一种光致激发型高倍率三元软包锂离子电池及其制备方法

本发明属于电池材料，涉及一种光致激发型高倍率三元软包锂离子电池及其制备方法。

背景技术：

1、动力电池市场中应用广泛的高镍三元(镍钴锰酸锂)锂离子电池在大电流充放电环境中难以实现长期稳定工作，这导致该电池输出功率有限(无法匹配大型工业机械、航空飞机等高功率用电设备)且充电时间较长(电动交通工具的“里程焦虑”)。

2、为推动高功率充放电锂电池研发，行业及科学界进行了多方面研究，传统方法中利用工程手段添加电极涂层或调整活性材料微观纳米结构的措施虽能改善电池倍率充放电效果，但限制了电池组的系统能量密度，极大提高了电池生产成本。近年兴起的光与储能材料相互作用的研究引起了人们对于开发集成太阳储能系统和光致充电电池的兴趣，andre d.taylor等近期发现(cell rep.phys.sci.3,101051,september 21,2022)光能可加速锂离子电池的氧化还原过程进而增强电池的倍率充放电效果，在紫光和红光(更优)环境中，锰酸锂中mn元素d-d轨道电子受光激发跃迁至外层轨道，增强了固液两相界面的化学反应过程。通过探索光-活性物质相互作用以改变局部的氧化还原过程，进而实现快速的(去)锂化动力学过程是实现光能驱动锂电池高倍率充放电的重要环节，同时也是构建节约型大功率输出锂离子电池的可行途径。现有镍钴锰酸锂电池正极富含过渡族金属元素，具备光致激发条件，但实际环境罕有纯红光或紫光的单色光源，实现可见光全谱激发的光致充电电池更具实用价值。

3、综上所述，亟待开发一种能够兼具高倍率充电与大功率输出的锂离子电池。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种光致激发型高倍率三元软包锂离子电池及其制备方法，以解决现有技术中锂离子电池难以实现高倍率充电与大功率输出的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种光致激发型高倍率三元软包锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：

4、将聚偏氟乙烯添加至n-甲基吡咯烷酮中制得三元电极分散剂；

5、将镍钴锰酸锂粉末、黑磷材料和导电剂混合后添加至三元电极分散剂中，得到三元电极浆料；

6、将三元电极浆料刷涂在mxene薄膜上，并烘干辊压得到含光致生热材料的三元电极；

7、取第一铝塑膜和第二铝塑膜；所述第一铝塑膜具有内嵌槽；所述第二铝塑膜开设有窗口，窗口处使用透明pet膜做密封处理；

8、在第一铝塑膜的内嵌槽内放入含极耳的隔膜包裹的石墨负极片与含光致生热材料的三元电极，热封第一铝塑膜和第二铝塑膜的三个侧边；从未热封的侧边注入电解液后进行热封封口，制得光致激发型高倍率三元软包锂离子电池。

9、进一步地，所述黑磷材料为黑磷晶体粉末、黑磷纳米片、黑磷烯和黑磷量子点中的一种或多种混合物；所述导电剂为导电炭黑、乙炔黑、单壁碳纳米管和短碳纤维中的一种或多种混合物。

10、进一步地，所述三元电极分散剂中聚偏氟乙烯的质量占比为5wt％～8wt％；所述镍钴锰酸锂粉末、黑磷材料和导电剂的质量比为(6～8):(0.5～1):2；所述镍钴锰酸锂粉末、黑磷材料和导电剂的混合物与三元电极分散剂的质量比为1：(12～15)。

11、进一步地，所述三元电极浆料在mxene薄膜上的涂覆厚度为80微米～120微米；三元电极浆料在mxene薄膜上的负载量为8 mg/cm2～12 mg/cm2；所述烘干温度为35℃～50℃，烘干时间为2h～6h；所述辊压的压力为10 mpa～25 mpa。

12、进一步地，所述mxene薄膜的制备方法包括以下步骤：

13、a，添加聚合物基体材料至分散剂中，混匀并脱除气泡制得聚合物基体浆料；

14、b，将mxene粉末添加至分散剂中，混合得到mxene分散液；

15、c，将聚合物基体浆料添加至mxene分散液中，混匀并脱除气泡，制得mxene浆料；

16、d，将mxene浆料转移至沙芯漏斗中的纤维滤膜上进行真空辅助抽滤，室温干燥后揭取制得的mxene薄膜；

17、e，使用低温等离子体处理设备对mxene薄膜进行表面处理。

18、进一步地，所述聚合物基体为聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、水性聚氨酯和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种混合物；所述步骤a中的分散剂为去离子水、乙醇、醋酸乙酯、丙二醇、n-甲基吡咯烷酮和丙酮中的一种或多种混合物；所述聚合物基体在聚合物基体浆料中的质量占比为28wt％～35wt％；所述步骤a中混匀的温度为35℃～60℃。

19、进一步地，所述mxene粉末为ti3c2tx mxene、v2ctx mxene、nbctxmxene、mo2ctxmxene和ta4ctx mxene中的一种或多种混合物；所述步骤b中的分散剂为离子水和乙醇中的一种或两种混合物；mxene粉末与分散剂的质量比为1：(8～10)。

20、进一步地，所述聚合物基体浆料与mxene分散液的体积比为1:1。

21、进一步地，所述低温等离子体处理过程中所用的工作气体为氮气、氩气、氢气和氟气中的一种或多种混合物，等离子体处理设备的放电电压为6 kv～10kv，处理时长为3s～5s。

22、第二方面，本发明提供一种光致激发型高倍率三元软包锂离子电池，通过上述方法制得。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、本发明公开了一种光致激发型高倍率三元软包锂离子电池及其制备方法，本发明制取的半透光镍钴锰酸锂电池中部分过渡态金属元素在光线照射下可自发实现正极氧化还原反应过程中价带电子的加速跃迁，从而降低正极内有益电化学反应过程的能量势垒，有效减少大电流充放电过程中li+脱嵌的电化学极化和浓差极化导致的部分能量损失，实现电池倍率充放电枷锁的突破和电网电力资源的节约。制取的半透光镍钴锰酸锂电池相较于普通镍钴锰酸锂电池而言，在光线充裕的环境及相同的充电功率下，充电时间缩短～10％，且充电能量效率有一定提升，充电倍率上限可由～3c(<20min完全充电)提升至～5c(<12min充电)。并且，由于半透光镍钴锰酸锂电池对部分单色光(紫光/红光)的响应效果较好，而实际环境中白光(复色光)对电池激发效果较弱，通过设计含高灵敏度、宽吸收带的光致生热材料的镍钴锰酸锂正极以实现太阳光线的充分利用。该过程中特征吸收波段光(紫光、红光)正常激发过渡态金属元素，而非特征吸收波段光的能量可被具有宽吸收带的光致生热材料有效吸收并在正极镍钴锰酸锂微粒表层均匀包覆释放热量，根据randles-sevcik动力学方程可知，可接受的较高环境温度能增强粒子热运动，改善锂离子迁移的动力学过程。该光/热协同作用可实现太阳光线的充分利用，在增强电化学反应过程的同时维持电池内部的温度，有利于在低温环境中保证大容量电池的长续航；此外，这种半透光镍钴锰酸锂电池具有柔性特质，可作为柔性可穿戴设备的供电装置，可应用于医疗健康检测、新型智能服饰、可穿戴治疗设备等领域，同时制备工序简单、效果显著，可针对成熟的商业软包电池工艺生产线进行设计改动以实现快速的批量生产。因此，本发明制备的光致激发型高倍率三元软包锂离子电池大大提高了充电效率，减少了快充时长，增强电池保温并充分利用光能，具备突出的商业化潜力。