題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項目名稱：
- 一種基于新型正極材料的高性能鋰離子電池
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 自從1990年SONY采用可以嵌鋰的鈷酸鋰做正極材料以來，鋰離子電池滿足了“非核能能源”開發(fā)的需要，同時具有工作電壓高、比能量大、自放電小、循環(huán)壽命長、重量輕、無記憶效應(yīng)、環(huán)境污染少等特點，已廣泛應(yīng)用于移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等的電源，大型發(fā)電廠的儲能電池、UPS電源、醫(yī)療儀器電源以及宇宙空間等領(lǐng)域具有重要作用。被認為是21世紀對國民經(jīng)濟和人民生活具有重要意義的高新技術(shù)產(chǎn)品。
- 詳細介紹：
- 目前商業(yè)化的鋰離子蓄電池多采用鈷酸鋰作正極材料，層狀，α-NaFeO2型LiCoO2具有電壓高、放電平穩(wěn)，生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點而率先占領(lǐng)市場，其理論容量為274mAh?g-1，實際容量約為140mAh?g-1。目前商業(yè)化LiCoO2的制備方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，但在資源、環(huán)境方面具有一定的缺陷性，導(dǎo)致成本一直居高不下。目前要找到完美的替代品不可能在短期內(nèi)實現(xiàn)，因此怎樣才能降低鈷酸鋰的生產(chǎn)成本而又保持其優(yōu)越性能，成為電池任要重點解決的問題。 比較其它正極材料如LiMn2O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Mn1.5O4和LiFeSiO4等，橄欖石型磷酸鐵鋰由于具有原料來源豐富、比容量高、工作電壓高和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點，被認為是鋰離子動力電池的理想正極材料。但這種材料電導(dǎo)率低，極大限制了材料在較大電流密度下的應(yīng)用。因此如何提高磷酸鐵鋰材料的電導(dǎo)率和鋰離子擴散速率，進而改善電池的電化學(xué)性能，成為鋰離子電池研究領(lǐng)域的一大熱點。 本項目通過物理沉積方法在鋰離子電池正極表面沉積一層硅基薄膜，提高材料的電導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而改善鋰離子電池的高溫?zé)岱€(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性能。 鋰離子電池正極材料一直是限制鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。和負極材料相比，正極材料能量密度和功率密度低，并且也是引發(fā)鋰離子電池安全隱患的主要原因。使用容易脫嵌的活性正極材料，充放電循環(huán)時，活性材料的結(jié)構(gòu)變化小且可逆，有利于延長電池的壽命。在鋰離子電池濫用的條件下，隨著電池內(nèi)部溫度的升高，正極發(fā)生活性物質(zhì)的分解和電解液的氧化，這兩種反應(yīng)將產(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo)致電池溫度的進一步上升，同時不同的脫鋰狀態(tài)對活性物質(zhì)晶格轉(zhuǎn)變、分解溫度和電池的熱穩(wěn)定性影響相差很大。尋找熱穩(wěn)定性較好的正極材料是鋰離子動力電池的關(guān)鍵。 （1）鈷酸鋰正極材料 鈷酸鋰材料仍然是現(xiàn)階段商業(yè)化鋰離子電池的主要正極材料。該正極材料具有工作電壓高、充放電電壓平穩(wěn)和適合大電流放電等優(yōu)點，但也存在不容忽視的缺點，如價格昂貴、資源稀缺、抗過充電性較差和循環(huán)性能不理想等。當(dāng)以鈷酸鋰為正極的電池充電電壓提高到4.2V以上時，鈷酸鋰產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)相變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷，其表面性質(zhì)發(fā)生變化并與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電池的循環(huán)性能惡化并存在安全隱患，導(dǎo)致鈷酸鋰無法滿足高性能鋰離子電池的應(yīng)用要求。 鈷酸鋰材料電化學(xué)性能的改善主要通過摻雜和包覆進行研究。通過摻雜其他價態(tài)的金屬離子，可以穩(wěn)定鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)，提高導(dǎo)電性，從而改善循環(huán)性能；鈷酸鋰顆粒表面包覆一層氧化物，減少了鈷酸鋰與電解液的直接接觸，改善了循環(huán)穩(wěn)定性。 （2）磷酸鐵鋰正極材料 LiFePO4是近年來研究的熱門鋰離子電池正極材料，具有合成原料資源豐富，環(huán)境友好，高比容量、安全性能高等優(yōu)點，在動力電池和備用電源領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但要在整個鋰離子電池領(lǐng)域顯示出強大的市場競爭力，LiFePO4也存在若干性能方面的缺陷，如體積比容量低、低溫性能差和倍率性能差等。 改善磷酸鐵鋰材料電化學(xué)性能的主要方法有顆粒納米化、表面包覆導(dǎo)電層和體相摻雜等。顆粒納米化縮短了鋰離子的有效擴散行程，提高了材料的離子電導(dǎo)率；體相摻雜是提高材料電導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的最有效手段。雖然體相摻雜和表面包裹可以顯著改善材料的電化學(xué)性能，但生產(chǎn)成本通常較大，制備工藝往往比較復(fù)雜，不適合商業(yè)化推廣。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 通常的表面包覆是指在活性材料顆粒表面包覆一層金屬層或氧化物層，進而改善材料的電化學(xué)性能，但工藝復(fù)雜、金屬易于電解液中的氫氟酸發(fā)生反應(yīng)和氧化物層的通常不導(dǎo)電行為也成為制約了鋰離子電池的進一步市場化的重要因素。半導(dǎo)體材料是介于金屬和絕緣體之間的功能性材料，尤其是非晶態(tài)硅薄膜，可以想象，以具有懸掛鍵的非晶硅作為鋰離子電池的表面修飾材料必然會表現(xiàn)出新穎的電化學(xué)特性。 本項目以具有懸掛鍵的非晶硅作為鋰離子電池的表面修飾材料，研究其修飾正極電極表面對電池電化學(xué)性能的影響。 首次利用物理沉積技術(shù)在鈷酸鋰或磷酸鐵鋰電極表面沉積一層非晶硅薄膜并以此為正極，研究18650型和扣式電池的電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，電極表面修飾非晶硅薄膜后，電池的倍率性能和熱穩(wěn)定性得到了顯著的改善。 鈷酸鋰18650電池 1）過沖測試 ? 電芯不起火，不冒煙，不爆炸 2）擠壓測試 電芯不起火，不冒煙，不爆炸 3）穿釘測試 ? 在穿釘測試的初始5分鐘內(nèi)，電芯不起火，不冒煙，不爆炸 4）熱沖擊試驗 ? 電芯或電池不起火，不冒煙，不爆炸 5）充放電穩(wěn)定性 ? 0.5C充放電300次，容量保持率93%以上 磷酸鐵鋰紐扣電池 60℃環(huán)境0.2C充放電下測試，30次后容量保持96%以上 1）60℃環(huán)境下靜置2天后，0.5C電流密度下的放電比容量為130mAh/g以上。 2）60℃環(huán)境下靜置2天后，電池內(nèi)阻變化不大
科學(xué)性、先進性
- 未沉積18650 LiCoO2電池首次放電比容量為2184mAh?g-1。沉積α-Si薄膜之后，LiCoO2/α-Si 18650電池放電比容量變?yōu)?225mAh?g-1，循環(huán)30次后放電比容量為2155mAh?g-1，循環(huán)容量保持率為97%。說明表面沉積α-Si薄膜后，提高了電池的放電比容量，總體循環(huán)性能提高。 60℃0.2C電壓范圍為2.5-3.9V。LiFePO4＠C/α-Si在經(jīng)過25次循環(huán)容量保持率為97%，而LiFePO4＠C大約90%。沉積α-Si薄膜在某種程度上有效抑制了Fe的溶解。 60℃環(huán)境下擱置2天后，LiFePO4＠C在0.5 C，1.0 C，2.0和3.0C放電比容量為113，95，70和41mAh?g-1，而LiFePO4＠C/α-Si為135，122，109和98mAh?g-1。說明非晶硅薄膜的沉積有效抑制了活性正極材料與電解液的反應(yīng)，改善了其熱穩(wěn)定性。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 購買
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品 樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 18650鈷酸鋰電池： 充電方式：CC-CV；外形尺寸：18*65（mm）；單節(jié)標(biāo)稱電壓為：3.7V；充電電壓為：4.20V；最小放電終止電壓為：2.75V； 最大充電終止電壓：4.20V；保護功能：具有過充電，過放電，過電流。磷酸鐵鋰扣式電池： 充電方式：CC-CV；外形尺寸：20*2.5（mm）；充電電壓為：3.90V；最小放電終止電壓為：2.5V； 最大充電終止電壓：3.90V；保護功能：具有過充電，過放電，過電流。 小型鋰離子電池主要應(yīng)用于手機、數(shù)碼相機、手提電腦等電子產(chǎn)品以及礦燈，約占鋰離子電池全部使用量的90%；已經(jīng)獨霸便攜式電話和筆記本電腦等高端市場，成為各類電子產(chǎn)品的主力電源。小型鋰離子電池的需求將保持每年10%的穩(wěn)步增長。 利用物理沉積技術(shù)在18650鈷酸鋰電池正極極片表面沉積硅基材料薄膜，合成工藝簡單，易實現(xiàn)。高溫?zé)岱€(wěn)定性能、熱存儲性能、倍率性能和循環(huán)壽命均得到改善。產(chǎn)品性價比的提高，同時單體電池使用壽命增加，對國家節(jié)能減排政策的重大支持！
同類課題研究水平概述
- 正極材料作為決定鋰離子電池性能的重要因素之一，研究和開發(fā)更高性能的正極材料是目前提高和發(fā)展鋰電池的有效途徑和關(guān)鍵所在。目前，已商品化的鋰電池正極材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰等。 層狀鈷酸鋰正極材料憑借其電壓高、放電平穩(wěn)、生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點占據(jù)著市場的主要地位，也是目前大量用于生產(chǎn)鋰離子電池的正極材料。鉆酸鋰作為目前商業(yè)化且使用最大的鋰離子電池正極材料，其生產(chǎn)工藝成熟，性能良好，具有比其他正極材料更優(yōu)越的循環(huán)性能。但是，仍存在著許多缺點：安全性能稍差，循環(huán)性能不理想，其放電容量遠未達到理論值，理論克容量為274 mAh?g-1，而現(xiàn)市場上鈷酸鋰的克容量只有145 mAh?g-1左右。為了進一步完善鈷酸鋰材料的性能，從生產(chǎn)工藝的改進方面做了大量的工作，取得了良好的效果；通過摻雜和包覆對鈷酸鋰進行改性，使其充放電性能、循環(huán)性能等性能提高。 在國外鋰離子電池的發(fā)展速度比較快，國外的投資相對比較多，并且均有明確的發(fā)展方向與計劃。歐盟為鋰離子電池的研究和開發(fā)規(guī)定了一系列的計劃，如：Joule、Brite-Euram等，并為此投入了近1400萬美元；加拿大的Hydro-Quebec和3M公司從USABC（美國先進電池協(xié)會）獲得了3300萬美元用于發(fā)展電動汽車用鋰離子電池；德國的Varta公司和美國的Duracell也為USABC從事這方面的工作，歐、美的技術(shù)當(dāng)前仍處于領(lǐng)先地位。在我國，除中國科學(xué)院推出較成熟成果外，近幾年開展磷酸鐵鋰研究開發(fā)的單位有天津電子所、北京大學(xué)、清華大學(xué)等單位。 市場上常見可充電18650電池鋰離子電池電壓為3.6V~3.7V常見容量為1500mAh ~2600mAh，從重量，體積，容量上比起現(xiàn)在常用的5號電池都有很大的優(yōu)勢。如一節(jié)2400mAh的18650電池，電壓按標(biāo)準3.7V計算，功率為8880mWh?，F(xiàn)在最好的三洋5號充電電池ENELOOP，容量2000mAh，電壓為1.2V，功率為2400mWh可以看出，一節(jié)好的18650電池，功率容量是5號電池的4倍。 現(xiàn)國內(nèi)外均有生產(chǎn)18650鋰離子電池的企業(yè)，目前全球生產(chǎn)此型號鋰電池最大的廠商主要集中在日本和韓國，如日本的三洋（已被松下收購）、松下、索尼和韓國的三星等。國內(nèi)近幾年來也漸漸興起，主要集中在廣東一帶，但有很大一部分是中外合資的，電池的性能也不如日韓。
