一种三明治结构预锂化负极及锂离子电池制造技术

本发明专利技术提供了一种三明治结构预锂化负极，包括负极集流体，所述的负极集流体的上方设置有负极活性层，所述的负极活性层的上方设置有三明治结构；所述的三明治结构包括一级保护层、含锂金属层、二级保护层，所述的含锂金属层位于所述的一级保护层与二级保护层之间，所述的二级保护层位于所述的一级保护层的上方，所述的一级保护层位于所述的负极活性层上。本发明专利技术所述的三明治结构预锂化负极在生产过程中以及储存中可以维持一个相对稳定的状态，在提升电池电化学性能的同时，也降低了极片转移和电池制备过程中的安全隐患，大大提高了电池的安全性能，以及负极预锂化的效果。

A sandwich structure pre lithium anode and lithium ion battery

【技术实现步骤摘要】
一种三明治结构预锂化负极及锂离子电池
本专利技术属于锂离子电池领域，尤其是涉及一种三明治结构预锂化负极及锂离子电池。
技术介绍
随着电子产品的快速发展，高能量、高功率密度锂离子电池的需求逐年增加。目前商业化锂离子电池负极主要采用石墨材料，但其理论容量严重限制了锂离子电池整体的比容量，采用更高理论容量的负极材料代替石墨成为必然的趋势。然而目前还鲜有高比容负极大规模应用于商业化的锂离子全电池，这主要是因为高比容负极材料普遍具有较大的首次不可逆容量，而这一部分容量的弥补需要消耗正极材料中大量的锂源，结果导致锂离子电池容量的明显衰减。为了解决锂离子电池负极材料首次库伦效率低和循环性能差的问题，研究人员提出了预锂化的方式来补充电池循环过程中形成SEI膜所消耗的锂源。常用的有掺杂预锂化、接触预锂化、化学预锂化和电化学预锂化法这几种方法。相对而言，接触预锂化方法锂化程度较高、对电池性能提升效果显著且可操作性强、适合大规模生产。但是由于金属锂反应活性较高，一方面容易与负极活性物质接触反应，另一方面在工业生产转移中对环境(如湿度等)要求苛刻，因此预锂化负极往往难以被稳定保存。如今迫切需要提出一种可以保证极片稳定保存的预锂化技术，以满足工业化生产的需要。另一个方面，当前可工业化高能量负极材料的最高面积比容量为4mAh/cm2，其首次库伦效率为80％，因此该种负极的所需额外金属锂的面积比容量为0.8mAh/cm2，对应额外金属锂层厚度约为3.88μm。然而，接触法预锂化所采用金属锂带普遍大于10μm，说明大量的金属锂不参与反应，降低了电池的实际单位能量密度。因此急需提出一种非液相沉积方式来制备包含金属锂层厚度可控的预锂化负极。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种三明治结构预锂化负极及锂离子电池，锂化程度均匀可控、工艺简单、适合大规模生产，具有较高的产业应用前景。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种三明治结构预锂化负极，包括负极集流体，所述的负极集流体的上方设置有负极活性层，所述的负极活性层的上方设置有三明治结构；所述的三明治结构包括一级保护层、含锂金属层、二级保护层，所述的含锂金属层位于所述的一级保护层与二级保护层之间，所述的二级保护层位于所述的一级保护层的上方，所述的一级保护层位于所述的负极活性层上。进一步，所述的负极集流体的下方设置有与位于负极集流体上方的结构相同的负极活性层、三明治结构。进一步，所述的三明治结构的上方还设置有含锂金属层、含锂金属层或二级保护层中的至少一种。进一步，所述的一级保护层为由磷酸锂、锂磷氧氮、LiPON非晶固态电解质、铝、钛、钼、铜、锌、锂、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物或金属氟化物中的至少一种，其中，所述的LiPON非晶固态电解质为基于掺杂S、B、Si、C元素的LiPON非晶固态电解质，所述的金属氧化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氧化物中的一种，所述的金属硫化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的硫化物中的一种，所述的金属氮化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氮化物中的一种，所述的金属氟化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氟化物中的一种；所述的一级保护层厚度为0.1-5μm。进一步，所述的二级保护层为由磷酸锂、锂磷氧氮、LiPON非晶固态电解质、铝、钛、钼、铜、锌、锂、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物或金属氟化物中的至少一种，其中，所述的LiPON非晶固态电解质为基于掺杂S、B、Si、C元素的LiPON非晶固态电解质，所述的金属氧化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氧化物中的一种，所述的金属硫化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的硫化物中的一种，所述的金属氮化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氮化物中的一种，所述的金属氟化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氟化物中的一种；所述的二级保护层厚度为1-1000nm。进一步，所述的负极集流体为铜箔、镍箔、不锈钢箔、铁箔、碳膜、石墨烯膜、碳纳米管膜或碳纤维膜中的至少一种；所述的负极集流体的厚度为1-50μ；所述的负极集流体的表面涂覆0.1-2μm的导电物质；所述的导电物质为石墨、导电炭黑、石墨烯、科琴黑、碳纳米管、硬碳、软碳、无定形碳、氧化石墨烯、Ti、Al、Ni、Mo、Zn、Mg、Si、Sn、聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯或聚双炔中的至少一种。进一步，所述的负极活性层为天然石墨、人造石墨、软碳、硬碳、硅、锡、锗、锌、铝、硼、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氟化物、过渡金属氮化物或过渡金属磷化物中的至少一种；其中，所述的过渡金属为Cr、Cu、Fe、Co、Ni、Nb、V、Mo、W或Ru中的一种；所述的负极活性层还包含有电子导电添加剂和粘接剂，其中，电子导电添加剂为炭黑、乙炔黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯或氧化石墨烯中的至少一种，所述的粘接剂为聚偏氯乙烯、聚偏氯乙烯-六氟丙烯、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯、聚酯、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚丙烯腈、羧甲基纤维素钠或丁苯橡胶中的至少一种；所述的电子导电添加剂占负极活性层的总质量的2-10％；所述的粘接剂占负极活性层的总质量的0.5-10％；所述的负极活性层的表面积为负极集流体的表面积的0.5-1倍；所述的负极活性层的厚度为10-500μm。进一步，所述的含锂金属层为金属锂、锂硅合金、锂镁合金、锂铜合金、锂银合金、锂铍合金、锂锌合金、锂镉合金、锂铝合金、锂金合金或锂硼合金中的至少一种；：所述的含锂金属层还包含锂的氧化物、硫化物、氮化物或氟化物中的至少一种；所述的含锂金属层的厚度为0.1μm-10μm；所述的含锂金属层的表面积为一级保护层的表面积的0.5-1倍。进一步，所述的一级保护层、二级保护层与含锂金属层均采用真空蒸镀、离子镀、热CVD、等离子CVD、有机金属CVD、金属CVD、射频溅射、磁控溅射或反应溅射中的一种方法制得。一种锂离子二次电池，包括所述的三明治结构预锂化负极。一种三明治结构预锂化负极的制备方法，包括如下步骤：(1)将负极活性物质粉末放置于鼓风干燥箱中70℃处理24小时以除去粉末中的水分，然后将负极活性物质粉末、电子导电添加剂、粘接剂与溶剂水混合制备成粘稠的负极浆料；(2)将负极集流体在丙酮中超声清洗以除去油脂，然后除去集流体表面杂质；(3)取步骤(1)制得的负极浆料涂覆在步骤(2)的负极集流体的上表面，放置于鼓风干燥箱中处理后得到负载有负极活性层厚度为的负极极片。(4)取步骤(3)中制得的负极极片，进行辊压处理、裁剪；(5)将步骤(4)的极片通过磁控溅射的方法在负极活性层表面沉积一层一级保护层；(6)将步骤(5)制得的具有一级保护层的负极极片放置于真空腔体中，采用真空热蒸发的方法将含锂金属层沉积在一级保护层上；(7)将步骤(6)所得预锂化极片采用磁控溅射在对应负极的含锂金属层表面沉积一层二级保护层即得。相对于现有技术，本专利技术所述的三明治结构预锂化负极及锂离子电池具有以下优势：(1)本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三明治结构预锂化负极，其特征在于：包括负极集流体，所述的负极集流体的上方设置有负极活性层，所述的负极活性层的上方设置有三明治结构；/n所述的三明治结构包括一级保护层、含锂金属层、二级保护层，所述的含锂金属层位于所述的一级保护层与二级保护层之间，所述的二级保护层位于所述的一级保护层的上方，所述的一级保护层位于所述的负极活性层上。/n

【技术特征摘要】
1.一种三明治结构预锂化负极，其特征在于：包括负极集流体，所述的负极集流体的上方设置有负极活性层，所述的负极活性层的上方设置有三明治结构；
所述的三明治结构包括一级保护层、含锂金属层、二级保护层，所述的含锂金属层位于所述的一级保护层与二级保护层之间，所述的二级保护层位于所述的一级保护层的上方，所述的一级保护层位于所述的负极活性层上。


2.根据权利要求1所述的三明治结构预锂化负极，其特征在于：所述的负极集流体的下方设置有与位于负极集流体上方的结构相同的负极活性层、三明治结构。


3.根据权利要求1所述的三明治结构预锂化负极，其特征在于：所述的三明治结构的上方还设置有含锂金属层、含锂金属层或二级保护层中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的三明治结构预锂化负极，其特征在于：所述的一级保护层为由磷酸锂、锂磷氧氮、LiPON非晶固态电解质、铝、钛、钼、铜、锌、锂、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物或金属氟化物中的至少一种，其中，所述的LiPON非晶固态电解质为基于掺杂S、B、Si、C元素的LiPON非晶固态电解质，所述的金属氧化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氧化物中的一种，所述的金属硫化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的硫化物中的一种，所述的金属氮化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氮化物中的一种，所述的金属氟化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氟化物中的一种；所述的一级保护层厚度为0.1-5μm。


5.根据权利要求1所述的三明治结构预锂化负极，其特征在于：所述的二级保护层为由磷酸锂、锂磷氧氮、LiPON非晶固态电解质、铝、钛、钼、铜、锌、锂、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物或金属氟化物中的至少一种，其中，所述的LiPON非晶固态电解质为基于掺杂S、B、Si、C元素的LiPON非晶固态电解质，所述的金属氧化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氧化物中的一种，所述的金属硫化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的硫化物中的一种，所述的金属氮化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氮化物中的一种，所述的金属氟化物为铝、钛、钼、铜、锌或锂的氟化物中的一种；所述的二级保护层厚度为1-1000nm。


6.根据权利要求1所述的三明治结构预锂化负极，其特征在于：所述的负极集流体为铜箔、镍箔、不锈钢箔、铁箔、碳膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立飞，
申请(专利权)人：复阳固态储能科技溧阳有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32