碳電極稀土鋰離子蓄電池的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型是一種碳電極稀土鋰離子蓄電池，包括殼體，所述殼體內(nèi)具有：至少兩個(gè)單格，所述單格由碳質(zhì)負(fù)極板、稀土鋰復(fù)合正極板和插放在它們之間、可使電解液滲透的間隔板形成，所述單格之間電連接；正極柱，與每個(gè)所述單格的稀土鋰復(fù)合正極板連接，且其一端伸出所述殼體外；負(fù)極柱，與每個(gè)所述單格的碳質(zhì)負(fù)極板連接，且其一端伸出所述殼體外；和電解液，填充在所述殼體內(nèi)且與所述稀土鋰復(fù)合正極板和碳質(zhì)負(fù)極板接觸。本實(shí)用新型碳電極稀土鋰離子蓄電池可反復(fù)充電、充電速度快、比能量高。
【專利說明】碳電極稀土鋰離子蓄電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及一種蓄電池，尤其是一種碳電極稀土鋰離子蓄電池。
【背景技術(shù)】
[0002]燃油汽車排放是主要污染源之一。我國現(xiàn)在汽車的擁有量為平均每1000人10輛汽車，這使我國的16個(gè)城市被列入全球大氣污染最嚴(yán)重的20個(gè)城市之中。另外，較高比例的燃油汽車油用量導(dǎo)致石油資源不足，每年已進(jìn)口幾千萬噸石油，。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，假如中國汽車持有量達(dá)到現(xiàn)在全球水平，每1000人有110輛汽車，我國汽車持有量將成10倍地增加，石油進(jìn)口就成為大問題。因此在我國研究發(fā)展電動(dòng)汽車不是一個(gè)臨時(shí)的短期措施，而是意義重大的、長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略考慮。
[0003]電動(dòng)汽車本身不排放污染大氣的有害氣體，廢氣排出比燃油汽車減少92%_98%，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其他污染物也顯著減少。由于電廠大多建在遠(yuǎn)離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且電廠是固定不動(dòng)的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易。另外，電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力等，可緩解人類對石油資源的依賴以及對其日見枯竭的擔(dān)心。再次，電動(dòng)汽車還可以充分利用晚間用電低谷時(shí)富余的電力充電，使發(fā)電設(shè)備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟(jì)效益。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使電動(dòng)汽車的研究和應(yīng)用成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的一個(gè)〃熱點(diǎn)〃?，F(xiàn)在已有汽車公司推出各自的純電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車將會慢慢成為汽車發(fā)展的一種趨勢和必然。
[0004]當(dāng)前限制純電動(dòng)汽車廣泛應(yīng)用的核心部件是動(dòng)力電池的綜合性能。電動(dòng)汽車需要的電池應(yīng)該具備下列性能:可以反復(fù)的充電、充電速度快、能量密度高、安全平穩(wěn)，且價(jià)格低廉，生產(chǎn)原料充分，有可以回收再造的優(yōu)勢。目前還沒有一種這樣的電池。
[0005]有鑒于此，特提出本實(shí)用新型。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的是提供一種可以反復(fù)充電、充電速度快、比能量高的碳電極稀土鋰離子蓄電池。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用技術(shù)方案的基本構(gòu)思是:
[0008]一種碳電極稀土鋰離子蓄電池，包括殼體，所述殼體內(nèi)具有:
[0009]至少兩個(gè)單格，所述單格由碳質(zhì)負(fù)極板、稀土鋰復(fù)合正極板和插放在它們之間、可使電解液滲透的間隔板形成，所述單格之間電連接；
[0010]正極柱，與每個(gè)所述單格的稀土鋰復(fù)合正極板連接，且其一端伸出所述殼體外；
[0011]負(fù)極柱，與每個(gè)所述單格的碳質(zhì)負(fù)極板連接，且其一端伸出所述殼體外；和
[0012]電解液，填充在所述殼體內(nèi)且與所述稀土鋰復(fù)合正極板和碳質(zhì)負(fù)極板接觸。
[0013]優(yōu)選的，所述碳質(zhì)負(fù)極板為海綿狀碳塊電極。
[0014]優(yōu)選的，所有單格的稀土鋰復(fù)合正極板通過匯流導(dǎo)體連接所述正極柱，所有單格的碳質(zhì)負(fù)極板通過匯流導(dǎo)體連接所述負(fù)極柱。[0015]優(yōu)選的，在所述殼體的正極柱和負(fù)極柱所處的一側(cè)設(shè)有安全蓋，所述正極柱和負(fù)極柱從所述安全蓋伸出。
[0016]本實(shí)用新型的有益效果為:本實(shí)用新型碳電極稀土鋰離子蓄電池可反復(fù)充電、充電速度快、比能量高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖中:殼體一I單格一2碳質(zhì)負(fù)極板一21稀土鋰復(fù)合正極板一22間隔板一23正極柱一 3負(fù)極柱一 4電解液一 5匯流導(dǎo)體一 6安全蓋一 7溢氣閥一 8
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本實(shí)用新型方案，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0020]參照圖1，一種碳電極稀土鋰離子蓄電池，包括殼體1，所述殼體I內(nèi)具有:
[0021]至少兩個(gè)單格2，所述單格2由碳質(zhì)負(fù)極板21、稀土鋰復(fù)合正極板22和插放在它們之間、可使電解液5滲透的間隔板23形成；
[0022]正極柱3，與每個(gè)所述單格2的稀土鋰復(fù)合正極板22連接，且其一端伸出所述殼體I外；
[0023]負(fù)極柱4，與每個(gè)所述單格2的碳質(zhì)負(fù)極板21連接，且其一端伸出所述殼體I外；和
[0024]電解液5，填充在所述殼體I內(nèi)且與所述稀土鋰復(fù)合正極板22和碳質(zhì)負(fù)極板21接觸。
[0025]優(yōu)選的，所述碳質(zhì)負(fù)極板21為海綿狀碳塊電極，其外型為具有一定厚度的板狀，其結(jié)構(gòu)質(zhì)地象綿花樣具有多孔的結(jié)構(gòu)。
[0026]所有單格2的稀土鋰復(fù)合正極板22通過匯流導(dǎo)體6連接所述正極柱3，所有單格2的碳質(zhì)負(fù)極板21通過匯流導(dǎo)體6連接所述負(fù)極柱4。
[0027]為了保護(hù)碳電極稀土鋰離子蓄電池的安全，防止泄露，優(yōu)選在所述殼體I的正極柱3和負(fù)極柱4所處的一側(cè)設(shè)有安全蓋7，所述正極柱3和負(fù)極柱4從所述安全蓋7伸出。
[0028]在殼體I上還裝有溢氣閥8。
[0029]在電池應(yīng)用過程中，根據(jù)被驅(qū)動(dòng)設(shè)備的電壓、電流、功率要求，將多個(gè)單格2以串聯(lián)或串聯(lián)、并聯(lián)相結(jié)合的方式制作成電池組使用。
[0030]本實(shí)用新型的碳電極稀土鋰離子蓄電池，其稀土鋰復(fù)合正極板22為稀土材料(釹、銪、釔)與鋰金屬的化合物合成的尖晶石結(jié)構(gòu)材料，這可使動(dòng)力電池的綜合性能進(jìn)一步有效提聞。
[0031]其碳質(zhì)負(fù)極板21采用海綿狀多孔碳質(zhì)負(fù)極材料，形成海綿狀碳塊電極，提高離子容納效果和容納量，直接增加了電池單體的比能量，同時(shí)限制了晶須生長長度，提高了電池應(yīng)用安全性。以海綿狀碳塊電極為負(fù)極，在對電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液5運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，負(fù)極的碳電極呈海綿狀微孔結(jié)構(gòu)，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳負(fù)極的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳微孔中的鋰離子脫出，又返回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。所以可以提高碳電極稀土鋰離子蓄電池比能量。
[0032]另外，將鑭系元素中的金屬釹元素作為碳電極稀土鋰離子蓄電池的循環(huán)性能促進(jìn)劑，使稀土鋰離子蓄電池的循環(huán)性能大幅度提高。
[0033]采用溶膠-凝膠法通過加入稀土元素Nd (釹)，制備尖晶石型LiMxMn2_x04鋰離子電池正極材料，研究了加入量與Mn4+含量及首次充放電容量的關(guān)系。結(jié)果表明，添加量的增加，使Mn4+增加，John-Teller效應(yīng)降低，金屬釹以促進(jìn)劑的形式加入可以有效擴(kuò)展鋰離子脫嵌通道和穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)，更有效提高了 Li Mn204材料的電化學(xué)循環(huán)可逆性及循環(huán)穩(wěn)定性，只是首次充放電容量有所減少。
[0034]另外，將鑭系元素中的金屬元素銪作為本實(shí)用新型碳電極稀土鋰離子蓄電池的循環(huán)性能催化劑，使鋰離子電池的高溫性能和充放電性能大幅度提高。
[0035]采用機(jī)械液相活化法合成了加入Eu (銪)的Li Mn204化合物。結(jié)果表明，摻入銪元素所合成的材料具有標(biāo)準(zhǔn)尖晶石結(jié)構(gòu)，較好的電化學(xué)可逆性能，較優(yōu)良的高溫性能、充放電性能，其首次放電比容量達(dá)130mA ?h/g。室溫下經(jīng)300次循環(huán)后，容量持有率大于85%,在55°C下，經(jīng)200次循環(huán)后容量持有率大于80%。采用固相反應(yīng)法合成Ce，Pr，Sm，Sc等多種稀土元素的改性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入Sm，Pr, Eu等元素的材料充電電壓在4.08V和4.20V,放電4.0OV和3.88V,具有較高的可逆容量與良好的循環(huán)性能。
[0036]將鑭系元素中的金屬元素釔作為本實(shí)用新型碳電極稀土鋰離子蓄電池的循環(huán)性能穩(wěn)定劑，使鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性能大幅度提高。
[0037]采用流變相反應(yīng)法，軟化學(xué)合成方法，加入稀土釔離子合成鋰錳尖晶石型LiMxMn2-x04,并對其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。得出Y3+的摻入使材料的循環(huán)穩(wěn)定性能大幅度提高，而這種提高是源Y3+對尖晶石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用。電極材料LiY0.02Mnl.9804顯示了最優(yōu)的電化學(xué)性能。XRD測試表明，不同Y3+加入量的Lil.02YxMn2-x04晶型發(fā)育良好，晶格常數(shù)和晶胞體積變小，少量Y3+的加入沒有改變鋰離子脫嵌過程，但隨著添加量的增加，鋰離子脫嵌過程趨于容易，能有效地避免能級分裂。當(dāng)釔加入量x=0.01時(shí)，材料的比容量達(dá)到最大值，材料相純度較高，此時(shí)加入離子可以完全進(jìn)入尖晶石晶格中取代Mn3+的位置，形成完美尖晶石相。
[0038]結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，在鋰離子電池中引入少量雜原子的目的是為了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而減少因其結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致容量衰減，提高循環(huán)性能。多種稀土元素促進(jìn)成分的加入沒有改變原材料的晶體結(jié)構(gòu)，只改變其晶格常數(shù)C。由于稀土原子半徑較大，會使C增加，即意味著離子間距變大，那么也就具有更快的Li+嵌入和遷出能力，更優(yōu)異的充放電穩(wěn)定性。另外，稀土促進(jìn)成分的加入，會使結(jié)晶更完整，顆粒更均勻。改性是優(yōu)化材料性能的有效方法之一，改性的結(jié)果表明，大部分陽離子改善了材料的循環(huán)性能，卻使得初始容量有所降低。稀土離子改性的機(jī)理是加入的稀土離子部分取代Mn3+進(jìn)入到晶格中，減少M(fèi)n3+歧化溶解，并控制陽離子混排和抑制Jahn-Telle效應(yīng)，強(qiáng)固結(jié)構(gòu)。由于稀土離子的半徑在0.08~0.1lnm,大于錳離子，其摻入擴(kuò)大了 Li+在材料中的遷移隧道直徑，起到支撐三維孔道的作用，從而提高了材料的循環(huán)性能及其電化學(xué)性能。
[0039]總體來說，鑭等多種稀土元素單元合適量的加入鋰離子電池中進(jìn)行綜合性能提升的技術(shù)開發(fā)結(jié)果表明，不同的單一元素的改性可以從不同的方向保持材料的充放電容量和改善穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，兩種或兩種以上的改性元素會協(xié)同作用，得到優(yōu)良電化學(xué)性能的正極材料。結(jié)果分析表明:多元改性的尖晶石型錳酸鋰作為鋰離子電池的正極材料具有優(yōu)良的充放電循環(huán)性能，能夠較好抑制材料的可逆容量在充放電過程中的衰減。多元改性較二元改性電化學(xué)性能好，陰、陽離子復(fù)合改性較僅陽離子改性電化學(xué)性能更優(yōu)異。經(jīng)過改性優(yōu)化后的正極材料充電電壓在4.08和4.20V,放電電壓4.0OV和3.88V,有更高的可逆容量與更好的循環(huán)性能。
[0040]本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0041]1、比能量更高。具有高儲存能量密度，目前已達(dá)到2200——2500Wh/kg，是如今市面上最優(yōu)秀的鋰硫電池儲能量的2.2一一2.5倍；
[0042]2、使用壽命長，使用壽命可達(dá)到30年以上，循環(huán)充電過程中的化學(xué)損耗幾乎可以忽略不計(jì)；
[0043]3、額定電壓高(單體工作電壓為9V或12V，約等于如今汽油車用電池輸出電壓；
[0044]4、具備高功率承受力，其中電動(dòng)汽車用的鋰(釹、銪、釔)鋰離子電池雙極充電，高速充電，高速、高壓放電，應(yīng)用于汽車急加速非常理想。
[0045]5、該電池具有充電電壓范圍大、充電速度快、而且正常運(yùn)行溫度在80° C ?-25° C 之間。
[0046]6、自放電率很低，這是該電池最突出的優(yōu)越性之一，不到鎳氫電池的1/1000 ；
[0047]7、重量輕,相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/8 ；
[0048]8、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)，可以在_20°C -60°C的環(huán)境下使用，經(jīng)過工藝上的處理，可以在-45 °C環(huán)境下長期使用；
[0049]9、綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報(bào)廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)；
[0050]IO、生產(chǎn)基本不消耗水，對缺水的我國來說，十分有利。
[0051]比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時(shí)；kg是千克(重量單位)，L是升。
[0052]本實(shí)用新型碳電極稀土鋰離子蓄電池可以替代現(xiàn)有的鋰電池廣泛應(yīng)用于水力、力、風(fēng)力和太陽能電站等儲能電源系統(tǒng)，郵電通訊的不間斷電源，以及電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車、軍事裝備、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。
[0053]碳電極稀土鋰離子蓄電池以其特有的性能優(yōu)勢已在便攜式電器如手提電腦、攝像機(jī)、移動(dòng)通訊中得到普遍應(yīng)用。目前各界開發(fā)的大容量鋰離子電池已在電動(dòng)汽車中開始試用，預(yù)計(jì)將成為21世紀(jì)電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿﹄娫粗?，并將在人造衛(wèi)星、航空航天和儲能方面得到應(yīng)用。
[0054]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種碳電極稀土鋰離子蓄電池，其特征在于，包括殼體，所述殼體內(nèi)具有: 至少兩個(gè)單格，所述單格由碳質(zhì)負(fù)極板、稀土鋰復(fù)合正極板和插放在它們之間、可使電解液滲透的間隔板形成，所述單格之間電連接； 正極柱，與每個(gè)所述單格的稀土鋰復(fù)合正極板連接，且其一端伸出所述殼體外； 負(fù)極柱，與每個(gè)所述單格的碳質(zhì)負(fù)極板連接，且其一端伸出所述殼體外；和 電解液，填充在所述殼體內(nèi)且與所述稀土鋰復(fù)合正極板和碳質(zhì)負(fù)極板接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳電極稀土鋰離子蓄電池，其特征在于，所述碳質(zhì)負(fù)極板為海綿狀碳塊電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳電極稀土鋰離子蓄電池，其特征在于，所有單格的稀土鋰復(fù)合正極板通過匯流導(dǎo)體連接所述正極柱，所有單格的碳質(zhì)負(fù)極板通過匯流導(dǎo)體連接所述負(fù)極柱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的碳電極稀土鋰離子蓄電池，其特征在于，在所述殼體的正極柱和負(fù)極柱所處的一側(cè)設(shè)有安全蓋，所述正極柱和負(fù)極柱從所述安全蓋伸出。
【文檔編號】H01M10/0525GK203386848SQ201320411876
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】李增民, 李寶成 申請人:佳昊新能源投資有限公司