專利名稱：含金屬鈮改性鈦酸鋰電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含金屬鈮改性鈦酸鋰電池。
背景技術(shù)：
鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌；充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。以碳材料作負(fù)極材料的鋰離子電池在應(yīng)用上存在一些弊端，如過充電時易析出鋰枝晶，造成電池短路，影響鋰電池的安全性能；易形成SEI膜而導(dǎo)致首次充放電效率較低，不可逆容量較大；碳材料的平臺電壓較低(接近于金屬鋰)，并且容易引起電解液的分解，從而帶來安全隱患；在鋰離子嵌入、脫出過程中體積變化較大，循環(huán)穩(wěn)定性差。與碳材料相比，用尖晶石型的鈦酸鋰作負(fù)極材料具有明顯的優(yōu)勢。尖晶石型鈦酸鋰的結(jié)構(gòu)(Li4Ti5O12)與尖晶石型錳酸鋰(LiMn2O4)相似，理論容量為175mAh/g。在鋰離子的嵌入脫出過程中，骨架結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變化，是一種“零應(yīng)變”材料，具有優(yōu)異的充放電循環(huán)穩(wěn)定性。嵌鋰電位高(1.55V vsLi+/Li)而不會引起支晶鋰的析出，是一種高安全型的鋰離子負(fù)極材料。與電解液的副反應(yīng)少，庫倫效率高，循環(huán)壽命長。材料的尖晶石骨架結(jié)構(gòu)具有三維鋰離子擴散通道，鋰離子擴散(2X10_8cm2/s)比碳負(fù)極材料高一個數(shù)量級。但是尖晶石型鈦酸鋰負(fù)極材料也有其不足之處，如高嵌鋰電位帶來的電池電壓低，造成電池的比能量低；材料本身導(dǎo)電性差(固有電導(dǎo)率10_9S/cm)，大電流充放電時易產(chǎn)生較大的極化等而限制了其應(yīng)用的推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，而提供一種電化學(xué)性能好、比容量高的含金屬鈮改性鈦酸鋰電池 。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種含金屬鈮改性鈦酸鋰電池，包括正極、負(fù)極、電解液和間隔于正負(fù)極之間的隔膜，所述負(fù)極包括負(fù)極集流體、負(fù)極導(dǎo)電層和負(fù)極活性層，所述負(fù)極集流體為鋁箔，所述負(fù)極導(dǎo)電層由2-10重量份的導(dǎo)電劑和3-10重量份的粘結(jié)劑組成，所述負(fù)極活性層由40-50重量份的含鈮改性鈦酸鋰、2-4重量份的導(dǎo)電劑和1-6重量份的粘結(jié)劑組成，所述含鈮改性鈦酸鋰中鋰原子、鈦原子和鈮原子的物質(zhì)的量之比為4:4-5:0. 1-1 ;所述導(dǎo)電劑為導(dǎo)電石墨、硬碳、碳纖維和乙炔黑中的任一種或多種，所述粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、聚四氟乙烯、丁苯橡膠中的任一種或多種；所述電解液包括六氟砷酸鋰、2-溴丙醇和1，3- 二氰基丙烷以及碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、乙二醇二甲醚中的任一種或多種；六氟砷酸鋰的質(zhì)量占電解液質(zhì)量的15-35%;2-溴丙醇與1，3-二氰基丙烷的物質(zhì)的量之比為1:1-3，2-溴丙醇和1，3-二氰基丙烷的總質(zhì)量占電解液質(zhì)量的5-10% ;所述正極包括正極集流體、正極導(dǎo)電層和正極活性層，正極集流體為鋁箔，正極導(dǎo)電層由2-10重量份的導(dǎo)電劑和3-10重量份的粘結(jié)劑組成，正極活性層由35-45重量份的鎳錳酸鋰、2-4重量份的導(dǎo)電劑和1-6重量份的粘結(jié)劑組成。
優(yōu)選地，負(fù)極導(dǎo)電層由5重量份的導(dǎo)電劑和4重量份的粘結(jié)劑組成。優(yōu)選地，負(fù)極活性層由45重量份的含鈮改性鈦酸鋰、2重量份的導(dǎo)電劑和3重量份的粘結(jié)劑組成。優(yōu)選地，含鈮改性鈦酸鋰中鋰原子、鈦原子和鈮原子的物質(zhì)的量之比為4 :4. 5 :
O.5。優(yōu)選地，正極導(dǎo)電層由5重量份的導(dǎo)電劑和4重量份的粘結(jié)劑組成。優(yōu)選地，正極活性層由45重量份的鎳錳酸鋰、2重量份的導(dǎo)電劑和3重量份的粘結(jié)劑組成。優(yōu)選地，導(dǎo)電劑由導(dǎo)電石墨和硬碳組成，導(dǎo)電石墨和硬碳的質(zhì)量之比為5 :5。優(yōu)選地，粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯。優(yōu)選地，六氟砷酸鋰的質(zhì)量占電解液質(zhì)量的30%。優(yōu)選地，2-溴丙醇與1，3-二氰基丙烷的物質(zhì)的量之比為1:2，2_溴丙醇和1，3_ 二氰基丙烷的總質(zhì)量占電解液質(zhì)量的7%。優(yōu)選地，溶劑為碳酸乙烯酯。優(yōu)選地,隔膜采用Clgard2300型隔膜。與現(xiàn)有技術(shù) 相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的含金屬鈮改性鈦酸鋰電池具有良好的電化學(xué)性能，循環(huán)性能好；本發(fā)明的首次比容量高，最佳的實施方式中，首次充放電效率高達95%。


圖1為實施例1的含金屬鈮改性鈦酸鋰電池的電池循環(huán)性能圖。
具體實施例方式為了更充分理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步介紹和說明。一種含金屬鈮改性鈦酸鋰電池，正極集流體和負(fù)極集流體均為鋁箔，正極導(dǎo)電層和負(fù)極導(dǎo)電層均由2-10重量份的導(dǎo)電劑和3-10重量份的粘結(jié)劑組成，負(fù)極活性層由40-50重量份的含鈮改性鈦酸鋰、2-4重量份的導(dǎo)電劑和1-6重量份的粘結(jié)劑組成，含鈮改性鈦酸鋰中鋰原子、鈦原子和鈮原子的物質(zhì)的量之比為4 :4-5 :0. 1-1，正極活性層由35-45重量份的鎳錳酸鋰、2-4重量份的導(dǎo)電劑和1-6重量份的粘結(jié)劑組成；導(dǎo)電劑為導(dǎo)電石墨、硬碳、碳纖維和乙炔黑中的任一種或多種，粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、聚四氟乙烯、丁苯橡膠中的任一種或多種；六氟砷酸鋰的質(zhì)量占電解液質(zhì)量的15-35%，2-溴丙醇與1，3-二氰基丙烷的物質(zhì)的量之比為1:1-3，2-溴丙醇和1，3- 二氰基丙烷的質(zhì)量之和占電解液質(zhì)量的5-10% ;溶劑為碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、乙二醇二甲醚中的任一種或多種；隔膜采用Clgard2300型隔膜。實施例1含鈮改性鈦酸鋰的制備按物質(zhì)的量之比為8 9分別稱取5. 28g無水醋酸鋰和25. 58g鈦酸四異丙酯，在常溫下分別溶于乙醇中，然后在攪拌條件下混合兩種溶液，接著在混合溶液中滴加5mL乙酸，繼續(xù)加入1. 33g五氧化二鈮，在40°C條件下不斷攪拌，恒溫4h，得凝膠，120°C條件下烘干得前驅(qū)體，將前軀體分散在去離子水中形成懸浮液，并對懸浮液進行噴霧干燥制得粉體，熱空氣溫度為140°C，將粉體在馬弗爐中進行煅燒，馬弗爐以5°C /min升溫至800°C，恒溫12h，自然冷卻至室溫后經(jīng)研磨并過150目篩即得到含鈮改性鈦酸鋰負(fù)極材料。負(fù)極片的制備將7g聚偏氟乙烯加入50mLN_甲基吡咯烷酮中混合均勻，然后加入7g導(dǎo)電石墨，充分?jǐn)嚢杈鶆蛑瞥韶?fù)極導(dǎo)電層衆(zhòng)料；再將5g聚偏氟乙烯加入IOOmLN-甲基批咯烷酮中混合均勻，加入4g導(dǎo)電石墨攪拌，再加入45g含鈮改性鈦酸鋰，充分?jǐn)嚢杈鶆蛑瞥韶?fù)極活性層漿料；將負(fù)極導(dǎo)電層漿料均勻涂于鋁箔表面，待表面微干無明顯流體時，將負(fù)極活性層漿料涂覆其上，雙面密度控制在200-250g/cm2，烘干即可。正極片的制備將7g聚偏氟乙烯加入50mLN_甲基吡咯烷酮中混合均勻，然后加入7g導(dǎo)電石墨，充分?jǐn)嚢杈鶆蛑瞥烧龢O導(dǎo)電層衆(zhòng)料；再將5g聚偏氟乙烯加入IOOg N-甲基批咯烷酮中混合均勻，加入4g導(dǎo)電石墨，再加入40g鎳錳酸鋰，充分?jǐn)嚢杈鶆蛑瞥烧龢O活性層漿料；將正極導(dǎo)電層漿料均勻涂于鋁箔表面，待表面微干無明顯流體時，將正極活性層漿料涂覆其上，雙面密度控制在200-250g/cm2，烘干即可。電解液的配制向64g碳酸乙烯酯中加入30g六氟砷酸鋰，攪拌均勻后再向混合液中分別加入2g2-溴丙醇和4gl，3- 二氰基丙烷，攪拌均勻即可。將正極片、隔膜和負(fù)極片依次層疊排列并壓合形成復(fù)合體，由三個復(fù)合體卷繞組成電芯，將電芯和電解液包覆于電池外殼內(nèi)形成電池。實施例2與實施例1不同的是電解液由77g碳酸乙烯酯、15g六氟砷酸鋰、2g2_溴丙醇和6gl，3-二氰基丙烷，攪拌均勻制得。其余與實施例1 相同。實施例3與實施例1不同的是電解液由58g碳酸二甲酯、35g六氟砷酸鋰、2g2_溴丙醇和5gl，3-二氰基丙烷，攪拌均勻制得。其余與實施例1相同。實施例4與實施例1不同的是在含鈮改性鈦酸鋰的制備中，無水醋酸鋰的質(zhì)量為5. 28g，鈦酸四異丙酯的質(zhì)量為28. 40g，五氧化二鈮的質(zhì)量為1. 5g。其余與實施例1相同。實施例5與實施例1不同的是在含鈮改性鈦酸鋰的制備中，無水醋酸鋰的質(zhì)量為5. 28g，鈦酸四異丙酯的質(zhì)量為28. 40g，五氧化二鈮的質(zhì)量為1. 5g ;在正極片和負(fù)極片的制備中，導(dǎo)電層衆(zhòng)料由7g聚四氟乙烯、5g導(dǎo)電石墨、3g硬碳、50mLN-甲基卩比咯燒酮組成。其余與實施例1相同。實施例6與實施例1不同的是在含鈮改性鈦酸鋰的制備中，無水醋酸鋰的質(zhì)量為5. 28g，鈦酸四異丙酯的質(zhì)量為22. 78g，五氧化二鈮的質(zhì)量為O. 27g ;在電解液的配置中，2-溴丙醇的質(zhì)量為1. 5g，I, 3- 二氰基丙烷的質(zhì)量為4. 5g。
其余與實施例1相同。實施例7與實施例1不同的是在含鈮改性鈦酸鋰的制備中，無水醋酸鋰的質(zhì)量為5. 28g，鈦酸四異丙酯的質(zhì)量為28. 40g，五氧化二鈮的質(zhì)量為2. 66g ;在電解液的配置中，2-溴丙醇的質(zhì)量為3g，I, 3- 二氰基丙烷的質(zhì)量為3g。其余與實施例1相同。電化學(xué)性能測試測試含金屬鈮改性鈦酸鋰電池的電化學(xué)性能，包括測試電池循環(huán)性能、首次放電比容量和首次充放電效率。在20±2°C下，對電池在1. OV-2. 5V電壓范圍進行恒流充放電測試，如圖1所示為實施例1的含金屬鈮改性鈦酸鋰電池在20C (3. 5A/V1)倍率下充放電的電池循環(huán)性能圖，放電比容量為170mAh/g，經(jīng)100次循環(huán)電池容量沒有明顯衰減。如下表所示為各實施例的含金屬鈮改性鈦酸鋰電池的放電比容量和充放電效率的測試結(jié)果。比容量=放電容量/負(fù)極材料的質(zhì)量，首次充放電效率=首次放電容量/首次充電容量X 100%。
權(quán)利要求
1.一種含金屬鈮改性鈦酸鋰電池，包括正極、負(fù)極、電解液和間隔于正負(fù)極之間的隔膜，其特征在于所述負(fù)極包括負(fù)極集流體、負(fù)極導(dǎo)電層和負(fù)極活性層，所述負(fù)極集流體為鋁箔，所述負(fù)極導(dǎo)電層由2-10重量份的導(dǎo)電劑和3-10重量份的粘結(jié)劑組成，所述負(fù)極活性層由40-50重量份的含鈮改性鈦酸鋰、2-4重量份的導(dǎo)電劑和1-6重量份的粘結(jié)劑組成，所述含鈮改性鈦酸鋰中鋰原子、鈦原子和鈮原子的物質(zhì)的量之比為4:4-5:0. 1-1 ;所述電解液包括六氟砷酸鋰、2-溴丙醇和1，3- 二氰基丙烷以及碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、乙二醇二甲醚中的任一種或多種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述含金屬鈮改性鈦酸鋰電池，其特征在于所述導(dǎo)電劑為導(dǎo)電石墨、硬碳、碳纖維和乙炔黑中的任一種或多種，所述粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素鈉、聚四氟乙烯、丁苯橡膠中的任一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述含金屬鈮改性鈦酸鋰電池，其特征在于所述含鈮改性鈦酸鋰中鋰原子、鈦原子和鈮原子的物質(zhì)的量之比為4 :4. 5 :0. 5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述含金屬鈮改性鈦酸鋰電池，其特征在于所述2-溴丙醇與1，3-二氰基丙烷的物質(zhì)的量之比為1:1-3 ;所述2-溴丙醇和1，3-二氰基丙烷的總質(zhì)量占電解液質(zhì)量的5-10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述含金屬鈮改性鈦酸鋰電池，其特征在于所述六氟砷酸鋰的質(zhì)量占電解液質(zhì)量的15-35%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述含金屬鈮改性鈦酸鋰電池，其特征在于所述隔膜采用Clgard2300 型隔膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含金屬鈮改性鈦酸鋰電池，包括正極、負(fù)極、電解液和間隔于正負(fù)極之間的隔膜，所述負(fù)極包括負(fù)極集流體、負(fù)極導(dǎo)電層和負(fù)極活性層，負(fù)極活性層由40-50重量份的含鈮改性鈦酸鋰、2-4重量份的導(dǎo)電劑和1-6重量份的粘結(jié)劑組成，含鈮改性鈦酸鋰中鋰原子、鈦原子和鈮原子的物質(zhì)的量之比為44-50.1-1；所述電解液包括六氟砷酸鋰、2-溴丙醇和1,3-二氰基丙烷以及碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、乙二醇二甲醚中的任一種或多種。本發(fā)明提供的含金屬鈮改性鈦酸鋰電池具有良好的電化學(xué)性能，循環(huán)性能好；本發(fā)明的首次比容量高，首次充放電效率高達95%。
文檔編號H01M4/62GK103050730SQ20121050895
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者趙東輝, 戴濤, 周鵬偉 申請人:東莞市翔豐華電池材料有限公司