一种可快速充电无枝晶产生的金属二次电池制造技术

本实用新型专利技术公开了一种可快速充电无枝晶产生的金属二次电池，包括电池本体和外场装置；所述外场装置用于产生物理场，所述物理场包括电场或磁场；所述电池本体至少部分设置于所述外场装置形成的所述物理场中，以在快速过程中抑制枝晶的生成；所述电池本体包括电池正极、电池负极和电解液系统；所述电池正极和所述电池负极彼此间隔设定距离平行设置；所述电池正极和所述电池负极均至少部分浸没于所述电解液系统中。本实用新型专利技术通过设置外场装置，并在电池充电的过程中，使电池本体至少部分设置于物理场中，物理场可以强化金属离子在电池内部的传输，使得活性金属离子均匀分布于电池负极，达到了抑制枝晶生成的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种可快速充电无枝晶产生的金属二次电池
本技术实施例涉及电池
，尤其涉及一种可快速充电无枝晶产生的金属二次电池。
技术介绍
作为一种高效的电化学储能装置，电池已被广泛应用于便携式电源(例如电动汽车、手机以及平板电脑)、新能源、大负荷储能等领域，具有十分广阔的应用前景。由于一次电池容易造成资源浪费和环境污染，以及市场对小型化和便携化电子产品的需求，具有高能量密度、使用寿命长、环境友好和操作安全的二次电池得到了广泛使用。二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。金属二次电池是一类重要的二次电池，它是指以活性金属为负极、允许活性金属离子嵌入和脱出的材料为正极的二次电池，主要包括锂二次电池、钠二次电池、镁二次电池和锌二次电池等。现有的金属二次电池的负极存在着金属枝晶的难题，金属枝晶是指金属二次电池快速充电过程中，活性金属离子在阴极处不均匀沉积，形成的枝晶形貌的活性金属。枝晶的存在给金属二次电池的使用带来了严重的问题，以锂二次电池为例：一、锂枝晶沿着负极逐渐生长，会穿透隔膜延伸至正极，从而导致电池内部短路，引起火灾或爆炸，存在安全隐患；二、锂枝晶与负极脱落后，形成“死锂”，使得锂二次电池的容量大大降低；三、锂枝晶的生成会导致负极处SEI膜(SolidElectrolyteInterface，固体电解质界面膜)的破坏而引起金属和电解质之间的反应，消耗反应生成的活性，大大缩短金属电池的使用寿命。因此，如何抑制金属枝晶的形成是目前金属二次电池行业面临的一个共性难题。在现有抑制枝晶的技术中：采用三维负极集流体技术，在充电过程中，锂金属沿集流体骨架沉积生长，优先填满骨架孔隙，将沉积锂限制在集流体骨架之内；多孔结构增加了集流体的比表面积，降低了负极处的电流密度，但需要电极具有较高的机械强度，需要更高的电池制备工艺。在电解液中加入添加剂，使负极处原位生成SEI膜或人工SEI膜，由于这两种SEI膜结构具有较高的机械强度、柔韧性以及较高的离子传导性，在一定程度上抑制了枝晶生成，但高电流密度条件下以及多次反复充电过程中，枝晶抑制的效果不佳。通过高弹性模量和高离子传输性能的隔膜以防止枝晶刺破威胁电池，但该技术仅是将枝晶阻隔在隔膜与负极之间的空间范围内，也未能从根本上解决死锂的问题。采用全固态电解质锂电池，以空间阻碍机制限制枝晶生成，但在高电流密度充放电过程中，固态电解质与负极界面处具有较高的界面电阻，导致电池具有较高的电压极化现象。
技术实现思路
本技术提供一种可快速充电无枝晶产生的金属二次电池，以实现抑制充电过程中枝晶形成的目的。本技术实施例提供了一种可快速充电无枝晶产生的金属二次电池，该金属二次电池包括电池本体和外场装置；所述外场装置用于产生物理场，所述物理场包括电场或磁场；所述电池本体至少部分设置于所述外场装置形成的所述物理场中，以在快速充电过程中抑制枝晶的生成；所述电池本体包括电池正极、电池负极和电解液系统；所述电池正极和所述电池负极彼此间隔设定距离平行设置；所述电池正极和所述电池负极均至少部分浸没于所述电解液系统中。进一步地，所述物理场包括直流电场和交流电场中的至少一个。进一步地，所述外场装置用于产生直流电场，所述直流电场的电场线方向由所述电池本体的所述电池正极指向所述电池负极；所述电池本体位于所述直流电场中。进一步地，所述外场装置包括外场正极和外场负极；所述外场正极位于所述电池正极背离所述电池负极的一侧；所述外场负极位于所述电池负极背离所述电池正极的一侧。进一步地，所述直流电场的电场强度大于或等于10V/cm，且小于或等于100V/cm。进一步地，所述外场装置用于产生交流电场，所述交流电场的电场线方向与所述电池本体的所述电池正极和所述电池负极的连线交叉；所述电池本体的所述电池负极位于所述交流电场中。进一步地，所述外场装置包括第一外场电极和第二外场电极；所述第一外场电极和所述第二外场电极的连线与所述电池正极和所述电池负极的连线交叉。进一步地，所述交流电场的频率为大于或等于30Hz，且小于或等于250Hz；所述交流电场的电场强度大于或等于10V/cm，且小于或等于100V/cm。进一步地，所述外场装置用于产生磁场；所述磁场的磁感线方向由所述电池本体的所述电池正极指向所述电池负极；所述电池本体位于所述磁场中。进一步地，所述外场装置为磁场发生器、铝镍钴磁体、铁氧体磁体、强力钕铁硼磁铁、钐钴磁铁以及强磁性材料正负极集流体中的至少一种；所述磁场的磁感应强度大于或等于0.05T，且小于或等于2.0T。本技术通过设置外场装置，并在电池充电的过程中，使电池本体至少部分设置于物理场中，物理场可以加速电池中带电粒子的运动，使得活性金属离子均匀分布于电池负极，达到了抑制枝晶生成的效果。附图说明图1是现有的一种锂金属电池在充放电100次后的电池负极在低倍扫描电镜下的结构图；图2是图1方框中的结构在高倍扫描电镜下的结构图；图3是现有的一种锂金属电池在充放电50次后的电池负极在低倍扫描电镜下的结构图；图4是图3方框中的结构在高倍扫描电镜下的结构图；图5是现有的一种锂金属电池在充放电50次后的电解液中的“死锂”在低倍扫描电镜下的结构图；图6是本技术实施例二提供的外场为直流电场的金属二次电池结构示意图；图7是本技术实施例二提供的在直流外场作用下充放电120次后的锂金属电池负极的低倍扫描电镜结构图；图8是图7中方框中的结构在高倍扫描电镜下的结构图；图9是本技术实施例三提供的外场为交流电场的金属二次电池结构示意图；图10是本技术实施例三提供的在交流外场作用下充放电110次后的锂硫电池负极的扫描电镜结构图；图11是本技术实施例三提供的图10方框中的结构在高倍扫描电镜下的结构图；图12是本技术实施例四提供的外场为磁场的金属二次电池结构示意图；图13为本技术实施例四提供的在磁场作用下充放电200次后的锂金属电池负极的在低倍扫描电镜下的结构图；图14是本技术实施例四提供的图13方框中的结构在高倍扫描电镜下的结构图；图15是本技术实施例五提供的一种外场为磁场的金属二次电池结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。如前所述，现有的金属二次电池的负极存在着金属枝晶的难题。示例性地，以锂金属电池为例，说明现有技术中金属二次电池中电池负极处容易生成枝晶，金属枝晶影响金属二次电池的单圈库伦效率。令现有的锂金属电池充放电循环次数为100次，恒流充放电电流密度为4mA/cm2以及充电容量为0.5mAh，测试得到锂金属电池的单圈库伦效率为62％；将测试后的电池负极清洗干净，使用扫描电镜观察，得到图1和图2所示的结构。其中，图1是现有的一种锂金属电池在充放电100次后的电池负极在低倍扫描电镜下的结构图，图2是图1方框中的结构在高倍扫描电镜下的结构图。图1和图2表明现有技术中锂金属电池在充放电时，电池的单圈库伦效率较低，电池负极表面容易形成枝晶。类似地，令现有的锂金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可快速充电无枝晶产生的金属二次电池，其特征在于，包括电池本体和外场装置；所述外场装置用于产生物理场，所述物理场包括电场或磁场；所述电池本体至少部分设置于所述外场装置形成的所述物理场中，以在快速充电过程中抑制枝晶的生成；所述电池本体包括电池正极、电池负极和电解液系统；所述电池正极和所述电池负极彼此间隔设定距离平行设置；所述电池正极和所述电池负极均至少部分浸没于所述电解液系统中。

【技术特征摘要】
1.一种可快速充电无枝晶产生的金属二次电池，其特征在于，包括电池本体和外场装置；所述外场装置用于产生物理场，所述物理场包括电场或磁场；所述电池本体至少部分设置于所述外场装置形成的所述物理场中，以在快速充电过程中抑制枝晶的生成；所述电池本体包括电池正极、电池负极和电解液系统；所述电池正极和所述电池负极彼此间隔设定距离平行设置；所述电池正极和所述电池负极均至少部分浸没于所述电解液系统中。2.根据权利要求1所述的可快速充电无枝晶产生的金属二次电池，其特征在于，所述物理场包括直流电场和交流电场中的至少一个。3.根据权利要求2所述的可快速充电无枝晶产生的金属二次电池，其特征在于，所述外场装置用于产生直流电场，所述直流电场的电场线方向由所述电池本体的所述电池正极指向所述电池负极；所述电池本体位于所述直流电场中。4.根据权利要求3所述的可快速充电无枝晶产生的金属二次电池，其特征在于，所述外场装置包括外场正极和外场负极；所述外场正极位于所述电池正极背离所述电池负极的一侧；所述外场负极位于所述电池负极背离所述电池正极的一侧。5.根据权利要求3所述的可快速充电无枝晶产生的金属二次电池，其特征在于，所述直流电场的电场强度大于或等于10V/cm，且小于或等于100V/cm。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：韩永生，陈永修，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：新型
国别省市：北京,11