二次锂离子电池或电池组、其保护电路以及电子装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供提高二次锂离子电池或电池组的容量、平均工作电压和比能量的新方法，通过适当调整正、负极材料按照理论克容量计算的配比和适当提高充电限制电压，可大幅提高二次锂离子电池的比能量和平均工作电压而不影响电池循环性能。本发明专利技术还提供采用该方法的二次锂离子电池或电池组，适用于该二次锂离子电池或电池组的保护电路以及采用所述保护电路的使用二次锂离子电池或电池组的电子装置。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及提高二次锂离子电池或电池组的容量、平均工作电压和比能量的方法，同时也涉及采用该方法制备的二次锂离子电池或电池组，以及用于所述二次锂离子电池或电池组的保护电路和使用所述二次锂离子电池或电池组的电子装置。其实，目前的二次锂离子电池的正负极材料已经具有相当高的理论克容量，只是实际利用的效能太低。如作为二次锂离子电池正极材料的钴酸锂，其理论克容量高达248mAh/g，而实际使用的克容量才达120mAh/g左右，也就是说还有一半的潜能没有发挥出来，其原因之一是目前使用的充电限制电压较低。目前二次锂离子电池制造业中公认的行业技术要求是将单体二次锂离子电池充电限制电压限于不超过4.2V，并且，现今在世界各国上市的锂离子电池均是在这一技术要求下生产制造出来的。如单体锂离子电池在化成工艺处理过程中，充电限制电压为4.2伏以下，其保护电路的过充保护释放电压控制在4.15伏以下。将充电限制电压控制在4.2伏的原因，是以往的研究成果和大量的文献报道认为提高充电限制电压，虽然可以提高锂离子电池的容量和平均工作电压，但当充电限制电压大于4.2伏时，锂离子电池的正负极材料结构会发生变化，电解液也会发生分解，从而影响电池的循环性能。例如，对于目前商业化的锂离子电池大多用作正极材料的钴酸锂而言，虽然许多文献显示以锂金属作为对电极制成实验电池时的充电限制电位可以在4.2V以上，但在以钴酸锂为正极的商品化锂离子电池中，充电限制电压都在4.2V以下，从而使钴酸锂的实际克容量为120-130毫安时/克，即仅仅是理论容量的50％左右。实际上，根据MIZUSHIMAK等人的报道“具有高能量密度的新型阴极材料”(A new cathode material forbatteries of high energy density.MaterResBull.1980，15783)锂离子的脱出量随充电电压的升高而升高，钴酸锂的电化学克容量也会随之升高。但是，研究认为以金属锂作为对电极钴酸锂的可逆充放电位在4.3V左右，超过4.3V钴酸锂的结构会发生变化，晶格参数C会由4.4纳米降至4.0纳米，钴酸锂的结构因之发生变化，影响电池的循环寿命。G.PISTOIA等人(JPower Source，56(1995)，37-43.)认为钴酸锂的结构会随着充电电压的变化而变化，超过一定电压会出现单斜相与六方相共存的情况。此时会影响电池的循环性能，造成电池循环性能的下降。实验发现，在以锂金属作为负极的扣式实验电池中，当充电限制电压提高至4.35V时，钴酸锂的克容量可以达到159毫安时/克。但循环几周后，就下降至135毫安时/克。充电限制电压为4.25V时，容量衰减也很快。文献认为只有当充电限制电压在4.15V时，钴酸锂保持良好的循环性能，克容量保持在130毫安时/克左右。但是单斜相对应的电位是4.05V，六方相所对应的电位是4.17V，都在4.2V以内。还有文献(雷永泉主编《新能源材料》，2000P136)给出了用EC/DMC的作为混合溶剂，用LiPF6作为电解质的电解液在铝箔集流体上的分解电位是4.2V。由此认为充电限制电压超过4.2V以上时会分解电解液，影响电池的循环寿命。1990年SONY公司推出以焦碳作为负极的锂离子电池，充电限制电压为4.20V以下，此成为以后锂离子电池公认的技术要求。这是因为，现有技术认为1.充电限制电压的提高会使正极物质的结构发生改变，结构的改变又集中在两个方面，其中一方面结构的变化主要是相的变化即六方相和单斜相的转变与共存，会严重影响锂离子电池的循环寿命。另一方面是晶格参数的变化会使锂离子进出的通道变窄，从而使锂离子所占的空隙受到挤压，进而堵塞锂离子的通道，降低锂离子电池的循环性能。2.提高充电限制电压会使电解液在高电位下发生分解，电解液的减少又会使锂离子的传输变得困难，从而严重影响电池的循环寿命。从中可以看出，对于锂离子二次电池，由于充电电压的限制，限制了电极活性材料实际的有效利用率，在此条件下即使今后开发出了比能量更高的正负极材料，锂离子电池也无法发挥出最佳的效能。因此，迫切需要一种提升锂离子电池活性物质的效能利用率，进而提高电池容量和平均工作电压，同时保持较好的电池性能的方法。本专利技术的一个目的是提供提高二次锂离子电池或电池组的比能量和平均工作电压的新方法，其中该单体电池的充电限制电压大于4.2V，但不超过5.8V，单体锂离子电池的正、负极的配比按充电限制电压为4.2V的理论克容量计算在1∶1.0～1∶2.5，优选在1∶1.15-1∶2.5。本专利技术另一个目的是二次锂离子电池或电池组，该单体二次锂离子电池的充电限制电压大于4.2V，但不超过5.8V，其单体锂离子电池的正、负极的配比按充电限制电压为4.2V的理论克容量计算为1∶1.0～1∶2.5，优选该配比在1∶1.15～1∶2.5。本专利技术又一个目的是用于上述二次锂离子电池或电池组的保护电路，该保护电路的首次过充保护电压大于4.35V，过充保护释放电压大于4.15V。本专利技术再又一个目的是以二次锂离子电池或电池组为能源的电子装置，该电子装置包括使单体锂离子电池的首次过充保护电压大于4.35V、过充保护释放电压大于4.15V的保护电路。实施本专利技术具体方式与本领域中普遍认为应该将充电限制电压限于4.2伏相反，本专利技术人通过逐步提高充电限制电压，并适当调整单体锂离子电池的正、负极的配比，在考察提高充电限制电压后的电池性能的大量实验中，出乎意料地发现，能够在基本不改变其它电池特性的同时，可以低成本地显著提高二次锂离子电池或电池组的容量、比能量和平均工作电压。在本专利技术中，“锂离子电池或电池组”是指本专利技术既可应用于锂离子单体电池，也可应用于包括保护电路的单体锂离子电池，也可应用于包括多个单体锂离子电池的电池组，也可应用于包括多个单体锂离子电池及保护电路的电池组，为了简便起见，有时也统称为锂离子电池”。此外，本专利技术中“正、负极材料的理论克容量”是指正、负极材料按照充电限制电压为4.2V时的理论克容量。本专利技术人通过逐步提高充电限制电压，研究了充电限制电压与二次锂离子电池的电池特性的关系。例如，在试验中，在对市售二次单体锂离子电池进行检测及自制二次单体锂离子电池化成检测时，本专利技术人将充电限制电压的工艺参数由4.2伏，提高至4.30伏、4.35伏、4.40伏、4.45伏和4.6伏。结果发现，在充电限制电压为4.3伏、4.35伏、4.40伏时，其比能量比充电限制电压为4.2伏时提高了约6-20％，电池仍然可以保护良好的循环性能，循环50次，容量保持在95％以上，循环500次，容量保持在80％以上，和充电限制电压在4.2伏时的循环性能相当。然而在充电限制电压提高至4.45伏以上时，比能量虽然提高了近30％，但循环性能较差，循环6次后，容量保持率仅为83.9％。为了找出充电限制电压提高至4.45伏以上时循环性能较差的原因，本专利技术人在做了大量基础研究和理论探索后，调整了正负极材料容量配比，即将锂离子电池的正负极材料按充电限制电压为4.2V时的理论克容量计算的配比调整为1∶1.3～2.5。之后将正、负极材料容量配比调整后的单体锂离子电池，分别在充电限制电压为4.45伏、4.6伏，4.8伏本文档来自技高网...

【技术保护点】
提高二次锂离子电池或电池组的容量、平均工作电压和比能量的方法，其特征在于对该单体锂离子电池的充电限制电压大于４．２Ｖ，但不超过５．８Ｖ，优选该充电限制电压在４．３Ｖ～５．２Ｖ，更优选在４．３Ｖ～４．８Ｖ；单体锂离子电池的正、负极的配比按充电限制电压为４．２Ｖ时的理论克容量计算在１∶１．０～１∶２．５，优选该配比在１∶１．１５～１∶２．５。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：任晓平，孙杰，
申请(专利权)人：任晓平，孙杰，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]