一种金属离子电池负极预金属化的方法技术

本发明专利技术涉及锂离子电池领域，具体为一种金属离子电池负极预金属化的方法。金属离子电池的电解液中含有预金属化添加剂，所述预金属化添加剂为对应金属的金属盐。该金属盐在首次充电过程中在正极侧发生解离，解离后的阳离子可以嵌入负极材料，弥补金属阳离子在首次充电过程中的不可逆消耗；解离后的阴离子可以与正极物质发生化学反应，不影响电池的正常充放电。

A method of pre metallization for negative electrode of metal ion battery

【技术实现步骤摘要】
一种金属离子电池负极预金属化的方法
本专利技术涉及锂离子电池领域，具体为一种电极电化学预锂化电极的材料及方法。
技术介绍
锂离子电池技术近年来发展迅速，由于其具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应和环境友好等优点，已经广泛应用在小型便携电子设备的电能储存。近年来，为适应新能源汽车、智能电网、分布式储能等技术快速发展的需求，开发具有高能量密度、高安全性和长寿命的锂离子电池成为当今储能领域的研究热点。电池能量密度的提升主要依靠关键电极材料的发展。人们发现了多种新型锂离子电池负极材料(如硅碳负极等)，具有三倍于商业化石墨负极的比容量，可以大大提升电池的能量密度。但是这些电极材料普遍具有较低的首圈库伦效率，这会为实际的电池生产带来诸多问题。首圈库伦效率低主要是因为电池在首次充电过程中，负极侧会发生电解液的分解而在电极界面处不可逆生成一种固态电解质膜(SEI膜)。这种SEI膜主要是由有机和无机的锂化合物组成，因此造成了一定量的不可逆锂损失。预嵌锂技术是现在最为有效的补偿锂损失、提升首圈库伦效率的方法。常用的预嵌锂方法主要有物理法、化学法和电化学法。物理法是直接将负极材料与稳定金属锂粉(SLMP)物理混合或将负极与Li箔高压强挤压接触实现负极预嵌锂；化学法是通过在正极或负极材料中掺入预嵌锂添加剂，在首次充电过程中添加剂的化学变化释放锂来补偿首圈不可逆锂损失；电化学法是通过负极与金属锂组成半电池放电补偿锂。而这次些方法都存在一些相容性和安全性问题导致无法实际应用。正极添加剂分解释放锂的同时可能会产生气体，增加了电池制造工艺复杂性，并且大量的无用残余产物也会降低实际的电池能量密度；通过物理法或电化学法直接预锂化的负极材料存在稳定性和安全性的问题。通过预锂化正极活性物质，利用这部分额外储锂容量来补偿负极首圈不可逆锂损失是一种理想的预嵌锂方法。但是，此前专利文献采用的材料主要是氮化锂、氧化锂、硫化锂、铁酸锂、锰酸锂等，存在生产加工性差或放电产物影响性能的问题。
技术实现思路
本专利技术目的是针对金属离子(锂、钠、钾、镁)电池负极材料首圈库伦效率低的问题，提供一种电化学预锂化材料及生产方案。本专利技术涉及在电解液中加入一种金属盐，该金属盐可以在首次充电过程中在正极侧发生解离。解离后的阳离子可以嵌入负极材料，弥补金属阳离子在首次充电过程中的不可逆消耗。解离后的阴离子可以与正极物质(如铝箔集流体)发生化学反应，不影响电池的正常充放电。采用的具体技术方案如下：一种金属离子电池负极预金属化的方法，金属离子电池的电解液中含有预金属化添加剂，所述预金属化添加剂为对应金属的金属盐；锂离子电池时，对应金属的金属盐阳离子为Li+，阴离子为Br-、FSI-、Cl-、I-中的一种或二种以上；正极活性物质为磷酸钒锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂、磷酸氧钒锂或磷酸钛锂；钠离子电池时，对应金属的金属盐阳离子为Na+，阴离子为Br-、FSI-、Cl-、I-中的一种或二种以上；正极活性物质为钴酸钠、铁酸钠、铁锰铜酸钠、磷酸钒钠、氟磷酸钒钠、磷酸氧钒钠或磷酸钛钠；钾离子电池时，对应金属的金属盐阳离子为K+，阴离子为Br-、FSI-、Cl-、I-中的一种或二种以上；正极活性物质为五氧化二钒、亚铁氰化钾、二氧化锰、磷酸钒钾、磷酸钛钾或氟磷酸钒钾；镁离子电池时，对应金属的金属盐阳离子为Mg2+，阴离子为Br-、FSI-、Cl-、I-中的一种或二种以上；正极活性物质为钒酸镁、五氧化二钒、三氧化钼、二氧化锰、二硫化钛、二硫化钼、正硅酸铁镁或镍锰酸镁。该金属盐在首次充电过程中在正极侧发生解离，解离后的阳离子可以嵌入负极材料，弥补金属阳离子在首次充电过程中的不可逆消耗；解离后的阴离子可以与正极物质发生化学反应，不影响电池的正常充放电。所述金属盐的加入量为金属离子电池负极中的负极活性物质总质量的25％～50％，优选所述金属盐的加入量为30-40％。所述负极活性物质为天然石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、硅碳、氧化硅、红磷、氧化铁、二氧化锰、二氧化锡、四氧化三钴、五氧化二铌和磷化锡中的一种或二种以上。所述正极物质为铝箔集流体、镍箔集流体或钛箔集流体中的一种。在25℃对电池进行首次充电在0.05-0.1C倍率下，充电到3.8-4.8V后，恒压限流充电到电流降至0.002-0.0005C时截止。本专利技术的有益之处：1.拓展在金属离子电池负极的预嵌金属离子的方法2.提高金属离子电池整体的能量密度3.有效提高金属离子电池的循环寿命4.简化金属离子电池的制造工艺附图说明图1为实施例1的首次充电压-时间曲线具体实施方式实施例1：用溴化锂做预锂化添加剂的锂离子电池以双面涂覆有日本吴宇硬碳的铜箔做负极，以双面涂覆有磷酸钒锂的铝箔做正极，以celgard2325做隔膜，卷绕成软包装电池。在其中加入锂离子电池电解液，电解液中的溶剂为体积比碳酸乙烯酯：碳酸丙烯酯：碳酸二甲酯＝1：1：1组成的混合溶剂，锂盐为六氟磷酸锂，锂盐的浓度为1.0摩尔，预锂化添加剂为溴化锂，溴化锂的加入量与负极片上硬碳的重量比为3：1。将电解液的整体灌入电池内部。将电池真空封装后，保留气袋。在0.1C的倍率下，在25℃下，对电池进行充电，充电到4.8V后，恒压限流充电至电流降至0.001C时截止。实施例2：用溴化钠做预锂化添加剂的钠离子电池以双面涂覆有日本吴宇硬碳的铜箔做负极，以双面涂覆有磷酸钒锂的铝箔做正极，以celgard2325做隔膜，卷绕成软包装电池。在其中加入钠离子电池电解液，电解液中的溶剂为碳酸乙烯酯：碳酸丙烯酯：碳酸二甲酯＝1：1：1组成的混合溶剂，钠盐为六氟磷酸钠，钠盐的浓度为1.0摩尔，预锂化添加剂为溴化钠，溴化钠的加入量与负极片上硬碳的重量比为3：1。将电解液的整体灌入电池内部。将电池真空封装后，保留气袋。在0.1C的倍率下，对电池进行充电，充电到3.8V后，恒压限流充电至电流降至0.001C时截止。实施例3：用溴化镁做预镁化添加剂的镁离子电池以双面涂覆有日本吴宇硬碳的铜箔做负极，以双面涂覆有钒酸镁的铝箔做正极，以celgard2325做隔膜，卷绕成软包装电池。在其中加入镁离子电池电解液，电解液中的溶剂为碳酸乙烯酯：碳酸丙烯酯：碳酸二甲酯＝1：1：1组成的混合溶剂，镁盐为双三氟甲基磺酰亚胺镁，镁盐的浓度为1.0摩尔，预镁化添加剂为溴化镁，溴化镁的加入量与负极片上硬碳的重量比为3：1。将电解液的整体灌入电池内部。将电池真空封装后，保留气袋。在0.1C的倍率下，对电池进行充电，充电到3.7V后，恒压限流充电至电流降至0.001C时截止。实施例4：用双氟磺酰亚胺锂做预锂化添加剂的锂离子电池以双面涂覆有日本吴宇硬碳的铜箔做负极，以双面涂覆有磷酸钒锂的铝箔做正极，以celgard2325做隔膜，卷绕成软包装电池。在其中加入锂离子电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属离子电池负极预金属化的方法，其特征在于：/n金属离子电池的电解液中含有预金属化添加剂，所述预金属化添加剂为对应金属的金属盐；/n锂离子电池时，对应金属的金属盐阳离子为Li

【技术特征摘要】
1.一种金属离子电池负极预金属化的方法，其特征在于：
金属离子电池的电解液中含有预金属化添加剂，所述预金属化添加剂为对应金属的金属盐；
锂离子电池时，对应金属的金属盐阳离子为Li+，阴离子为Br-、FSI-、Cl-、I-中的一种或二种以上；正极活性物质为磷酸钒锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、镍锰酸锂、磷酸氧钒锂或磷酸钛锂；
钠离子电池时，对应金属的金属盐阳离子为Na+，阴离子为Br-、FSI-、Cl-、I-中的一种或二种以上；正极活性物质为钴酸钠、铁酸钠、铁锰铜酸钠、磷酸钒钠、氟磷酸钒钠、磷酸氧钒钠或磷酸钛钠；
钾离子电池时，对应金属的金属盐阳离子为K+，阴离子为Br-、FSI-、Cl-、I-中的一种或二种以上；正极活性物质为五氧化二钒、亚铁氰化钾、二氧化锰、磷酸钒钾、磷酸钛钾或氟磷酸钒钾；
镁离子电池时，对应金属的金属盐阳离子为Mg2+，阴离子为Br-、FSI-、Cl-、I-中的一种或二种以上；正极活性物质为钒酸镁、五氧化二钒、三氧化钼、二氧化锰、二硫化钛、二硫化钼、正硅酸铁镁或镍锰酸镁。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪章，宋子晗，李先锋，张华民，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21