[发明专利]一种高能量密度长循环磷酸铁锂电池

说明书

本发明提供了一种高能量密度长循环磷酸铁锂电池，正极活性物质采用钒、硼、氮、碳元素掺杂的磷酸铁锂，负极导电剂采用掺杂型碳纳米管和/或碳纤维，隔膜为基膜上涂覆纳米级的TiO₂和BN，粘结剂采用新型的木质素粘结剂。本发明的电池单体电芯0.2C放电容量≥2300mAh，循环性能优良，电芯0.5C/0.5C 100％DOD循环1000次后容量保持率在78％以上，‑20℃下的容量保持率在83％左右，‑40℃下的容量保持率在63％左右，低温使用性能好。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种高能量密度长循环磷酸铁锂电池。

专业名词：CNT指碳纳米管，PVDF指聚偏氟乙烯，GR指石墨，CF指碳纤维，Super P指导电炭黑，SBR指丁苯橡胶，CMC指羟甲基纤维素，PE指聚乙烯，EC指碳酸乙烯酯，PC指碳酸丙烯酯，DEC指碳酸二乙酯，DMC指碳酸二甲酯，PTFE指聚四氟乙烯，NMP指N-甲基吡咯烷酮，VC指碳酸亚乙烯酯，Na₂ATP指三磷酸腺苷二钠、PAni指聚苯胺、PAA指聚丙烯酸、PAALi指聚丙烯酸锂、PEAA指聚乙烯丙烯酸。

背景技术

随着各领域的发展，对电池的性能要求也不断增加，要求电池具有更薄、更轻、更高的能量密度和功率密度以及更高的安全性。现有的锂离子电池虽然能够提供较高的放电电流，但由于所用电极材料的安全性较低，造成用电器具使用时存在重大的安全隐患，为此采用高安全性材料磷酸铁锂为正极材料对锂离子电池的安全性能做进一步改善。

目前市场上应用较多的有钴酸锂电池、三元材料电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池。其中，磷酸铁锂电池无论从电化学性能，包括可逆容量、稳定性、安全性、循环性和大电流放电能力，还是原材料的价格来看，都优于其他类电池。尤其是循环性能，能量型磷酸铁锂电池1C循环2000次容量保持率可以达到80％以上，远高于钴酸锂电池、三元材料电池、锰酸锂电池。但是，数码型圆柱电池以锰和三元为主，而磷酸铁锂材料因其压实小、能量密度低、低温性能差等特点，在数码、储能型圆柱形18650电池中使用磷酸铁锂为正极材料的非常少。尽管人们通过各种方法，例如锂位、铁位、甚至磷酸位的掺杂改善离子和电子导电性能，通过改善一次或二次颗粒的粒径及形貌控制有效反应面积、通过加入额外的导电剂增加电子导电性等，改善磷酸铁锂的低温性能，提高其能量密度。当低温度使用时，其性能较差，-20℃的放电容量仅占常温下的30％左右，这也是其推广使用的一大障碍，因此改善低温性能至关重要。目前，磷酸铁锂型18650锂离子电池，能量密度在290WH/L左右，放电容量范围在1000～1500mAh，研究者们在提高锂电池性能方面做了大量工作，例如专利号为CN2011103954287的中国专利公开了“一种低温改善型磷酸铁锂电池”，放电容量为1500mAh，-20℃的放电容量达到额定容量的71.2％，-40℃的放电容量达到额定容量的50.6％。我们前期的工作“高安全高能量长循环的磷酸铁锂型18650锂电池及其制备方法”、专利号201810889165.7，电池容量可达2000～2100mA，循环性和低温放电性能优良，电芯0.5C/0.5C 100％DOD循环1000次后容量保持率均在80％以上，-20℃的放电容量达到额定容量的73.6％。但是，电池的容量仍有限，随着电动汽车领域的发展，需要更高比能量的电池以满足数码、储能型18650电池的要求；因此有必要寻找合适的正、负极材料及生产工艺，制备出容量、安全性、循环寿命更高的磷酸铁锂型锂电池。

磷酸铁锂电池的研究主要集中在提高离子扩散速率和离子导电性两个方面，通过提高磷酸铁锂的比表面积、进行包覆或掺杂提高其离子和电子导电性。改善磷酸铁锂电池低温使用性能的方法，主要集中于降低正负极材料粒径、低温电解液优化等，使用环境很难突破-20℃，倍率性能也较差。当前解决磷酸铁锂电池低温性能的主要方法为：采用低熔点溶剂电解液和正负极材料纳米化，在一定程度上改善了磷酸铁锂电池的低温性能，但其使用温度仍很难突破-20℃，大大限制了其推广使用。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种高能量密度长循环的磷酸铁锂型18650锂电池，采用以下技术方案：