[发明专利]一种锂离子电池及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池及其制备方法。所述锂离子电池包括电芯和电解液；所述电芯包括依次层叠设置的正极极片、第一隔膜、中间层、第二隔膜和负极极片；其中，所述正极极片、第一隔膜和中间层组成第一区域，所述中间层、第二隔膜和负极极片组成第二区域，所述第一区域中的电解液和第二区域中的电解液不互通；所述正极极片中的正极活性物质包括尖晶石镍锰酸锂；所述中间层包括钛酸锂；所述负极极片中的负极活性物质包括石墨。本发明提供的锂离子电池，降低了高电压下电解液分解产气的风险，使得电池的容量发挥和循环性能得到了显著地提升，有利于尖晶石镍锰酸锂体系下的电池的大规模推广使用。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种锂离子电池及其制备方法，尤其涉及一种尖晶石镍锰酸锂体系下的锂离子电池及其制备方法。

背景技术

近年来，高比能量、长寿命、低成本的正极材料及其电池被迫切需要。锂离子电池以其工作电压高、比能量大、循环寿命长、污染小等优势被电池企业选中。

目前普遍使用的正极材料分别是钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂以及高电压镍锰酸锂等。由于钴价格昂贵，且钴酸锂、镍钴锰酸锂用于动力电池的安全隐患较大。锰酸锂、镍锰酸锂以及磷酸铁锂是锂离子动力电池较为理想的正极材料。锰酸锂材料虽然成本低，安全性能好，但比容量相对偏低，由于Mn的溶解、Jahn-Teller畸变效应以及晶格的不稳定，导致循环寿命尤其是高温循环性能不理想。研究表明掺杂可有效改善其高温循环性能，尤其是Ni掺杂的LiNi_0.5Mn_1.5O₄，使得锰的价位高于3.5，能够有效抑制Mn溶解、JahnTeller畸变效应以及晶格的不稳定性，并且放电电压平台高达4.7V，成为一款理想的动力电池正极材料。高电压尖晶石LNMO正极材料，具有高的安全性能，优异的大倍率充放电性能，以及价格低廉和合成简单等优点，理论比容量146.7mAh g^-1，实际能量密度可以达到甚至超过220wh/kg，比LiFePO₄/石墨电池体系的能量密度高出约30％，比LiMn₂O₄/石墨电池体系更是高出约40％。然而，虽然LNMO正极材料已经发展很多年而且半电池(LNMO/Li)具有优异的电化学性能，但是基于LNMO的商业锂离子电池目前还没有完全普及和应用。制约其商业化大规模应用的主要原因是因为组装成全电池后随着循环的进行容量出现大幅度的衰减，几乎没有任何使用价值。目前，针对镍锰酸锂/石墨(LNMO/C)锂离子电池衰减机理研究较多，其中一种解释原因是基于镍锰酸锂/石墨体系电池已经超出现有的常规电解液分解电压，导致高电压下电解液的不断分解以及同时发生在电极和电解液界面的降解反应。同样，也有人指出LNMO/石墨容量衰减的主要原因可以解释为电池中的活性锂离子的不断损耗，这种锂离子的损失主要也是基于电解液和电极发生不稳定界面反应。

为了使这种高电压材料尽快普及应用，大家也提出了很多方法，如CN106159345A中提出通过Li₄Ti₅O₁₂包覆LNMO制备LNMO@LTO正极材料，减少电解液与活性材料本体的直接接触，减少Mn从正极材料中的溢出，稳定体系；同时在负极表面通过有机酸脂的修饰，改变SEI膜的组分，强化界面稳定性，遏制容量衰减；又在电解液中加入功能性添加剂，提升电池的首次效率，抑制电池的自放电，提高电池比容量，但是该方案中存在增大电池的内阻，产生较大的极化降低电池的能量密度的问题；再如CN103682307A通过改变负极材料，将石墨负极改为钛酸锂负极，降低电池电压，缓解电解液的压力，首效，循环和倍率性能得到很大的提高，但是其全电池电压大大降低，其电压窗口仅为2.0V-3.5V，大大降低了其能量密度，缩短续航里程；同时常规的尖晶石镍锰酸锂/石墨全电池由于其电压较高，目前能耐5V高电压的电解液还未面世，所以尖晶石镍锰酸锂/石墨全电池制备仍面临很大困难。

因此，如何能使得常规电解液能适配高电压下的尖晶石镍锰酸锂/石墨的电池体系，避免电解液的分解产气，是亟待解决的技术问题。

发明内容