本发明专利技术提供一种高安全和低成本聚合物锂离子电池的结构设计和制备方法。该聚合物锂离子电池主要由四种复合元件构成：正电极片、负电极片、聚合物／电解质／隔膜复合体以及塑料／金属箔复合膜作为软外包装。由于在本发明专利技术中使用了一种新型较高安全性和较低成本的正极材料、电解质和隔膜制作聚合物锂离子电池，因此，与现有聚合物锂离子电池相比，具有更高能量密度、更好安全性能和更低成本。
【技术实现步骤摘要】
高安全性和低成本聚合物锂离子电池本专利技术专利涉及一种高安全性和低成本聚合物锂离子电池的设计及生产工艺。使用本专利技术提供的方法制备出的聚合物锂离子电池特别适用作中、大容量和高功率电源，其应用范围举例如下：手提电脑、矿灯、电动自行车、电动摩托车、电动汽车和航天航空设备。高技术为人类带来了许多新型电子和通讯产品，以满足越来越多的人在移动中办公、管理企业、从事商务活动、相互联系和个人娱乐的需要。这些高技术移动式电子和通讯设备包括手机、掌上电脑、手提电脑、个人数字助理(PDA)、数字照相机、小型摄像机、便携式DVD/VCD和MP3播放机等。它们都需要小、轻、薄和容量大的电池作为电源。此外，发展电动交通工具例如电动自行车、电动摩托车、电动汽车开始得到世界各国的重视。不论是何种动力装置，纯电动型、混合动力型或燃料电池型(蓄电池用于低温起动和大功率辅助输出)，它们都需要小体积、轻重量和大功率的中型和大型蓄电池作为动力。从销售前景来看，中型和大型电池的潜在市场容量将比手机电池市场更大。随着环境污染的日益严重和石油资源的日益衰竭，电动车已成为当代世界各国优先发展的行业，而作为电动车不可缺少的部件之一的动力电池理所当然将会迎来大发展的时机。据2000年联合国环境署公布的专家预测数据表明：工业废气和汽车尾气还是地球温室效应的主要原因之一，本世纪全球温度上升的速度将从上个世纪每百年0.2度增加到每百年5～7度。全球温度升高会造成许多灾难性后果，其一是南、北两极古冰岛和高山冰雪层融化流入海洋，使海平面升高，许多岛屿和陆地的海边城市将被淹没；其二是热和冷气流之间的温差加大，异常气候增多，台风或旋风破坏力加强，风力可能从最强12级增到最强20级，超强台风-->会带来大量雨水并造成沿海地区频繁的水灾和风灾破坏；其三是与沿海地区的水灾与风灾相反，在内陆地区干旱加剧，江河断流期延长，甚至全年干涸，水库枯竭，土地沙化加剧，沙漠面积迅速扩大，从而大大压缩了人类的生存空间，环境和资源都被严重破坏。日益衰竭的石油资源是问题的另一个方面，全球的石油储量只够开采20年。我国更是一个贫油国家，原有的大庆、渤海等油田因多年超量开采已经接近枯竭。新的油田储量仅能够供应国内需要的30％，每年国家要花费大量外汇进口石油。同时，随着人民生活水平的不断改善和提高，汽车在普通家庭中迅速普及，汽车的保有量和新增数量都在迅速加大。汽车在中国的迅速普及更加剧了石油危机。国家商务部最新统计显示，2003年上半年，我国原油进口4380吨，同比增长32.8％，支付外汇同比增长74.1％。预计2005年后我国石油进口将超过1亿吨。而我国50％以上的石油消耗在交通领域，减少交通领域的石油消耗已成为当务之急。有专家测算：假定中国采用燃料电池主导发展汽车工业，并在2010年实现人均保有量0.09辆，届时中国石油年进口开支将节省300亿美元以上(按2000年平均石油价格计算)。因此，使用电力作为各种交通工具的动力是解决环境污染和石油危机的最佳选择。此外，在经济增长因素的强力拉动下，工业、商业、生活用的空调耗电迅速增长，用电负荷急剧上升，给电网负荷带来很大压力，出现了在白天用电高峰用电紧张，而在晚上又出现电力过剩的现象。许多地区除通过价格杠杆来促使企业错开用电高峰生产外，还通过行政部门的引导来舒缓高峰期的用电压力。电动汽车白天使用，晚上充电，避开了白天的用电高峰，充分利用了夜晚剩余的电力，提高了发电装置的使用效率。-->近十年来，世界各国纷纷加快了对新一代洁净能源汽车的研发与生产，各大汽车巨头对此投入重金研发——通用每年为此投入3亿美元，而戴—克更是高达5亿欧元。在中国，东风汽车、上汽奇瑞、天津汽车、北京客车等汽车厂商也积极加入到电动汽车的研发计划中来。电动车是汽车工业未来发展的趋势。谁在作为电动车发展的瓶颈的动力电池上抢占了先机，谁就在电动车的发展上占住了主动地位。对于适用于电动自行车、电动摩托车、电动汽车、卫星通讯机、无人驾驶飞机、火箭发射器和潜艇用通讯电源等首选的是大型动力锂离子电池。总而言之，锂离子电池和聚合物锂离子电池是各种高技术电子装置和移动设备不可缺少电源。目前，在锂离子电池中常用的正极材料为三种嵌锂氧化物，它们是钴酸锂(LiCoO2)、镍钴酸锂(LiNixCo1-xO2)和锰酸锂(LiMn2O4)。LiCoO2和LiNixCo1-xO2是六方晶系层状岩盐结构的氧化物，锂离子Li在O-Co-O构成的八面体层间隙中移动，具有较高的导电性能和锂离子脱嵌/嵌入可逆性。LiMn2O4是尖晶石三维结构的氧化物，锂离子Li在O-Mn-O构成的八面体立体通道中移动，也具有较高的导电性能和锂离子脱嵌/嵌入可逆性。它们都是目前锂离子电池工业中大量使用的正极材料。但是，钴酸锂(LiCoO2)和镍钴酸锂(LiNixCo1-xO2这两种氧化物安全性不好，过充宽容度只有0.1V，当电池受到过充(超过4.3V)和过热(超过150℃)时会与电解液发生剧烈反应，放出大量的热量而导致电池失火甚至爆炸。此外，金属钴是地球上资源较少的元素之一，而且中国是一个贫钴国，钴资源在我国的储量不到全球资源的8％。因此，生产钴酸锂(LiCoO2)和镍钴酸锂(LiNixCo1-xO2)的原料主要依靠进口，材料成本很高，而且随国际钴金属价格的变化而有较大波动。锰酸锂(LiMn2O4)虽然较为便宜和安全，可是它不仅放电容量-->较小，而且在高温条件下(例如55℃以上)的循环寿命较差，尽管经过成分掺杂和表面化学处理(例如表面包覆LiCoO2)，其循环寿命仍无法满足实际使用的要求。因此，锂离子电池工业，特别是大功率动力锂离子电池需要一种新的正极材料，使电池的材料成本更低、电池容量更大和使用中更加安全。本专利技术使用一种新型正极材料来制备聚合物锂离子电池：锂铁磷酸盐LiFePO4多晶体及其固溶体衍生物LixM1-xFePO4(M＝Mg2+、Ca2+、Sr2+、Cr3+、Ti3+、Al3+、B3+、Si4+、Ge4+、P5+)x＝0.95～1.05。对于锂铁磷酸盐LiFePO4多晶体，它是三维结构的氧化物，锂离子Li在O-Fe-O构成的八面体和O-P-O构成的四面体立体通道中移动，其导电性能和锂离子脱嵌/嵌入可逆性都较差。通过使用新型导电添加剂来改善锂铁磷酸盐LiFePO4电导率，也就是利用非化学计量化合物的方法制备高导电率的锂铁磷酸盐固溶体衍生物LixM1-xFePO4，使其成为低价、高能和安全的锂电池正极材料。新型正极材料的电化学指标举列于下表之中：表1放电容量(mAh/g) 中点电压 (V) DSC* (J/g) 循环寿命 (周)Li0.97Ti0.03FePO4 118 3.3 28 500Li0.97Cr0.03FePO4 95 3.4 25 500*：过充到4.8V保持16小时后测试放热反应热量由上表中可见，锂铁磷酸盐多晶体及其固溶体衍生物具有如下特性：安全性好，过充电压宽容性大，在高温下与电解液的反应小，放热少，放电容量较高，循环寿命较好。而且，锂铁磷酸盐多晶体及其固溶体衍生物所需的锂、铁、磷元素等原料在我国有丰富的储备，自本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种聚合物锂离子电池的结构设计，主要由四种复合元件构成：１ａ．负电极复合元件是由活性物质＋导电剂＋粘结剂组成的混合体涂布在金属铜箔表面上；１ｂ．正电极复合元件是由活性物质＋导电剂＋粘结剂组成的混合体涂布在金属铝箔表面上； １ｃ．隔膜复合元件是由聚合物粘性微粒＋胶态电解质组成的混合体沉积在聚乙－丙烯隔膜带两个表面上；１ｄ．外包装复合元件是多层聚乙烯膜＋聚丙烯膜贴在铝箔的表面上。
【技术特征摘要】
1.一种聚合物锂离子电池的结构设计，主要由四种复合元件构成：1a.负电极复合元件是由活性物质+导电剂+粘结剂组成的混合体涂布在金属铜箔表面上；1b.正电极复合元件是由活性物质+导电剂+粘结剂组成的混合体涂布在金属铝箔表面上；1c.隔膜复合元件是由聚合物粘性微粒+胶态电解质组成的混合体沉积在聚乙-丙烯隔膜带两个表面上；1d.外包装复合元件是多层聚乙烯膜+聚丙烯膜贴在铝箔的表面上。2.根据权利要求1a，负电极复合元件中的活性物质是一种或几种碳质材料的组合，例如天然或合成石墨、石油礁、活性碳等。活性物质也可以是金属合金或金属氧化物，例如锂铝合金和锡氧化物等。材料的形状可以是细粉或纤维。导电剂是各种高导电率碳黑，其比表面积在20-160平方米/克之间。粘结剂可以是聚合物(例如聚偏1，1-二氟乙烯)或是合成胶。3.根据权利要求1b，正电极复合元件中的活性物质是一种锂铁磷酸盐LiFePO4多晶体及其固溶体衍生物LixM1-xFePO4(M＝Mg2+、Ca2+、Sr2+、Cr3+、Ti3+、Al3+、B3+、Si4+、Ge4+、P5+)x＝0.95～1.05。导电剂是各种高导电率碳黑，其比表面积在40-520平方米/克之间。-->粘结剂是聚合物(例如聚偏1，1-二氟乙烯)或是合成胶。4.根据权利要求1c，隔膜复合元件中的聚合物粘性微粒可以在多种化学聚合物中选择，例如聚乙烯酯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚偏1，1-二氟乙烯、聚乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷和聚氨基甲酸酯等。聚合物粘性微粒的尺寸在5纳米至200微米之间。胶态电解质是由电解液与聚合物粘性微粒在特定工艺条件下发生有限物理化学反应的产物。5.根据权利要求1c，隔膜复合元件中的隔膜...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄穗阳，
申请(专利权)人：黄穗阳，黄友林，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]
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