一種快速充電的鋰離子二次電池及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于鋰離子二次電池技術領域，具體涉及一種快速充電鋰離子二次電池及其使用方法。
【背景技術】
[0002]隨著便攜式電子產品的快速發展，可充電電池成為必不可少的儲能設備，其中鋰離子電池在多個領域取得了重要應用。鋰離子電池不僅在手機、照相機等電子產品中得到廣泛的應用，而且在新能源汽車等領域也取得了突破性進展。雖然鋰離子電池技術有了很大的進步，傳統普通充電技術也已經成熟，但傳統的常規充電時間過程較長，快速充電技術至今仍未完全解決。充電時間長是制約電動汽車普及的重要因素之一，尤其是家庭使用的小轎車對充電時間要求更高。因此快速充電技術成為鋰離子二次電池發展的重要內容。
[0003]目前普遍采用的充電方式為恒流再恒壓的方式充電，此法在充電過程中恒壓時間較長，難以達到快充的目的。提高電池恒流充電時的限制電壓可以達到快速充電的目的，但電池限制電壓太高，電池內部會發生副反應;限制電壓太低，電池難以充滿。鋰離子電池主要由正極材料、電解液和負極材料組成。每當充電時，鋰離子從正極材料脫出，經過電解液后嵌入到負極材料中。鋰離子在負極材料中的輸運速度以及鋰離子電池與負極材料的反應熱決定著充電速度的快慢。
[0004]CN105048014A公開了一種帶溫度補償的鋰離子動力電池快速充電方法，通過檢測待充電電池剩余電量與充電電量閾值進行比較來決定采取恒流或者恒壓充電，但是該方法使用繁瑣，不宜于推廣。
【發明內容】
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[0005]針對上述存在問題或不足，為克服傳統充電時間長的缺點，實現鋰離子二次電池快速充電的目的。本發明提供了一種快速充電的鋰離子二次電池，其結構構造簡單，操作方便，安全可靠。
[0006]該快速充電的鋰離子二次電池，包括鋁(Al)電流收集器、正極材料、電解液、隔膜、負極材料和鈦(Ti)電流收集器，其特征在于:還包括一個連接于負極材料上額外電場模塊，該額外電場模塊可產生一個加持于負極材料的附加電場。
[0007 ]所述額外電場模塊，包括一對金屬鈾(Pt)電極、電源和控制開關。所述額外電場模塊通過控制開關實現鋰離子二次電池普通充電與快速充電模式轉換。開關打開時，電池的充電過程和普通電池相同；開關閉合時，額外電場模塊會產生一個加持于負極材料的附加電場，實現快速充電。
[0008]所述Pt電極不超出電池負極材料的范圍，即不能接觸Ti電流收集器6，也不能進入到電解液4中，產生的附加電場僅能施加于負極材料。
[0009 ]所述負極材料為插入式反應機理的材料。
[0010]所述快速充電的鋰離子二次電池使用過程中，其額外電場模塊的控制開關處于打開狀態，即額外電場模塊此時不產生電場。
[0011]本發明是在普通鋰離子二次電池結構基礎上，通過在負極材料部分增加提供額外電場的模塊，該額外電場模塊產生的附加電場可以增強鋰離子與負極材料的反應，同時降低鋰離子的擴散能皇，使得鋰離子快速的嵌入，從而達到快速充電的效果。影響本發明所述鋰離子二次電池充電效率的因素是:額外電場模塊加持于負極材料中的附加電場強度的大小，場強越大，充電效率越高。因此與額外電場模塊的電源電壓與負極材料厚度相關，電壓越高，厚度越小，在負極材料中產生的場強越大，快速充電效果越佳。
[0012]綜上所述，本發明具有如下優點:通過在傳統電池結構上增加一額外電場模塊，大大縮短了充電時間，具有較高的經濟效益。通過控制開關可實現普通充電與快速充電模式的轉換。該鋰離子二次電池設計結構簡單，實現方便。
【附圖說明】
[0013]圖1:本發明所涉及的快速充電電池結構的示意圖。
[0014]圖2:本發明所涉及額外電場模塊開關打開時示意圖。
[0015]圖3:本發明所涉及額外電場模塊開關閉合時附加電場示意圖。
[0016]圖4:鋰離子在碳納米管上的吸附能及擴散能皇隨電場強度的變化。
[0017]【附圖說明】:1.Al電流收集器，2.正極材料，3.隔膜，4.電解液，5.負極材料，6.Ti電流收集器，7.Pt電極，8.電源，9.控制開關，10.Pt電極。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，一種快速充電的鋰離子電池結構示意圖。對于Pt電極要求:Pt電極不能超出電池負極材料5的范圍，即不能接觸Ti電流收集器6，也不能進入到電解液4中。在充電且開關9打開時，在負極材料中沒有附加電場，如圖2所示，為普通充電模式;負極材料選用:石墨，碳納米管或MoS2。
[0019]在充電且開關9閉合時，額外電場模塊在負極材料中產生附加電場，如圖3所不，電場增強了鋰離子與負極材料的反應，同時降低鋰離子擴散能皇，如圖4所示給出了鋰離子在碳納米管負極材料的反應能和擴散能皇隨著電場強度增加而下降，從而實現快速充電。電池使用過程中，開關9打開。
【主權項】
1.一種快速充電的鋰離子二次電池，包括鋁Al電流收集器、正極材料、電解液、隔膜、負極材料和鈦T i電流收集器，其特征在于:還包括一個連接于負極材料上的額外電場模塊;該額外電場模塊可產生一個加持于負極材料的附加電場。2.如權利要求1所述快速充電的鋰離子二次電池，其特征在于:所述額外電場模塊包括一對金屬Pt電極、電源和控制開關，通過控制開關實現鋰離子二次電池普通充電與快速充電模式的轉換;開關打開時，電池的充電過程和普通電池相同；當開關閉合時，額外電場模塊會產生一個加持于負極材料的附加電場，實現快速充電。3.如權利要求2所述快速充電的鋰離子二次電池，其特征在于:所述Pt電極不超出電池負極材料的范圍，即不能接觸Ti電流收集器，也不能進入到電解液中，產生的附加電場僅能施加于負極材料。4.如權利要求2所述快速充電的鋰離子二次電池，其特征在于:所述負極材料為插入式反應機理的材料。5.如權利要求4所述快速充電的鋰離子二次電池，其特征在于:所述插入式反應機理的材料為石墨、碳納米管或MoS2。6.如權利要求1-5任一所述快速充電的鋰離子二次電池，其特征在于:該鋰離子二次電池使用過程中，其額外電場模塊的控制開關處于打開狀態，即額外電場模塊此時不產生電場。
【專利摘要】本發明屬于鋰離子二次電池技術領域，具體涉及一種快速充電鋰離子二次電池及其使用方法。本發明在普通鋰離子二次電池結構基礎上，通過在負極材料部分增加提供額外電場的模塊，該額外電場模塊產生的附加電場可以增強鋰離子與負極材料的反應，同時降低鋰離子的擴散能壘，使得鋰離子快速的嵌入，從而達到快速充電的效果。本發明提供的快速充電鋰離子二次電池大大縮短了充電時間，具有較高的經濟效益。通過控制開關可實現普通充電與快速充電模式的轉換。該鋰離子二次電池設計結構簡單，實現方便。
【IPC分類】H01M10/0525, H01M10/44, H01M10/42
【公開號】CN105576286
【申請號】CN201610119838
【發明人】王治國, 李志杰, 石文武, 殷光強, 張巖
【申請人】電子科技大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年3月3日