一种锂电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开锂电池，包括正极(1)、复合型负极(2)，正极(1)包括形成在正极集流体(6)上的正极涂层(7)；复合型负极(2)包括形成在负极集流体(10)上的碳多孔电极层(8)、金属锂平板电极层(9)；碳多孔电极层(8)与正极涂层(7)的可逆脱嵌锂的容量比值范围为0.1～0.9，金属锂平板电极层(9)是在电池化成激活阶段采用双向脉冲循环充电方式在碳多孔电极层(8)表面电沉积一层致密金属锂形成。本发明专利技术公开锂电池制备方法，在电池激活阶段采用双向脉冲循环充电方式，在负极的碳多孔电极层上沉积一层致密的金属锂层，从而获得复合型负极。本发明专利技术锂电池兼具了更高比能量、可大倍率放电、长循环特性和优异的存储性能。

A lithium battery and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种锂电池及其制备方法
本专利技术涉及锂电池
，特别是涉及一种锂电池及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池的自放电率高，即存储荷电能力差，典型的每月容量损失为3％～5％。与锂离子电池相比较，传统锂一次电池每月容量损失一般不超过0.5％，但是锂一次电池的倍率性能却比锂离子电池差，即使是功率型锂一次电池，其放电速率也不超过1小时率，且锂一次电池的工作电压平台低，导致输出功率低，这些缺点限制了传统锂一次电池的很多应用。锂离子电池和锂一次电池的关键差异在于负极。锂离子电池负极为多孔碳电极，而锂一次电池负极为平板锂金属电极。多孔电极比平板电极的反应面积大得多，浓差极化小，有利于电化学反应进行，因此多孔碳电极的倍率性能明显优于金属锂电极。但多孔电极的副反应界面也多，尤其是负极处于完全充满电状态时，嵌锂的碳活性极高，虽能与电解液反应形成一层固体电解质钝化膜(SEI膜)，但由于该SEI膜的面积大、稳定性也较差，导致锂离子电池存储性能差。金属锂活性也很高，但在空气和电解液中都很容易形成一层薄而致密的钝化膜，能保持其化学和电化学的稳定。目前有一些技术，可通过恒流充电的方式在电池化成阶段使正极中的锂离子迁移到负极铜箔上，电沉积形成一层金属锂，但该金属锂层致密度较差，充电容量损失较大，且不能多次循环，否则易形成锂枝晶，导致容量衰减快，甚至存在安全隐患。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种锂电池及其制备方法，解决目前锂离子电池存储性能差、锂一次电池无法大倍率放电的技术难题，通过采用复合型负极设计兼顾高倍率性能，采用双向脉冲循环充电的特殊充电制式解决了金属锂沉积时易生成锂枝晶的问题，可实现长循环寿命。为此，本专利技术提供一种锂电池，由正极(1)、复合型负极(2)、隔膜(3)、非水电解液(4)和外壳(5)组成。所述正极(1)由正极集流体(6)和正极涂层(7)组成，正极涂层(7)由活性物质、导电剂和粘结剂组成，正极集流体为铝箔，铝箔厚度为8μm～30μm。所述活性物质为一种或多种含锂金属复合氧化物组成；所述含锂金属氧化物中金属元素包括镍Ni、钴Co、锰Mn、铝Al、镁Mn、锆Zr等中的一种或多种。所述导电剂包含炭黑、科琴黑、活性炭、碳纳米管CNTs、碳纤维VGCF、石墨烯Graphene和石墨类导电剂中的至少一种。所述粘结剂包括丁苯胶乳SBR、羧甲基纤维素钠CMC、聚丙烯酸酯PAA、改性聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯PVDF、改性聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯PTFE中的一种或多种。所述正极的总厚度为70μm～300μm，优选总厚度为70μm～150μm。所述复合型负极(2)由可逆脱嵌锂的碳多孔电极层(8)、金属锂平板电极层(9)和负极集流体(10)组成；所述碳多孔电极层(8)与所述正极涂层(7)的可逆脱嵌锂容量比值范围为0.1～0.9，比值优选为0.5～0.66；所述负极集流体为铜箔，铜箔厚度为6μm～30μm。所述碳多孔电极层(8)由碳、导电剂和粘结剂组成，所述碳的种类包括天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳等；所述导电添加剂包含炭黑、科琴黑、活性炭、碳纳米管CNTs、碳纤维VGCF、石墨烯Graphene和石墨类导电剂中的至少一种；所述粘结剂的种类包括丁苯胶乳SBR、羧甲基纤维素钠CMC、聚丙烯酸酯PAA、改性聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯PVDF、改性聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯PTFE中的一种或多种；所述碳多孔电极层的厚度为50μm～150μm，优选的厚度为50μm～80μm。所述金属锂平板电极(9)是在电池激活阶段采用双向脉冲循环充电的方式在碳多孔电极表面电沉积形成。所述隔膜(3)的基体材质包括聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚对苯二甲酸乙二醇脂PET、聚酰亚胺PI等可用于锂电池的多种有机薄膜；其结构形式包括基体单面涂陶瓷层、基体双面涂陶瓷层，基体单面混涂陶瓷层和有机粘结剂、基体双面混涂陶瓷层和有机粘结剂、基体表面依次涂覆陶瓷层和有机粘结剂层等，且不限于此；所述隔膜的总厚度范围为8μm～50μm，优选总厚度范围为12μm～20μm。所述非水电解液(4)由锂盐、溶剂和添加剂组成。所述锂盐的种类包括六氟磷酸锂LiPF6、四氟硼酸锂LiBF4、高氯酸锂LiClO4、草酸二氟硼酸锂LiODFB、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂LiTFSI、二氟磷酸锂LiPF2O2等中的一种或多种；所述电解液中锂盐的摩尔浓度为0.8mol/L～2.0mol/L。所述溶剂的种类包括碳酸丙烯酯PC、碳酸乙烯酯EC、碳酸甲乙酯EMC、碳酸二乙酯DEC、碳酸二甲酯DMC、乙酸乙酯EA、丙酸乙酯EP、丁酸乙酯EB、丙酸丙酯PP等中的两种或多种；所述添加剂，包括氟代碳酸乙烯酯FEC、亚硫酸丙烯酯PS、1,3-丙烷磺酸内酯PST、硫酸乙烯酯DTD、甲烷二磺酸亚甲酯MMDS、1，2-亚乙烯碳酸酯VC、碳酸乙烯亚乙酯VEC、氟苯FB、联苯BP、环己基苯CHB、己二腈AND、丁二腈SN、磷腈类阻燃添加剂等，但不限于此。所述外壳5包括不锈钢、铝、铝合金、铝塑复合膜等多种材质。所述锂电池的结构形式包括圆柱形、方形、翼型、异形等。所述锂电池的制备方法，包括以下主要步骤：第一步：正极制备：将一种或多种含锂金属复合氧化物与导电剂、粘结剂按一定比例充分混合后涂覆在正极集流体上，再经碾压、分切、烘干、极耳焊接等工序制得正极；第二步：碳多孔电极制备，将一种或多种碳材料与导电剂、粘结剂按一定比例充分混合后涂覆在负极集流体上，再经碾压、分切、烘干、极耳焊接等工序制得碳多孔电极；第三步：极组制备：将正极、碳多孔电极、隔膜按结构设计要求采用卷绕或叠层的方式缠绕或堆叠获得电池极组；第四步：电池装配：将极组装入外壳中、烘干、注液、封口；第五步：电池静置：电解液充分浸润电极和隔膜；第六步：电池激活：双向脉冲循环充电，并制得复合型负极；第七步：电池老化；第八步：电池筛选。在第六步中，所述双向脉冲循环充电，是采用脉冲充电和脉冲放电交替循环进行充电，直至达到设定的充电终止电压或恒压充电电流，其中脉宽(时间)大于放电脉宽(时间)；所述脉冲充电的脉宽(时间)为0.1秒～5秒，脉冲放电的脉宽(时间)为0.01秒～1秒；所述充电终止电压为3.9V～4.35V，优选为4.0V～4.1V。所述充电和放电的形式可以是包括恒流、恒功率等多种形式；其中的所述恒流充电和恒流放电的电流密度可相同也可以不同，其中的电流密度范围为0.1mA/cm2～10mA/cm2；所述恒功率充电和恒功率放电的功率密度可相同也可以不同，功率密度范围为0.3mW/cm2～30mW/cm2。由以上本专利技术技术方案可见，本专利技术提供的锂电池，采用负极中碳材料的可逆嵌锂容量低于正极中活性物质的可逆脱锂容量的特殊设计，在化成激活阶段采用双向脉冲循环充电方式，在负极的碳多孔电极层上沉积一层致密的金属锂层从而获得复合型负极，使得提供的电池提高了比能、兼顾了存储和倍率性能；同时，双向脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂电池，其特征在于，包括正极(1)、复合型负极(2)，正极(1)包括形成在正极集流体(6)上的正极涂层(7)；复合型负极(2)包括形成在负极集流体(10)上的可逆脱嵌锂的碳多孔电极层(8)、金属锂平板电极层(9)；碳多孔电极层(8)与正极涂层(7)的可逆脱嵌锂的容量比值范围为0.1～0.9，金属锂平板电极层(9)是在电池化成激活阶段采用双向脉冲循环充电的方式，将正极活性物质中的锂脱出，先嵌入复合型负极(2)中的碳层中，然后在已嵌锂的碳多孔电极表面再沉积一层致密的锂层而形成。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂电池，其特征在于，包括正极(1)、复合型负极(2)，正极(1)包括形成在正极集流体(6)上的正极涂层(7)；复合型负极(2)包括形成在负极集流体(10)上的可逆脱嵌锂的碳多孔电极层(8)、金属锂平板电极层(9)；碳多孔电极层(8)与正极涂层(7)的可逆脱嵌锂的容量比值范围为0.1～0.9，金属锂平板电极层(9)是在电池化成激活阶段采用双向脉冲循环充电的方式，将正极活性物质中的锂脱出，先嵌入复合型负极(2)中的碳层中，然后在已嵌锂的碳多孔电极表面再沉积一层致密的锂层而形成。


2.如权利要求1所述锂电池，其特征在于，碳多孔电极层(8)与正极涂层(7)的可逆脱嵌锂的容量比值范围为0.5～0.66。


3.如权利要求1所述锂电池，其特征在于，碳多孔电极层(8)是将活性物质碳、导电剂和粘结剂均匀混合在溶剂中，然后涂覆在负极集流体(10)的两侧而形成。


4.如权利要求1所述锂电池，其特征在于，碳多孔电极层(8)中的可逆脱嵌锂的碳包括天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳等中的一种或多种。


5.如权利要求1所述锂电池，其特征在于，碳多孔电极层的厚度为50μm～150μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳晓霞，冯辉，段征，
申请(专利权)人：天津力神电池股份有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12