[发明专利]高安全性超长寿命的锂离子电池及其正极材料和化成方法

说明书

本发明涉及一种用作锂离子电池正极的主活性材料及其电池化成方法，该正极中主活性材料包括尖晶石结构锰酸锂LiMn₂O₄、主添加剂含镍的锂过渡金属氧化物和副添加剂呈碱性的金属或非金属氧化物。所述的高安全性超长寿命的锂离子电池由上述正极、负极和隔膜通过叠片或者卷绕工艺制成，其中负极活性材料为钛酸锂，电池经过特定化成方法制备而成。本发明的特点在于：将含镍的锂过渡金属氧化物和呈碱性的金属或非金属氧化物作为主、副添加剂加入锰酸锂中，同时，经过特定的化成制备后，可以有效抑制电池在使用中的产气现象，解决了电池的气胀问题，从而最大限度的发挥出其材料所特有的高安全性和超长寿命的优点。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料、所述材料制成的正极、包含所述正极的电池、以及所述电池的化成方法，尤其涉及一种用于动力和储能应用的锂离子二次电池的设计和制造领域。

背景技术

锂离子电池是于20世纪90年代初迅速发展起来的继镍氢电池之后的新一代绿色高能充电电池。它具有单体电压高、能量密度大、自放电率低、充放电效率高、循环寿命长、无记忆效应和环境友好等优点，已成为手机、数码相机、笔记本电脑等便携式电子产品的主导配套电源，并在电动自行车、电动汽车电源中开始崭露头角。近年来，随着锂离子电池性能的日益完善和生产成本的不断下降，其应用领域和市场份额仍在不断扩大。

锂离子电池正、负极材料均采用锂离子可以自由嵌入和脱出的具有层状或隧道结构的锂离子嵌入化合物。充电时，锂离子从正极脱出，嵌入负极；放电时，锂离子则从负极脱出，嵌入正极。即在充放电过程中，锂离子在正负极间嵌入脱出往复运动，犹如来回摆动的摇椅或往复运动的羽毛球，因此被形象地称为“摇椅（rocking chair）”或“羽毛球（shuttlecock）”电池。

目前，尖晶石结构的钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）作为新一代的锂离子电池负极材料，越来越受到人们的重视。钛酸锂具有传统碳材料所不具备的优点。首先，钛酸锂属于零应变材料，充放电过程中其骨架保持不变；其次，其充放电平台高（1.5V vs Li/Li⁺），不会发生金属锂的沉积；再次，其具有锂离子三维扩散通道，锂离子扩散系数比碳负极材料高1个数量级。以钛酸锂取代碳材料作为锂离子电池的负极，可以改善电池的循环寿命、安全性和功率性能，近年来，其作为动力和储能电池的新型负极材料得到越来越多的关注。此外，与传统锂离子电池正极材料钴酸锂相比，尖晶石结构的锰酸锂（LiMn₂O₄）具有原料丰富、价格低、无环境污染、易回收、电位高和安全性好等优点。因此，采用锰酸锂为正极、钛酸锂为负极的锂离子电池可以兼顾安全、长寿命和低成本等诸多优势，被认为是动力和储能领域极具前景的电池体系。

然而，在研究中人们发现，传统的钛酸锂/锰酸锂电池在循环过程中容易产生气体，从而导致电池阻抗增大，性能快速衰减，甚至在电池内压达到一定程度时，造成电池壳体破裂，发生安全事故。这一致命的缺点，给钛酸锂/锰酸锂体系锂离子电池光明的发展前景蒙上了一道难以驱散的阴影。胀气问题成为该体系锂离子电池亟待解决的瓶颈问题。

发明内容

为了解决上述实际问题，本发明提供了一种改进的钛酸锂/锰酸锂体系锂离子电池的设计和制造方法，该方法可以有效地解决该体系电池的胀气问题，用该方法制造出的电池可以充分发挥出该材料体系所具有的高安全性和超长寿命的特点。

本发明第一个方面提供了一种锂离子电池正极材料，所述正极材料包括主活性材料，所述主活性材料包括尖晶石结构锰酸锂LiMn₂O₄、主添加剂和副添加剂。

所述主添加剂指含镍的锂过渡金属氧化物；所述副添加剂指呈碱性的金属或非金属氧化物。

本发明所述第一个方面中，所述的主活性材料中，所述尖晶石结构锰酸锂、主添加剂和副添加剂质量百分含量优选为（60%-95%）：（35%-5%）：（5%-0%）。