(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110993934 A(43)申请公布日 2020.04.10
(21)申请号 201911090493.1(22)申请日 2019.11.08
(71)申请人 武汉船用电力推进装置研究所（中
国船舶重工集团公司第七一二研究所）
地址 4300 湖北省武汉市洪山区南湖汽
校大院(72)发明人 代化 吴军 张斌 王磊 (74)专利代理机构 武汉凌达知识产权事务所
(特殊普通合伙) 42221
代理人 刘念涛 宋国荣(51)Int.Cl.
H01M 4/485(2010.01)H01M 4/38(2006.01)H01M 4/40(2006.01)
权利要求书1页 说明书3页 附图5页
H01M 6/16(2006.01)H01M 6/18(2006.01)
(54)发明名称
一种钛酸锂正极金属锂负极锂原电池及其制备方法(57)摘要
本发明公开了一种钛酸锂正极金属锂负极锂原电池及其制备方法，含有钛酸锂的正极，含有至少一种选自锂和锂合金的物质的负极，和锂离子传导非水电解质，所述钛酸锂活性物质占正极总质量的60～96%，锂合金优选含有量0.1～10%的硼，所述非水电解质包括液态电解质和固态电解质。采用上述方案得到的锂原电池，具有良好的倍率性能，能够满足大电流放电特性和脉冲放电特性，连续放电倍率达到3C以上。
CN 110993934 ACN 110993934 A
权 利 要 求 书
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1.一种钛酸锂正极金属锂负极锂原电池，其特征在于：包括包含钛酸锂活性物质的正极；包含锂或/和锂合金物质的负极；
以及锂离子传导非水电解质和作为正极非活性物质的粘结剂和导电剂；所述钛酸锂活性物质占所述正极总质量的60～96%。
2.根据权利要求1所述的一种钛酸锂正极金属锂负极锂原电池，其特征在于，所述的锂合金含有硼。
3.根据权利要求2所述的一种钛酸锂正极金属锂负极锂原电池，其特征在于，所述的硼占所述锂合金总质量的0.1～10%。
4.根据权利要求1所述的一种钛酸锂正极金属锂负极锂原电池，其特征在于，所述的非水电解质包括液态电解质和固态电解质；所述的液态电解质由有机混合溶剂和锂盐构成；固态电解质由无机氧化物、硫化物或高分子材料构成。
5.一种如权利要求1所述钛酸锂正极金属锂负极锂原电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
选取100份纳米钛酸锂中加入5份导电炭黑作为导电剂，混合均匀后，加入到溶有5份聚偏氟乙烯的氮甲基吡咯烷酮溶液中，搅拌均匀后涂布、加热辊压成正极片，在正极片上焊接镍金属片作为极耳；
在锂金属片或锂合金金属片上贴合一层铜箔作为集流体，得到负极片；在正极片上叠放由聚丙烯无纺布制成的隔膜，然后在隔膜上叠放负极片，依次重复5次，得到5层结构；
将正极片、隔膜和负极片通过卷绕机进行卷绕成卷芯；将正负极集流体与极耳进行焊接得到极群，将极群放入铝塑膜外壳，进行侧边铝塑膜热封，注入非水电解质，再将上部铝塑膜进行热封，得到锂原电池。
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说 明 书
一种钛酸锂正极金属锂负极锂原电池及其制备方法
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技术领域
[0001]本发明属于锂电池的技术领域，具体涉及一种使用了包含钛酸锂正极活性材料的锂原电池，以及其制备方法。背景技术
[0002]能源问题正受到越来越多的关注，随着物联网技术的快速发展，锂原电池在智能电表、智能银行卡、电子标签、汽车ETC、共享单车等领域的需求迅速增加。此外，在无人自主航行器、航空声纳、单兵电台、智能穿戴等军用领域也逐渐得到应用。[0003]目前商业化的锂原电池主要包括锂/二氧化锰电池、锂/氟化碳电池、锂亚硫酰氯电池及锂二氧化硫电池。与锂离子电池相比，锂原电池的主要特点包括：
1）高能量密度。锂原电池的比能在200Wh/kg～700Wh/kg，相比锂离子电池具有较为明显的优势。[0004]2）贮存寿命长。锂原电池的年自放电率小于2%，贮存寿命在5年以上。[0005]3）具有较好的安全性及环境适应性。
[0006]锂原电池的主要缺点之一在于倍率性能较差，特别是大电流放电特性和脉冲放电特性，难以满足3C及以上的连续放电，了锂原电池在某些需要以较高倍率连续放电条件的应用。
[0007]目前，在具有长贮存寿命、高倍率性能锂电池方面，以色列Tadira公司开发的“TLM-1520HE、1530HE、1550HE”系列产品，具备高倍率放电（5C以上），贮存寿命10年以上等特点。该系列电池基于锂离子二次电池技术，通过锂离子电池正极材料的脱锂、碳负极嵌锂成膜及稳定性化处理等技术，将锂离子电池电极材料应用于锂原电池。目前国内尚无商业化、具有较好大电流放电特性和脉冲放电特性的锂原电池产品。发明内容
[0008]本发明的目的是针对现有锂原电池倍率性能较差的缺点，提供一种具有较好倍率性能，能够满足大电流放电特性和脉冲放电特性的钛酸锂正极/金属锂负极锂原电池。[0009]为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种钛酸锂正极金属锂负极锂原电池，包括包含钛酸锂活性物质的正极；包含锂或/和锂合金物质的负极；以及锂离子传导非水电解质和作为正极非活性物质的粘结剂和导电剂；所述钛酸锂活性物质占所述正极总质量的60～96%，非活性物质占4～40%。[0010]所述的一种钛酸锂正极金属锂负极锂原电池，其锂合金至少含有硼。[0011]进一步，所述的硼占所述锂合金总质量的0.1～10%。[0012]所述的一种钛酸锂正极金属锂负极锂原电池，其非水电解质包括液态电解质和固态电解质；所述的液态电解质由有机混合溶剂和锂盐构成；固态电解质由无机氧化物、硫化物或高分子材料构成。
[0013]本发明还公开了上述锂原电池的制备方法：按重量选取100份纳米钛酸锂中加入5
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说 明 书
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份导电炭黑作为导电剂，混合均匀后，加入到溶有5份聚偏氟乙烯（PVDF）作为粘结剂的氮甲基吡咯烷酮（NMP）溶液中，搅拌均匀后涂布、加热辊压成正极片，在正极片上焊接镍金属片作为极耳；在锂金属片或锂合金金属片上贴合一层铜箔作为集流体，得到负极片；在正极片上叠放由聚丙烯无纺布制成的隔膜，然后在隔膜上叠放负极片，依次重复5次，叠放完成后正极/隔膜/负极为1层，总共5层；将正极片、隔膜和负极片通过卷绕机进行卷绕成卷芯；将正负极集流体与极耳进行焊接得到极群，将极群放入铝塑膜外壳，进行侧边铝塑膜热封，注入非水电解质，再将上部铝塑膜进行热封，得到锂原电池。[0014]本发明的有益效果是：本发明采用锂离子扩散系数高（2×10-8cm2/s），能够满足高倍率放电的钛酸锂材料为正极，显著改善锂原电池的放电倍率性能；采用锂或者锂合金为负极，合金中加入硼元素，提高锂负极的安全性；采用上述方案得到的钛酸锂正极/金属锂负极锂原电池，具有较好倍率性能，能够满足大电流放电特性和脉冲放电特性，连续放电倍率达到3C以上。
附图说明
[0015]图1为本发明电池的工作原理示意图；
图2为本发明电池实施例1的正极片结构示意图；图3为本发明电池实施例1的负极
图4和图5分别为本发明电池单体的主视图和侧视图；图6为本发明电池单体不同倍率放电性能曲线。
具体实施方式
[0016]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。[0017]实施例1
（1）正极的制造首先，将所得的100重量份的纳米钛酸锂中加入5重量份导电炭黑作为导电剂，混合均匀后，加入溶有5重量份聚偏氟乙烯（PVDF）作为粘结剂的氮甲基吡咯烷酮（NMP）溶液中，搅拌均匀后涂布、加热辊压成厚度180mm，长度110mm、宽度76mm的正极片。正极示意图如图2所示。
[0018]（2）负极的制造
在150μm厚的锂金属片上贴合一层铜箔作为集流体，得到长度112mm、宽度74mm的负极片。负极示意图如图3所示。[0019]（3）电池单体的制备
制备长度128mm、宽度80mm、厚度7.0mm的软包式锂原电池。如图1所示，将其命名为A1。所述电池A1由下述方法制成。[0020]首先，在所述正极片上叠放由聚丙烯无纺布制成的隔膜，在隔膜上叠放负极片，依次重复，叠放完成后正极、负极及隔膜层数为5层。然后将正负极集流体与极耳进行焊接得到极群，将极群放入铝塑膜外壳，进行侧边铝塑膜热封，注入非水电解质，再将上部铝塑膜进行热封，得到锂原电池。
[0021]按照本实施例1所得钛酸锂正极/金属锂负极锂原电池单体设计示意如图4所示，
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电池单体在不同倍率条件下的放电曲线如图5所示。[0022]从图中可以看出，锂原电池在0.5C和3C情况下进行放电的放电容量基本相同，电压平台较为一致，展现了良好的放电倍率性能。[0023]实施例2
除了负极采用厚度为150μm的锂合金片，采用与电池A1相同的制作方法制备电池A2。[0024]实施例3
（1）正极的制造首先，将所得的100重量份的纳米钛酸锂中加入5重量份导电炭黑作为导电剂，混合均匀后，加入溶有5重量份聚偏氟乙烯（PVDF）作为粘结剂的氮甲基吡咯烷酮（NMP）溶液中，搅拌均匀后在厚度为10μm涂布、加热辊压成厚度180mm，长度230mm、宽度23.5mm的正极片，在正极片焊接镍金属片作为极耳。[0025]（2）负极的制造
在150μm厚的锂金属片上贴合一镍金属片作为集流体，得到长度220mm、宽度25.5mm的负极片。[0026]（3）锂原电池的制备
制备高度33mm、直径17.0mm的圆柱式锂原电池。如图3所示，将其命名为B1。所述电池B1由下述方法制成。[0027]首先，将正极片、隔膜和负极片通过卷绕机进行卷绕成卷芯。然后将正负极集流体与极耳进行焊接得到极群，将极群放入铝塑膜外壳，进行侧边铝塑膜热封，注入非水电解质，再将上部铝塑膜进行热封，得到锂原电池。
[0028]上述方法制备得到的钛酸锂正极/金属锂负极锂原电池在在不同倍率条件下具有良好的放电倍率性能。
[0029]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
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图2
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图3
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说 明 书 附 图
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图4
图5
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图6
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