本發(fā)明涉及新能源，涉及一種磷酸鐵鋰電池。

背景技術(shù)：

1、鋰離子電池目前已成為動力電池的主要電源形式。根據(jù)使用的正極材料的不同，鋰離子電池主要分為磷酸鐵鋰電池和三元電池兩類。其中，磷酸鐵鋰電池以其具有長壽命、高安全、對環(huán)境友好、無稀有元素和低廉的成本的特點(diǎn)，已經(jīng)成為市場的主流產(chǎn)品。

2、但是，相比于三元電池，磷酸鐵鋰電池的能量密度仍相對較低(180wh/kg?vs250wh/kg)，因此，限制了電動汽車的續(xù)航里程。此外，磷酸鐵鋰正極的動力學(xué)性能較差，加上電解液的黏度較高，電導(dǎo)率低，導(dǎo)致其快充性能相對較差。

3、在當(dāng)前商業(yè)化的磷酸鐵鋰電池中，負(fù)極主要使用石墨，其理論容量為372mah/g，相對合金負(fù)極而言較低，僅為sio、sic等材料的20％-30％，限制了目前磷酸鐵鋰單體電芯能量密度。同時，當(dāng)前電解液體系的浸潤性和電導(dǎo)率均較差，不利于支持厚電極、高壓實(shí)的電芯設(shè)計(jì)，也限制了電芯能量密度的提升。

4、cn117007337a公開了一種高能量密度快充磷酸鐵鋰電池及其制備方法，包括正極片、負(fù)極片、隔膜、電解液；所述正極片包括正極集流體以及涂敷在正極集流體表面的正極涂層；所述負(fù)極片包括負(fù)極集流體以及涂敷在負(fù)極集流體表面的負(fù)極涂層；所述正極涂層的材料包括正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、正極溶劑；所述負(fù)極涂層的材料包括負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、分散劑、粘結(jié)劑、去離子水；所述正極活性物質(zhì)包括復(fù)合磷酸鐵鋰材料、補(bǔ)鋰材料；所述負(fù)極活性物質(zhì)包括快充石墨和硅基材料。該專利利用磷酸鐵鋰與補(bǔ)鋰材料復(fù)配，可以提供較高的克容量，補(bǔ)鋰材料提供額外的活性鋰，隨著硅負(fù)極添加量的增加，電芯能量密度可以進(jìn)一步提升?？斐涫凸杌牧蠌?fù)配進(jìn)一步提高了材料的電化學(xué)性能。但是，該專利同時通過正極補(bǔ)鋰和負(fù)極加硅提高電芯的能量密度，電芯成本增加較多；尤其是正極補(bǔ)鋰會在電芯預(yù)充化成過程中產(chǎn)生大量的氧氣，需要對電池生產(chǎn)線進(jìn)行改造才可以實(shí)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用可行性較低。。

5、cn109687014a公開了一種高能量密度快充型鋰離子動力電池，將正負(fù)極材料進(jìn)行改性；將正負(fù)極極片設(shè)計(jì)為具有空隙結(jié)構(gòu)的多極耳或全極耳；將導(dǎo)電劑設(shè)計(jì)為“點(diǎn)-線-面”導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；對隔膜和電解液配方進(jìn)行改進(jìn)。由此設(shè)計(jì)出的鋰離子動力電池具有較高的能量密度和良好的快充性能。但是，該專利僅針對能量密度本身就較高的鎳鈷錳三元材料或鎳鈷鋁三元材料體系，未針對當(dāng)前更加主流的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行提高能量密度的方案設(shè)計(jì)。

6、cn107959050a通過優(yōu)化電解液的組成，可以提高電池的循環(huán)性能、安全性能、使用壽命、能量密度和放電比容量。所述電解液室在普通電解液中增大相當(dāng)于普通電解液鋰鹽濃度的1.5～2.5倍得到的；所述的普通電解液由砜類溶劑、線型碳酸只溶劑和導(dǎo)電鋰鹽構(gòu)成；所述導(dǎo)電鋰鹽為含氟系列鋰鹽。但是，通過提高鋰鹽的濃度和使用高粘度的砜類溶劑來提高電池的循環(huán)性能，大幅度提高了電解液的成本，并降低了電解液的電導(dǎo)率，無法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快充型電池。

7、然而，僅僅通過優(yōu)化電解液組成，磷酸鐵鋰電池的能量密度仍難以超過200wh/kg，與三元電芯的能量密度(>240wh/kg)仍有較大的差距。

8、因此，從電極和電解液的設(shè)計(jì)優(yōu)化方向提升電池的能量密度和快充性能，是目前亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提出一種磷酸鐵鋰電池。

2、本發(fā)明的磷酸鐵鋰電池在0.33c充放電倍率下，電芯的質(zhì)量能量密度>200wh/kg且在2.2c快充制度下(10-80％soc)具有常溫下2000周循環(huán)能力的磷酸鐵鋰電池。其中，2000周循環(huán)能力指的是循環(huán)2000周后容量保持率大于等于80％。

3、在一個實(shí)施方式中，磷酸鐵鋰電池0.33c充放電電芯容量>100ah。

4、為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

5、第一方面，本發(fā)明提供一種磷酸鐵鋰電池，包括正極、負(fù)極、隔離膜和電解液，所述正極中的正極主材包括磷酸鐵鋰，所述負(fù)極中的負(fù)極主材包括石墨和硅基材料；

6、所述正極的面密度ρ1≥23mg/cm2、所述負(fù)極的面密度ρ2>7.8mg/cm2；

7、所述電解液包括鋰鹽、溶劑和添加劑，所述溶劑主要包括碳酸乙烯酯(ec)和小分子線性溶劑，所述添加劑包括氟代碳酸乙烯酯(fec)和負(fù)極成膜添加劑，所述負(fù)極成膜劑包括碳酸亞乙烯酯和鋰鹽類添加劑；

8、所述小分子線性溶劑為：相對分子質(zhì)量≤90的羧酸酯類溶劑、醚類溶劑或腈類溶劑，以所述電解液的總質(zhì)量為100％計(jì)，所述小分子線性溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35％-60％，所述氟代碳酸乙烯酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為m，所述負(fù)極層中的硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為w1，2％≤m≤2×w1，所述負(fù)極成膜劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％-6％。

9、本發(fā)明中，正極的面密度ρ1≥23mg/cm2，例如可以是23mg/cm2、24mg/cm2、25mg/cm2、26mg/cm2、27mg/cm2、28mg/cm2、29mg/cm2、30mg/cm2等。

10、本發(fā)明中，負(fù)極的面密度ρ2≥7.8mg/cm2，例如可以是7.8/cm2、8.0mg/cm2、8.5mg/cm2、9mg/cm2、9.5mg/cm2、10mg/cm2等。

11、本發(fā)明中，小分子線性溶劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35％-60％，例如可以是35％、37.5％、40％、42.5％、45％、47.5％、50％、52.5％、55％、57.5％或60％等。

12、本發(fā)明中，負(fù)極層中的硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w1滿足2％≤m≤10％，作為列舉，w1例如可以是2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％等。

13、本發(fā)明中，負(fù)極成膜劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0％-6.0％，例如可以是4.0％、4.2％、4.5％、4.8％、5.0％、5.2％、5.5％、5.8％或6.0％等。若負(fù)極成膜劑的含量過高，會導(dǎo)致常溫循環(huán)性能下降。

14、本發(fā)明通過電極和電解液的設(shè)計(jì)優(yōu)化方向提升電池的能量密度和快充性能，主要原理為：

15、①在負(fù)極主材中摻混一定量的高容量的硅基材料(例如硅碳材料)，提高了負(fù)極的平均克容量，降低負(fù)極材料的質(zhì)量，從而提升電池的能量密度。

16、②在電解液的溶劑中引入大量的小分子線性溶劑，能夠降低電解液的密度和注液量，為電芯進(jìn)一步減重，提升能量密度。同時，小分子線性溶劑的黏度較低、表面張力小，可提升電解液對極片的浸潤性，由于浸潤性得到提升，從而能夠通過提升面密度(例如，相比于現(xiàn)有技術(shù)提高2mg/cm2-5mg/cm2)獲得具有厚電極的電芯設(shè)計(jì)，可提高電芯當(dāng)中的活性物質(zhì)占比，進(jìn)一步提升電池的能量密度。

17、③通過合理設(shè)計(jì)電解液的配方，使得電解液具有高的電導(dǎo)率、低的粘度和良好的浸潤性，其能夠確保含硅負(fù)極的穩(wěn)定循環(huán)，使得電池能夠與厚電極的電芯設(shè)計(jì)以及良好的快充能力、長循環(huán)壽命相適應(yīng)。具體的：

18、第一、由于硅基負(fù)極的膨脹比石墨負(fù)極大10倍以上，硅基負(fù)極表面形成的sei易破裂，大幅劣化循環(huán)性能，fec添加劑具有形成無機(jī)lif和聚合物成分的雙重優(yōu)勢，為確保本發(fā)明中的摻硅負(fù)極具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，fec的含量應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)，以持續(xù)修復(fù)摻硅負(fù)極表面的sei。

19、第二、本發(fā)明的電解液中，小分子線性溶劑的含量較大，且其在負(fù)極表面易分解產(chǎn)氣，因此，通過使用碳酸亞乙烯酯和鋰鹽類添加劑這兩種功能性的負(fù)極成膜劑協(xié)同配合并控制其總含量，以保證成膜具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，從而有效解決上述產(chǎn)氣的問題并使得摻硅負(fù)極穩(wěn)定循環(huán)，保證電池具有優(yōu)異的常溫循環(huán)壽命。

20、本發(fā)明中，電解液配方設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，如不滿足電解液配方設(shè)計(jì)，則無法滿足高硅負(fù)極穩(wěn)定循環(huán)、厚電極電芯設(shè)計(jì)需要高浸潤、快充循環(huán)需要高離子電導(dǎo)率等技術(shù)指標(biāo)要求，電芯易出現(xiàn)循環(huán)大量產(chǎn)氣和容量跳水等風(fēng)險。

21、本發(fā)明主要通過提高正極的面密度和負(fù)極摻混硅材料并結(jié)合高電導(dǎo)率電解液來實(shí)現(xiàn)電池能量密度和快充性能的提升，成本更低，應(yīng)用可行性更高。

22、以下作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，但不作為對本發(fā)明提供的技術(shù)方案的限制，通過以下優(yōu)選的技術(shù)方案，可以更好的達(dá)到和實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的和有益效果。

23、作為本發(fā)明所述磷酸鐵鋰電池的優(yōu)選技術(shù)方案，所述負(fù)極包括負(fù)極集流體和設(shè)置于所述負(fù)極集流體表面的負(fù)極層，所述正極包括正極集流體和設(shè)置于所述正極集流體表面的正極層，所述正極的面密度ρ1、所述負(fù)極的面密度ρ2、所述正極集流體的面密度ρ3和所述負(fù)極集流體的面密度ρ4滿足關(guān)系式：ρ1/ρ3+ρ2/ρ4>7.5。

24、本發(fā)明中，正極的面密度ρ1指的是單位面積的正極集流體上負(fù)載的正極層的質(zhì)量。其中，正極層包括正極主材(例如，磷酸鐵鋰)，還可以包括導(dǎo)電劑和/或粘結(jié)劑。

25、本發(fā)明中，負(fù)極的面密度ρ2指的是單位面積的負(fù)極集流體上負(fù)載的負(fù)極層的質(zhì)量。其中，負(fù)極層包括負(fù)極主材(例如，石墨和硅基材料)，還可以包括導(dǎo)電劑和/或粘結(jié)劑。

26、本發(fā)明中，正極集流體的面密度ρ3指的是單位面積的正極集流體的質(zhì)量。

27、本發(fā)明中，負(fù)極集流體的面密度ρ4指的是單位面積的負(fù)極集流體的質(zhì)量。

28、本發(fā)明中，基于電解液具有更好的浸潤性，通過提高電極的面密度，在單位面積的集流體上涂覆更多的活性材料，提高單極片上活性物質(zhì)(正負(fù)極材料)與非活性物質(zhì)(正負(fù)極集流體、電池結(jié)構(gòu)件等)的質(zhì)量比，形成厚電極，進(jìn)而減少電芯層數(shù)和銅箔、鋁箔、隔膜等非活性物質(zhì)的用量，進(jìn)而提升電池的能量密度。

29、本發(fā)明對正極集流體和負(fù)極集流體的材質(zhì)不作具體限定，例如，正極集流體可以是鋁箔，負(fù)極集流體可以是銅箔。

30、優(yōu)選地，所述正極的壓實(shí)密度為2.58g/cm3-2.7g/cm3，例如可以是2.58g/cm3、2.59g/cm3、2.60g/cm3、2.61g/cm3、2.62g/cm3、2.63g/cm3、2.64g/cm3、2.65g/cm3、2.66g/cm3、2.67g/cm3、2.68g/cm3、2.69g/cm3或2.70g/cm3等。

31、優(yōu)選地，所述負(fù)極的壓實(shí)密度為1.58g/cm3-1.7g/cm3，例如可以是1.58g/cm3、1.59g/cm3、1.60g/cm3、1.61g/cm3、1.62g/cm3、1.63g/cm3、1.64g/cm3、1.65g/cm3、1.66g/cm3、1.67g/cm3、1.68g/cm3、1.69g/cm3、或1.70g/cm3等。

32、基于本發(fā)明中的電解液具有更好的浸潤能力，提高正極和負(fù)極的壓實(shí)密度(例如，相比于現(xiàn)有技術(shù)提高0.05g/cm3-0.1g/cm3)，可降低電極的孔隙率，進(jìn)一步提升電池的能量密度。

33、作為本發(fā)明所述磷酸鐵鋰電池的優(yōu)選技術(shù)方案，所述小分子線性溶劑為乙酸乙酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、乙二醇二甲醚、乙腈或丙腈中的至少一種。

34、優(yōu)選地，以所述電解液的總質(zhì)量為100％計(jì)，所述碳酸乙烯酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％-30％，例如可以是15％、17％、18％、20％、21％、22％、24％、25％、26％、27％、28％或30％等。

35、優(yōu)選地，所述溶劑中還可以包括碳酸二甲酯和/或碳酸甲乙酯中的至少一種。

36、優(yōu)選地，所述鋰鹽包括六氟磷酸鋰和雙(氟代磺酰)亞胺鋰中的至少一種。

37、優(yōu)選地，以所述電解液的總質(zhì)量為100％計(jì)，所述鋰鹽的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％-18％，例如可以是10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％或18％等。

38、優(yōu)選地，所述鋰鹽類添加劑選自二氟草酸硼酸鋰、二氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰或二氟雙草酸磷酸鋰中的至少一種。

39、優(yōu)選地，以所述電解液的總質(zhì)量為100％計(jì)，所述鋰鹽添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％-1.5％，例如可以是0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％或1.5％等。

40、優(yōu)選地，所述電解液的整體電導(dǎo)率≥14.5ms/cm。

41、優(yōu)選地，負(fù)極層中的硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w1≥2％，優(yōu)選為2％-10％，可以是1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％等。

42、優(yōu)選地，所述硅基材料為硅碳材料。

43、本發(fā)明中，硅碳材料指的是該材料中同時包括含硅組分以及碳材料，其中，含硅組分可以是硅單質(zhì)，也可以是硅的氧化物，還可以是硅單質(zhì)和硅的氧化物同時存在。同時，本發(fā)明對含硅組分與碳材料的存在形式不作具體限定，可以是碳包覆層包覆含硅組分形成復(fù)合物，也可以是二者相互分散構(gòu)成混合物。

44、本發(fā)明所述的數(shù)值范圍不僅包括上述列舉的點(diǎn)值，還包括沒有列舉出的上述數(shù)值范圍之間的任意的點(diǎn)值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點(diǎn)值。

45、與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

46、(1)本發(fā)明通過電極和電解液的設(shè)計(jì)優(yōu)化方向提升電池的能量密度和快充性能，主要原理為：

47、①在負(fù)極主材中摻混一定量的高容量的硅基材料(例如硅碳材料)，提高了負(fù)極的平均克容量，降低負(fù)極材料的質(zhì)量，從而提升電池的能量密度。

48、②在電解液的溶劑中引入大量的小分子線性溶劑，能夠降低電解液的密度和注液量，為電芯進(jìn)一步減重，提升能量密度。同時，由于電解液的浸潤性得到提升，從而能夠通過提升面密度(例如，相比于現(xiàn)有技術(shù)提高2mg/cm2-5mg/cm2)獲得具有厚電極的電芯設(shè)計(jì)，可提高電芯當(dāng)中的活性物質(zhì)占比，進(jìn)一步提升電池的能量密度。

49、③通過合理設(shè)計(jì)電解液的配方，使得電解液具有高的電導(dǎo)率、低的粘度和良好的界面穩(wěn)定性，其能夠確保含硅負(fù)極的穩(wěn)定循環(huán)，使得電池能夠與厚電極的電芯設(shè)計(jì)以及良好的快充能力、長循環(huán)壽命相適應(yīng)。

50、(2)本發(fā)明通過采用對負(fù)極摻硅基材料、厚電極設(shè)計(jì)以及電解液配方調(diào)整，即可把磷酸鐵鋰電芯的質(zhì)量能量密度從180-190wh/kg提升至200wh/kg以上，進(jìn)一步提升電動車的續(xù)航能力，而且快充能力得到提升。