子蓄电池的倍率性能一般为10C~20C，可见，本发明提供的电池倍率性能大幅提高。
同时将实施例1-3制备的电池以国标以及国军标相关安全测试，可以通过针刺、短路、过充电、过放电等安全测试，安全性能优秀，能用于空间电源。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种空间用安全高功率锂离子蓄电池，包括正极片、负极片、将正负极分开的隔膜、电解液，以及空间用锂离子蓄电池全密封壳体，其特征在于：
所述的正极片包括正极集流体以及涂覆于正极集流体表面的正极活性涂层，所述的正极活性涂层包含正极活性物质，该正极活性物质是由组分A与组分B组成的混合型体系，组分A为钴酸锂、镍钴铝酸锂、镍钴锰酸锂中的至少一种，组分B选自锰酸锂和磷酸铁锂中的至少一种；
所述的组分A的材料外表面包覆导电碳层，所述的导电碳层的质量与所述组分A的质量比为（0.1-2）：100，碳层厚度为纳米级；
所述的组分B占正极活性物质的质量百分比为5%~50%。
2.根据权利要求1所述的空间用安全高功率锂离子蓄电池，其特征在于：组分A的粒径D50为5~10um，组分B的粒径D50为4~10um。
3.根据权利要求1所述的空间用安全高功率锂离子蓄电池，其特征在于：所述的正极活性涂层包括以下组分，以质量百分数计：
正极活性物质：85%~95%；
正极导电剂：0.1%~10%；
正极粘接剂：0.1%~10%。
4.根据权利要求3所述的空间用安全高功率锂离子蓄电池，其特征在于：所述的正极导电剂选择导电超级炭黑、碳纳米管及石墨烯中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的空间用安全高功率锂离子蓄电池，其特征在于：所述的正极粘接剂选择聚偏氟乙烯、丁苯橡胶和聚四氟乙烯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的空间用安全高功率锂离子蓄电池，其特征在于：所述的负极片包括负极集流体以及涂覆于负极集流体表面的负极活性涂层，按质量百分比，所述的负极活性涂层包括以下组分：
负极活性物质：80%~95%；
负极导电剂：1%~10%；
负极粘接剂：1%~10%。
7.根据权利要求6所述的空间用安全高功率锂离子蓄电池，其特征在于：所述的负极活性物质为人造石墨、中间相碳微球、硬碳、锡金属合金的至少一种。
8.根据权利要求6所述的空间用安全高功率锂离子蓄电池，其特征在于：负极活性物质的粒径D50为5~10um。
9.根据权利要求6所述的空间用安全高功率锂离子蓄电池，其特征在于：所述的负极导电剂选择导电超级炭黑、碳纳米管及石墨烯中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的空间用安全高功率锂离子蓄电池，其特征在于：所述的负极粘接剂选择聚偏氟乙烯、丁苯橡胶和聚四氟乙烯中的至少一种。
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