一种背向沉积型金属负极和背向沉积型金属负极电池制造技术

本发明专利技术提供一种背向沉积型金属负极，该背向沉积型金属负极包括无孔电子绝缘层和两个金属负极部，每个金属负极部包括负极集流层以及复合于该负极集流层一侧的有孔电子绝缘层，两个金属负极部的负极集流层相对放置，无孔电子绝缘层设置于两个金属负极部之间用以阻止离子穿过并电子绝缘，其中，在有孔电子绝缘层和负极集流层上相对应的位置处设有离子穿透通孔，且有孔电子绝缘层的离子穿透通孔的区域小于等于负极集流层的离子穿透通孔的区域。本发明专利技术的背向沉积型金属负极从根本上抑制了枝晶生长，大大提高了二次电池的安全性，同时有效改善了二次电池的电化学性能。本发明专利技术进一步提供一种背向沉积型金属负极电池。

A kind of back deposition metal negative electrode and back deposition metal negative electrode battery

【技术实现步骤摘要】
一种背向沉积型金属负极和背向沉积型金属负极电池
本专利技术属于电化学二次电池
，具体地涉及一种背向沉积型金属负极以及背向沉积型金属负极电池。
技术介绍
随着便携电子设备和电动汽车的快速发展，人们对具有高能量密度的二次电池的需求更加迫切。其中，对于电极材料而言，金属负极由于较高的理论比容量、原料广泛、原材料价格低廉等优点逐渐成为新型高效负极材料体系的有力候选。例如，金属锂电极，具有极高的理论比容量(3860mAh/g)，最负的还原电位和极小的密度；金属锌电极，具有平衡电位低、原料丰富、环境友好、电化学可逆性好等优点。近些年来，镁、钠、钾、钙等作为金属负极材料也得到了广泛研究。然而，在二次电池的多次循环中，金属离子经过电化学反应直接沉积在与正极活性材料所正对的金属负极表面(即正向沉积)，普遍存在的问题是容易出现枝晶生长、粉化脱落(如“死锂”)、钝化等问题，造成库伦效率较低，循环性能较差，甚至出现内部短路，引起热失效或爆炸等安全事故。为了抑制电池充放电过程中金属负极的枝晶生长，目前主要采用的方法是通过物理或化学的方法在与正极活性材料所正对的金属负极表面形成一层有效的保护膜以隔绝金属负极与电解液之间的直接接触；或者对隔离层进行表面修饰、在隔离层和金属负极之间添加保护层等。但是，从金属负极或隔离层的表面修饰效果来看，这些方法仅在一定程度上改善了枝晶，不能从根本上抑制枝晶的产生，而且，保护膜的制备工艺条件较为苛刻，制备成本也较高，不利于大面积制备或者商业化应用。因此，寻求有效抑制枝晶生长的金属负极保护技术成为发展高能量密度二次电池的关键和热点。
技术实现思路
针对以上存在的问题，本专利技术提供一种新型的背向沉积型金属负极，该金属负极结构利用动力学原理，通过改变金属离子的迁移路径和沉积位点，使得金属离子在金属负极背面经过电化学还原反应均匀沉积为金属层，因此从根本上抑制了枝晶在金属负极正面生长，从而避免了枝晶刺穿隔离层而引起的电池短路问题。本专利技术的背向沉积型金属负极能够充分利用金属离子到达金属负极背面枝晶前端沉积时所需的扩散迁移距离大于在金属负极背面直接沉积时的扩散迁移距离这一动力学原理，使得金属离子更倾向于在金属负极背面直接沉积以提高背面金属沉积的均匀性。此外，该背向沉积型金属负极不仅大大提高了电池的安全性能，同时也保证了优良的电化学性能。本专利技术提供的技术方案如下：根据本专利技术提供一种背向沉积型金属负极，其特征在于，该背向沉积型金属负极包括无孔电子绝缘层和两个金属负极部，每个金属负极部包括负极集流层以及复合于该负极集流层一侧的有孔电子绝缘层，两个金属负极部的负极集流层相对放置，无孔电子绝缘层设置于两个金属负极部之间用以阻止离子穿过并电子绝缘，在金属负极部和无孔电子绝缘层之间形成沉积腔，其中，在有孔电子绝缘层和负极集流层上相对应的位置处设有供离子穿过的离子穿透通孔，离子穿过该离子穿透通孔并在负极集流层与有孔电子绝缘层非接触侧的表面经过电化学还原反应沉积为金属层，且有孔电子绝缘层的离子穿透通孔的区域小于等于负极集流层的离子穿透通孔的区域。本专利技术设计的背向沉积型金属负极结构从根本上解决了传统金属负极表面易发生的枝晶生长问题。具体而言，二次电池在多次循环及过充过放的过程中，传统金属负极的正面(即与正极活性材料所正对的金属负极表面)容易形成枝晶，随着循环次数的增加，枝晶急剧生长并刺穿隔离层与正极接触，导致电池内部短路，引起热失效或爆炸等安全事故。在本专利技术的背向沉积型金属负极中，由于金属负极部的负极集流层一侧复合有可屏蔽离子和电子穿过的有孔电子绝缘层，因此二次电池在多次循环的过程中，金属离子不会在金属负极部的正面(即与正极活性材料所正对的金属负极部表面)得电子，从而抑制了枝晶在金属负极部的正面析出。另一方面，通过在金属负极部的负极集流层与有孔电子绝缘层上的相对应位置处设有离子穿透通孔来控制金属离子的迁移路径，使得金属离子穿过该离子穿透通孔并在金属负极部的背面——即负极集流层与有孔电子绝缘层非接触侧的表面——经过电化学反应沉积成金属层；同时，由于金属离子到达金属负极部背面的枝晶前端沉积时所需的扩散迁移距离大于直接到达金属负极部背面沉积时的扩散迁移距离，因此利用动力学原理，金属离子更倾向于在金属负极部背面直接沉积，完全抑制了金属负极部背面的枝晶生长，从而使金属离子的背向沉积更均匀。这里需要强调的是，有孔电子绝缘层的离子穿透通孔的区域应小于等于负极集流层的离子穿透通孔的区域。如果有孔电子绝缘层的离子穿透通孔的区域大于负极集流层的离子穿透通孔的区域，那么金属离子会直接迁移至负极集流层与有孔电子绝缘层接触侧的未复合区域，导致该未复合区域优先生长枝晶，阻碍了金属离子的背向沉积路径。在本专利技术的背向沉积型金属负极中，两个金属负极部的负极集流层相对放置，且在两个金属负极部之间设有用以阻止离子穿过并电子绝缘的无孔电子绝缘层，从而避免了金属离子可能优先在另一个金属负极部沉积的情况。这是因为在不设有无孔电子绝缘层的情况下，基于动力学原理，金属离子穿过离子穿透通孔后到达金属负极部背面所需的扩散迁移距离明显大于到达另一个金属负极部的负极集流层表面所需的扩散迁移距离，这样就违背了背向沉积的设计。另一方面，如果不设有无孔电子绝缘层，则在二次电池过充电程中，金属负极部背面沉积的金属层积累到一定厚度时，可能从另一个金属负极部的离子穿透通孔穿过，从而刺穿隔离层造成电池内部短路。根据本专利技术，在金属负极部和无孔电子绝缘层之间形成沉积腔，该沉积腔为可容纳金属负极沉积的沉积空间，厚度可以为0.1mm～2mm，优选为0.5mm～1.5mm。优选地，在沉积腔中可以设有绝缘支撑部件，用以保持金属负极部与无孔电子绝缘层之间的沉积空间。其中，绝缘支撑部件可以包括垫圈、垫片、条状波浪形构件、多孔绝缘材料层和表面设有凸出部的多孔片等中的一种或几种。优选地，多孔绝缘材料层可以为耐电解液腐蚀且供离子穿过的多孔电子绝缘材料，包括多孔绝缘聚合物材料、多孔绝缘无机非金属材料、绝缘无机非金属材料与有机聚合物材料复合等的多孔绝缘复合材料，上述任意一种多孔材料的孔隙率可以为30％～90％；其中，多孔绝缘聚合物材料可以为选自天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、聚烯烃、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等中的一种或几种，绝缘无机非金属材料可以为选自玻璃纤维布、陶瓷纤维纸类多孔绝缘无机非金属材料等中的一种或几种或选自氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝等中的一种或几种，多孔绝缘复合材料中的有机聚合物材料可以为选自涤纶、芳纶、尼龙、聚烯烃、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等中的一种或几种。本专利技术人还已出乎意料地发现，使用多孔电子绝缘材料作为绝缘支撑部件时，除了起到支撑沉积腔的作用之外，还使得金属离子在金属负极部的背面沉积的更均匀。这可能是由于多孔电子绝缘层本身的三维孔隙结构促使了金属离子沉积时的重新分布，从而避免了金属层局部沉积过厚所带来的不利影响。根据本专利技术，金属负极部的负极集流层的离子穿透通孔的等效孔径可以为0.2mm～5mm，优选为0.4mm～2.5mm，更优选为0.6mm～1.8m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种背向沉积型金属负极，其特征在于，所述背向沉积型金属负极包括无孔电子绝缘层和两个金属负极部，每个金属负极部包括负极集流层以及复合于所述负极集流层一侧的有孔电子绝缘层，两个所述金属负极部的负极集流层相对放置，所述无孔电子绝缘层设置于两个金属负极部之间用以阻止离子穿过并电子绝缘，在所述金属负极部和无孔电子绝缘层之间形成沉积腔，其中，在所述有孔电子绝缘层和负极集流层上相对应的位置处设有供离子穿过的离子穿透通孔，以使离子能够穿过所述离子穿透通孔并在所述负极集流层与有孔电子绝缘层非接触侧的表面经过电化学还原反应沉积为金属层，且有孔电子绝缘层的离子穿透通孔的区域小于等于负极集流层的离子穿透通孔的区域。/n

【技术特征摘要】
1.一种背向沉积型金属负极，其特征在于，所述背向沉积型金属负极包括无孔电子绝缘层和两个金属负极部，每个金属负极部包括负极集流层以及复合于所述负极集流层一侧的有孔电子绝缘层，两个所述金属负极部的负极集流层相对放置，所述无孔电子绝缘层设置于两个金属负极部之间用以阻止离子穿过并电子绝缘，在所述金属负极部和无孔电子绝缘层之间形成沉积腔，其中，在所述有孔电子绝缘层和负极集流层上相对应的位置处设有供离子穿过的离子穿透通孔，以使离子能够穿过所述离子穿透通孔并在所述负极集流层与有孔电子绝缘层非接触侧的表面经过电化学还原反应沉积为金属层，且有孔电子绝缘层的离子穿透通孔的区域小于等于负极集流层的离子穿透通孔的区域。


2.根据权利要求1所述的背向沉积型金属负极，其中，所述沉积腔为可容纳金属负极沉积的沉积空间，厚度为0.1mm～2mm，优选为0.5mm～1.5mm。


3.根据权利要求2所述的背向沉积型金属负极，其中，在所述沉积腔中设有绝缘支撑部件，用以保持所述金属负极部与所述无孔电子绝缘层之间的沉积空间。


4.根据权利要求3所述的背向沉积型金属负极，其中，所述绝缘支撑部件包括垫圈、垫片、条状波浪形构件、多孔绝缘材料层和表面设有凸出部的多孔片中的一种或几种。


5.根据权利要求4所述的背向沉积型金属负极，其中，所述多孔绝缘材料层的材料包括多孔绝缘聚合物材料、多孔绝缘无机非金属材料、绝缘无机非金属材料与有机聚合物材料复合的多孔绝缘复合材料，上述任意一种多孔材料的孔隙率为30％～90％；其中，所述多孔绝缘聚合物材料为选自天然棉麻、涤纶、芳纶、尼龙、聚烯烃、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或几种，所述绝缘无机非金属材料为选自玻璃纤维布、陶瓷纤维纸类多孔绝缘无机非金属材料中的一种或几种或选自氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或几种，所述多孔绝缘复合材料中的有机聚合物材料为选自涤纶、芳纶、尼龙、聚烯烃、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种或几种。


6.根据权利要求1所述的背向沉积型金属负极，其中，所述金属负极部的负极集流层的离子穿透通孔的等效孔径为0.2mm～5mm，优选为0.4mm～2.5mm，更优选为0.6mm～1.8mm；孔中心距为0.5mm～8mm；孔隙率为5％～70％，优选为30％～60％，更优选为40％～50％。


7.根据权利要求1所述的背向沉积型金属负极，其中，所述金属负极部的有孔电子绝缘层的离子穿透通孔的等效孔径为0.1mm～5mm，优选为0.2mm～2.5mm，更优选0.4mm～1.8mm；孔中心距为0.5mm～8mm；孔隙率为5％～70％，优选为30％～60％，更优选为40％～50％。


8.根据权利要求6或7所述的背向沉积型金属负极，其中，所述离子穿透通孔的形状包括圆形、方形、椭圆孔、三角孔、多边形中的一种或几种。


9.根据权利要求1所述的背向沉积型金属负极，其中，所述金属负极部的有孔电子绝缘层还复合于所述负极集流层的离子穿透通孔的侧壁。


10.根据权利要求9所述的背向沉积型金属负极，其中，所述有孔电子绝缘层通过粘接、涂覆和机械压合中的一种或几种方式紧密复合于所述负极集流层的一侧及其离子穿透通孔的侧壁。


11.根据权利要求1所述的背向沉积型金属负极，其中，所述金属负极部的有孔电子...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永翀，刘丹丹，滕勇强，何颖源，王馨，张彬，
申请(专利权)人：北京好风光储能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11