[发明专利]一种以锰酸锂为正极材料的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属电池和电容器技术领域，具体涉及一种以锰酸锂为正极材料的长寿命高安全性锂离子电池。

背景技术

随着经济不断发展，必然引起石油、煤炭等自然资源枯竭、环境污染及地球温室效应的加重。人类必须把握经济增长、环境保护和能源供给这三位一体的“三E”之间的平衡关系。现在世界上能源每年的消费量折算成石油约为80亿吨，其中90％为化石燃料。按现在的消费速度，大约在100年至200年后便会枯竭。新能源、节能技术及环保技术的综合高效开发和利用，已成为十分紧迫的课题。发展电动汽车势在必行，世界各国积极开发电动汽车，现在作为电动汽车的动力电源主要有二次电池、电化学超电容器和燃料电池等，其中二次电池包括铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池。但从成本、安全性、电池性能及环境影响等综合面来衡量，锂离子电池是唯一一种能满足电动汽车动力电源需要的电池系统。铅酸蓄电池、镍氢等电池虽有较大的能量密度，但循环寿命较短，大电流充放电性能较差；并且铅酸电池比能量低，铅有毒性。现有电化学双层电容器虽有长寿命，高输出功率，但能量密度偏小。燃料电池成本高而且输出功率(W/Kg)较小，不能满足起动、加速和爬坡的要求等问题。

然而在过去的10多年，锂离子电池一直未能向大型化方向快速发展。除了制作工艺以及充电电源技术方面存在问题，在电池材料方面也存在着许多问题，特别是作为电池关键部件正极材料至今未能找到理想合适的材料。已商业化的LiCoO₂及其衍生物依靠合成简单、容量较高、充放电较平稳等优点依然占据着小型锂离子电池市场，但是钴资源短缺、价格较高、有剧毒、材料热稳定性较差、存在着安全问题，这些问题均使得钴酸锂材料难以成为大型锂电池正极材料的选择。而一直处于实验研究中LiNiO₂除了存在安全隐患以外，它还有着合成困难、储存时有副反应、放电电位较低等缺点。尖晶石型LiMn₂O₄正极材料由于稳定性好、耐过充电、价格低、环保无毒以及大电流充放电性能好，被认为是动力电池正极材料的最佳选择，备受人们关注，且在安全性能方面明显优于前面所述二种材料，具有应用的广阔前景，目前在市售锂离子电池中已得到小规模应用。但由于其充放电过程中容量衰减较快，尤其是在高温条件下衰减更严重。锰的溶解是容量衰减的原因之一，由于电解液中导电盐发生分解导致电解液中含有痕量的氢氟酸，酸性条件下，锰酸锂发生溶解反应：4H⁺+2LiMn₂O₄→3MnO₂+Mn²⁺+2Li⁺+2H₂O。再者，由于尖晶石中含有Mn3+，在酸性条件下会发生歧化反应：2Mn³⁺→Mn⁴⁺+Mn²⁺，Mn²⁺则可溶解于电解液中，从而造成活性物质的减少，而在高温条件下，歧化反应速度更快。锰酸锂的容量衰减使其用于大型锂离子电池受到一定的阻碍。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的具有大功率、安全、低成本和无环境污染等特点的锂离子电池。

本发明提出的新型的锂离子电池，由正极膜、负极膜、介于正极膜和负极膜之间的复合隔膜以及含有阴阳离子并具有离子电导性的有机系电解质组成。其中所述正极膜采用各种锰酸锂或其衍生的正极材料，包括经掺杂处理、非整数化学计量比以及元素浓度为梯度分布的锰酸锂嵌入化合物材料；所述负极膜采用石墨材料、碳材料、低电位嵌锂化合物、合金材料以及其他负极材料等；所述电解质中，采用含锂离子的有机系物电解质。

本发明中电解液质为有机电解质，有机系电解质的溶质为软阴离子的锂盐如LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄、LiAsF₆、LiCF₃SO₃等，其浓度为1摩尔/升-5摩尔/升，溶剂为乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯或碳酸二甲酯等单组分溶剂，或其中几种组合的混合溶剂。