负极层及其制备方法、锂电池电芯及锂电池技术

本发明专利技术涉及锂电池领域，特别涉及负极层及其制备方法、锂电池电芯及锂电池。利用高电流密度沉积过程中产生的氢气泡作为模板，形成含有Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属多孔结构，进一步将金属锂与具有金属多孔结构的铜箔或铝箔集流体在真空环境中加热至180‑220℃后，将金属锂涂覆在所述金属多孔结构之上，以使所述锂金属熔融填充所述金属多孔结构后，冷却得到所需含有锂金属的负极层。利用上述方法，可提高锂金属在所述负极层中的均匀性，从而可提高所述负极层的稳定性。具有上述负极层的锂电池电芯和锂电池可在锂离子迁移过程中，避免负极层的结构发生改变或坍塌，从而可延长锂电池电芯和电池的循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
负极层及其制备方法、锂电池电芯及锂电池
本专利技术涉及锂电池领域，特别涉及一种负极层及其制备方法、锂电池电芯及锂电池。
技术介绍
与传统电极相比，锂金属负极具有较高的理论容量(3680mAh/g)和较低的电化学势(－3.04V)。然而现有的金属锂电极易与现有电解液发生反应，在循环过程中容易生长锂枝晶、体积变化较大，安全性与循环性能存在缺陷。一般金属锂负极均采用包覆的方式来保护锂金属负极，但是这种方法无法解决锂金属在使用过程中体积变化较大和产生死锂区的问题。本专利技术提供了一种具有充放电过程中体积变化小、离子电导率与电子电导率较高、稳定性较好、循环寿命长的锂金属负极。
技术实现思路
为克服现有负极层及锂电池性能不佳的问题，本专利技术提供了一种负极层及其制备方法、锂电池电芯及锂电池。本专利技术为解决上述技术问题提供一技术方案如下：一种负极层制备方法，其包括以下步骤:步骤Q11，提供Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属或金属化合物集流体为工作电极基底；步骤Q12，提供包括与基底匹配的Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属或金属化合物作为阳极；步骤Q13，将工作电极基底与阳极置入含有Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的溶液中并通入电流，以电沉积过程产生的氢气泡为模板，在工作电极基底上沉积形成含有Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属多孔结构；及步骤Q14，将锂金属与金属多孔结构置于真空环境中加热至180-220℃，将锂金属涂覆在所述金属多孔结构表面以使所述锂金属熔融填充所述金属多孔结构后，冷却得到所需含有锂金属的负极层。优选地，所述负极层制备方法进一步包括：以Cu箔或Al箔集流体作为工作电极基底，利用紫铜片或铝合金片作为阳极，置入含有CuSO4或Al2(SO4)3溶液中，其中通入的电流为0.6-8A·cm-2，溶液温度为20-70℃，其浓度为0.2-2mol·L-1，以在工作电极基底上沉积形成Cu或Al的金属多孔结构。优选地，所述负极层制备方法进一步包括：提供一Cu箔集流体并在其表面沉积形成Ni金属层，以作为工作电极基底；在步骤Q13进一步包括：以在Cu箔上的Ni金属层为工作电极基底，以AlNi合金为阳极，置入含有Ni金属元素的溶液中，其中通入的电流为0.6-8A·cm-2，溶液温度为20-70℃，其浓度为0.2-2mol·L-1，以在工作电极基底上沉积形成AlNi合金的金属多孔结构。本专利技术为解决上述技术问题提供又一技术方案如下：一种负极层，其包括金属多孔结构及熔融填充于金属多孔结构的孔隙中的锂金属，所述金属多孔结构采用如权利要求1中所述负极层制备方法制备获得。优选地，所述金属多孔结构的孔径大小为10nm-1μm，所述金属多孔结构中孔隙率为10％-90％。优选地，所述负极层的厚度为5-10μm。本专利技术为解决上述技术问题提供又一技术方案如下：一种锂电池电芯，其包括负极结构，所述负极结构包括一集流体及采用如上所述负极层制备方法在集流体表面形成的负极层。优选地，所述锂电池电芯还包括正极结构，及设置在所述正极结构与负极结构之间的固态电解质层；所述锂电池电芯还包括两个集流体，所述集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成所述正极层，以作为所述锂电池电芯的正极结构；另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。本专利技术为解决上述技术问题提供又一技术方案如下：一种锂电池，其包括至少两个连续叠层设置如上所述锂电池电芯，直接叠加设置的至少两个锂电池电芯之间共用一正负共极集流体，该正负共极集流板包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成所述正极层，以作为其中一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。优选地，共用一正负共极集流体的两个锂电池电芯之间为串联连接；所述锂电池还包括封装结构，定义与多个所述锂电池电芯的叠加方向平行的锂电池电芯的表面为侧面，所述封装结构围设在所述锂电池电芯的侧面。与现有技术相比，本专利技术所提供的负极层及其制备方法、锂电池电芯及锂电池，具有如下的有益效果：本专利技术所提供的负极层制备方法中，利用高电流密度沉积过程中产生的氢气泡作为模板，形成金属多孔结构，进一步将金属锂与具有金属多孔结构的铜箔或铝箔集流体在真空环境中加热至180-220℃后，将金属锂涂覆在所述金属多孔结构之上，以使所述锂金属熔融填充所述金属多孔结构后，冷却得到所需含有锂金属的负极层。利用上述方法，可提高锂金属在所述负极层中的均匀性，从而可提高所述负极层的稳定性。进一步地，利用高电流密度电沉积过程中产生的氢气泡为模板，形成的金属多孔结构中孔隙分布更为均匀、分散。因此所述锂金属在填充后所获得的结构更均匀，从而可有效抑制“死锂”的产生，以避免在循环过程中出现容量衰减缓慢的问题。在专利技术所提供的负极层中，其包括集流体基底及形成在其表面的负极层，所述负极层包括金属多孔结构及熔融填充于金属多孔结构的孔隙中的锂金属。在上述的结构中，所述负极层中所述金属多孔结构可作为所述锂金属依附或支撑的骨架，从而可与锂金属形成具有3D网络结构的合金，以在电池充放电时，锂离子迁移的过程中，避免负极层的结构发生改变或坍塌，从而可延长锂电池电芯和电池的循环寿命。进一步地，本专利技术所提供的负极层中，由于锂金属是填充于金属多孔结构之中，因此，锂金属表面的比表面积大大增加，其局部电流降低，进一步可降低锂离子的富集程度，有利于抑制枝晶生长，因此安全性高。本专利技术还提供一种锂电池电芯及锂电池，其包括如上所述的负极层。其中集流体包括两个相对的主表面，其中一个主表面上形成柱状晶体正极层，以作为一锂电池电芯的正极结构，另一主表面上形成负极层，以作为另一锂电池电芯的负极结构。通过在集流体的两个面上设置正负极，以形成正负共极的集流体，可实现多个锂电池电芯叠层制备，从而实现大面积全固态锂电池的制备。【附图说明】图1是本专利技术第一实施例提供的负极层的结构示意图。图2是图1中所述步骤Q13的一些具体实施方式的流程示意图。图3是图1中所述步骤Q13的另一些具体实施方式的流程示意图。图4是本专利技术第二实施例提供的负极层的结构示意图。图5是图4中所示负极层的变形例的结构示意图。图6是本专利技术第三实施例所提供的锂电池电芯的层结构示意图。图7是本专利技术第四实施例所提供的锂电池电芯的层结构示意图。图8是本专利技术第五实施例所提供的锂电池的叠层结构示意图。图9是本专利技术第六实施例所提供的锂电池的叠层结构示意图。图10是本专利技术第七实施例所提供的锂电池的叠层结构示意图。图11是本专利技术第八实施例所提供的具有封装结构的锂电池的叠层结构示意图。图12是本专利技术第九实施例所提供的锂电池电芯制备方法的流程示意图。【具体实施方式】为了使本专利技术的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。请参阅图1，本专利技术第一实施例提供一种负极层制备方法Q10，其包括以下步骤：步骤Q11，提供Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属或金属化合物集流体为工作电极基底；步骤Q12，提供包括与基底匹配的Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属或金属化合物作为阳极；步骤Q13，将工作电极基底与阳极置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负极层制备方法，其特征在于：其包括以下步骤:步骤Q11，提供Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属或金属化合物集流体为工作电极基底；步骤Q12，提供包括与基底匹配的Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属或金属化合物作为阳极；步骤Q13，将工作电极基底与阳极置入含有Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的溶液中并通入电流，以电沉积过程产生的氢气泡为模板，在工作电极基底上沉积形成含有Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属多孔结构；及步骤Q14，将锂金属与金属多孔结构置于真空环境中加热至180‑220℃，将锂金属涂覆在所述金属多孔结构表面以使所述锂金属熔融填充所述金属多孔结构后，冷却得到所需含有锂金属的负极层。

【技术特征摘要】
1.一种负极层制备方法，其特征在于：其包括以下步骤:步骤Q11，提供Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属或金属化合物集流体为工作电极基底；步骤Q12，提供包括与基底匹配的Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属或金属化合物作为阳极；步骤Q13，将工作电极基底与阳极置入含有Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的溶液中并通入电流，以电沉积过程产生的氢气泡为模板，在工作电极基底上沉积形成含有Cu、Ni或Al元素中一种或几种组合的金属多孔结构；及步骤Q14，将锂金属与金属多孔结构置于真空环境中加热至180-220℃，将锂金属涂覆在所述金属多孔结构表面以使所述锂金属熔融填充所述金属多孔结构后，冷却得到所需含有锂金属的负极层。2.如权利要求1中所述负极层制备方法，其特征在于：所述负极层制备方法进一步包括：以Cu箔或Al箔集流体作为工作电极基底，利用紫铜片或铝合金片作为阳极，置入含有CuSO4或Al2(SO4)3溶液中，其中通入的电流为0.6-8A·cm-2，溶液温度为20-70℃，其浓度为0.2-2mol·L-1，以在工作电极基底上沉积形成Cu或Al的金属多孔结构。3.如权利要求1中所述负极层制备方法，其特征在于：所述负极层制备方法进一步包括：提供一Cu箔集流体并在其表面沉积形成Ni金属层，以作为工作电极基底；在步骤Q13进一步包括：以在Cu箔上的Ni金属层为工作电极基底，以AlNi合金为阳极，置入含有Ni金属元素的溶液中，其中通入的电流为0.6-8A·cm-2，溶液温度为20-70℃，其浓度为0.2-2mol·L-1，以在工作电极基底上沉积形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓琨，
申请(专利权)人：成都亦道科技合伙企业有限合伙，
类型：发明
国别省市：四川,51