一种3V可充式锂离子电池及其制作工艺 技术领域：
本发明涉及一种电池，特别是一种3V可充式锂离子电池及其制作工艺。
背景技术：
随着各类精密仪器仪表、电动工具、电动玩具及家用电子电器等高科技产品的大量推广应用，人们迫切需求高能、廉价、环保、安全、耐用的化学电源(电池)产品满足不断需求。
目前，在这些应用领域中仍普遍使用传统的一次性化学电源(电池)(如干电池、碱锰电池)，该类电池工作电压为1.5V/只，在实际使用时普遍被组合为3V、6V、9V等不同方式。但一次性电池存在无法充电进行二次使用的缺陷，造成资源极大浪费、实际使用成本较高，并且环保问题(尤其是汞污染)十分突出。一次性锂电池工作电压为3.0V，但成本高、安全性差，限制了其推广使用。二次电池有铅酸、镉镍、氢镍及锂离子电池等。由于铅酸电池工作电压为2V，镍镉、镍氢电池为1.2V，传统的锂离子电池电压为3.6V，均无法在n×3V的工作条件下使用，并且铅酸、镉镍电池对环境污染问题较为突出，氢镍及锂离子电池工作电压限制，不能完全替代n×1.5V系列产品，强行使用会损害用电器具和造成环境污染。
发明内容：
本发明需要解决的技术问题是设计一种具有3V电压和可充式锂离子电池。本发明需要解决的另一个技术问题是提供一种适合工业化生产的3V可充式锂离子电池的生产工艺。本发明的技术方案是，一种3V可充式锂离子电池，它包括正极，其特征在于：正极材料选用磷酸亚铁锂(LiFePO4)。正极材料也可选用改性磷酸亚铁锂LiFe1-xMxPO4(M＝La、Co、Ni、Mn、Cr、Cu、Nd、Pr、Gd、C、Ce、Mo)。3V可充式锂离子电池的制作工艺，它包括正极极片的制作工序，其特征在于：用溶剂和粘接剂与磷酸亚铁锂正极活性材料混合的和浆工序(1)，将上述浆料涂覆在金属箔表面上的拉浆工序(2)，加温烘干即制成电池正极极片。和浆工序中可选用改性磷酸亚铁锂LiFe1-xMxPO4(M＝La、Co、Ni、Mn、Cr、Cu、Nd、Pr、Gd、C、Ce、Mo)。本发明采用成本低且适合工业化生产的磷酸亚铁锂(LiFePO4)或改性磷酸亚铁锂LiFe1-xMxPO4作为该电池的正极物质(LiFe1-xMxPO4指：使用元素M部分取代LiFePO4中地铁元素，M为下列元素中的任意一种或几种：La、Co、Ni、Mn、Cr、Cu、Nd、Pr、Gd、C、Mo、Ce；0≤X≤1)。电池放电平台3.1-3.3V/只，恰恰能满足3V系列用电体系。具有高能量密度、价格低、安全性能好、无污染、性能优良等优点。其循环寿命超过500次以上，电压兼容性好，且能完全满足n×3V工作条件下的使用要求，可完全替代一次性电池在上述应用领域，填补了3V锂离子二次电池的空白，扩大了锂离子电池的应用领域。
附图说明：
图1为电池充电曲线，图2为电池放电曲线，图3为电池循环寿命曲线。
制作步骤如下：
一、电池的主要组成部分为：正极片、负极片、隔板、电解液、外壳等。
二、制造工艺为：
1、选用磷酸亚铁锂(LiFePO4)或LiFe1-xMxPO4(M＝La、Co、Ni、Mn、Cr、Cu、Nd、Pr、Gd、C、Mo、Ce)作为该电池正极材料。
2、选用碳(C)作为该电池负极材料。
3、选用高分子聚丙烯或聚丙烯聚乙烯复合微孔膜作为该电池正负极片的隔板。
4、选用碳酸酯溶剂+锂盐(EC+DEC+DMC+LiPF6、EC+EMC+DMC+LiPF6、EC+EMC+DEC+LiPF6)的液态和或凝胶型电解质两种形式作为该电池电解液。
(1)池具有两种极组结构(1)卷绕式(2)叠片式。
(2)电池外观结构具有方形、圆柱形以及铝塑复合膜软包装等。
(3)由电池组合而成的具有n×3V工作电压的电池组。
三、制作工艺概述：
1、和浆
用溶剂和粘接剂分别与正、负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极浆料。
2、拉浆
将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，加温烘干，分别制成正、负极极片。
3、装配与激活
按正极片、隔膜、负极片的顺序叠放，经卷绕或叠片的工艺制成电池极芯，装入壳体内再经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电活化、测试。
4、组合
根据不同使用要求，可将其组合为不同的电压系列-n×3V。
四、其工作原理为：3V可充式锂离子电池充电时，
正极反应：
负极反应：
电池总反应：
放电时发生上述反应的逆反应。
五、电池性能：
见电池充电特性曲线、电池放电特性曲线和电池循环寿命特性曲线。
六、该电池优点：
该锂离子电池是传统二次锂离子电池进一步发展的体系，具有传统二次锂离子电池各种性能优点：如：能量密度高、充放电循环特性优秀、自放电率小、没有记忆效应等。与传统锂离子电池相比，3V可充式锂离子电池用磷酸亚铁锂(LiFePO4)取代钴酸锂(LiCoO2)，克服了钴酸锂安全性差、价格昂贵、及钴(Co)对环境的污染问题，该电池绿色环保、价格低、安全性好、不需要复杂的充放电保护线路保护、原料资源丰富、制作成本低；并且其工作电压为3.0V，放电平台平稳，可组合成3V、6V、9V等n×3V体系，电压兼容性好，适用领域广泛。
七、各类电池性能参数对比：见电池性能参数对比表。
为了更清楚的说明本发明，列举以下实例，但其对本发明无任何限制。
实施例1：
取磷酸亚铁锂((LiFePO4)+石墨粉(C)+聚偏氟乙烯(PVDF))＝((70-98％)∶(0.1-16％)∶(1.8-15％))g与适量的咯钾基吡咯烷铜(NMP)混合4h，涂覆在铝箔上，经120℃烘干形成正极极片。
负极选用石墨(C)+导电剂+SBR+CMC＝(85-97.5％)∶(0.2-2％)∶(1-10％)∶(1-10％)g与适量的水混合4h，涂布在基体(铜箔)上，经110℃烘干形成负极极片。
正极片裁切尺寸(mm)：355×41×0.125
负极片裁切尺寸(mm)：375×42×0.110
隔膜裁切尺寸(mm)：800×44×0.025
正负极极片与隔膜卷绕形成极组后装入14500(AA)型电池壳体内，加入电解液2.6-3.5(g)/只。
经过充放电活化后，封口形成14500(AA)电池。
经检测，以1C放电时，电池可逆容量570-620mAh，充电电压3.75-4.2V，放电平台3.1-3.3V/只，放电终止电压2.5-2.75V/只，循环寿命达到600-700次。
实施例2：
取磷酸亚铁锂((LiFe0.9La0.07Mn0.3PO4)+石墨粉(C)+聚偏氟乙烯(PVDF))＝((70-98％)∶(0.1-16％)∶(1.8-15％))g与适量的咯钾基吡咯烷铜(NMP)混合4h，涂覆在铝箔上，经120℃烘干形成正极极片。
负极选用石墨(C)+导电剂+SBR+CMC＝(85-97.5％)∶(0.2-2％)∶(1-10％)∶(1-10％)g与适量的水混合4h，涂布在基体(铜箔)上，经110℃烘干形成负极极片。
正极片裁切尺寸(mm)：355×41×0.120
负极片裁切尺寸(mm)：375×42×0.115
隔膜裁切尺寸(mm)：800×44×0.025
正负极极片与隔膜卷绕形成极组后装入14500(AA)型电池壳体内，加入电解液2.6-3.5(g)/只。
经过充放电活化后，封口形成14500(AA)电池。
经检测，以1C放电时，电池可逆容量620-670mAh，充电电压3.75-4.2V，放电平台3.1-3.3V/只，放电终止电压2.5-2.75V/只，循环寿命达到700-900次。
实施例3：
取磷酸亚铁锂((LiFe0.85Ce0.15PO4)+石墨粉(C)+聚偏氟乙烯(PVDF))＝((70-98％)∶(0.1-16％)∶(1.8-15％))g与适量的咯钾基吡咯烷铜(NMP)混合4h，涂覆在铝箔上，经120℃烘干形成正极极片。
负极选用石墨(C)+导电剂+SBR+CMC＝(85-97.5％)∶(0.2-2％)∶(1-10％)∶(1-10％)g与适量的水混合4h，涂布在基体(铜箔)上，经110℃烘干形成负极极片。
正极片裁切尺寸(mm)：290×41×0.125
负极片裁切尺寸(mm)：330×42×0.11
隔膜裁切尺寸(mm)：610×44×0.025
正负极极片与隔膜卷绕形成极组后装入572247方型电池壳体内，加入电解液1.8-2.4(g)/只。
经过充放电活化后，封口形成572247方型电池。
经检测，以1C放电时，电池可逆容量320-350mAh，充电电压3.75-4.2V，放电平台3.1-3.3V/只，放电终止电压2.5-2.75V/只，循环寿命达到700～900次。
实施例4：
取磷酸亚铁锂((LiFe0.95Pr0.05PO4)+石墨粉(C)+聚偏氟乙烯(PVDF))＝((70-98％)∶(0.1-16％)∶(1.8-1 5％))g与适量的咯钾基吡咯烷铜(NMP)混合4h，涂覆在铝箔上，经120℃烘干形成正极极片。
负极选用石墨(C)+导电剂+SBR+CMC＝(85-97.5％)∶(0.2-2％)∶(1-10％)∶(1-10％)g与适量的水混合4h，涂布在基体(铜箔)上，经110℃烘干形成负极极片。
正极片裁切尺寸(mm)：395×42×0.130
负极片裁切尺寸(mm)：445×43×0.125
隔膜裁切尺寸(mm)：850×44×0.015～0.020
正负极极片与隔膜卷绕形成极组后装入063048型电池壳体内，加入电解液2.6-3.5(g)/只。
经过充放电活化后，封口形成063048型电池。
经检测，以1C放电时，电池可逆容量760～790mAh，充电电压3.75-4.2V，放电平台3.2V/只，放电终止电压2.5-2.75V/只，循环寿命达到550-750次。
实施例5：
取实施例3所制成的572247型电池3只进行串联组合成为9V电池，电池组尺寸为20×23×50mm。经检测，以1C放电时，电池可逆容量280-330mAh，充电电压11.0-12.0V/组，放电平台9.3-9.9V/只，放电终止电压7.5V/只，循环寿命达到700-800次。该电池充电后装入数显万用表内实测使用情况，可连续放电15-30天。
七、各类电池性能参数对比：
电池性能参数对比表 技术参 数 一次性电池 二次性电池 碱锰 一次性 锂电 铅酸电 池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电 池 3V二次锂离 子电池 工作电 压(V) 1.5 3.0 2.0 1.2 1.2 3.6 3.0 对环境 污染程 度 有 无 有 有 无 无 无 重量比 能量 (wh/k g) --- --- 50 65 105-140 90-120 体积比 能量 (wh/l) ---- ---- 150 200 280 200 使用寿 命(次) 1 1 300 500 500 500～800 ≥500 有无记 忆效应 -- -- 无 有 微 无 无 自放电 率(％/ 月) 4～5 1 6～20 25～30 30～35 6～9 6～9 使用成 本(元 /wh) 1.0 10 0.003 0.013 0.012 0.015 0.013 优点 自放电 小、使 用放 便、单 只电池 价格低 自放电 小、使 用放 便、工 作电压 高 价格低 价格低、 高低温性 能好 容量高体 积小、无 污染、无 记忆效应 体积小、 无污染、 无记忆效 应 体积小、比能 量高，无污 染、无记忆效 应、安全性 好，综合成本 低 缺点 对环境 有污 染，无 法重复 使用， 整体价 格较高 价格 高，无 法重复 使用。 对环境 有严重 污染，需 要维护、 比能量 低 有记忆效 应、对环 境严重污 染 价格高、 安全性差 价格高、 安全性差 无 应用领 域 各种民 用电器 照相 机、仪 器、仪 表 启动电 源、民用 电动工 具、仪器 仪表 电动工 具、仪器 仪表 通讯领域 各种家用电 子电器、照相 机、数码相 机、随身听、 仪器仪表、电 动玩具等