锂离子电池重复单元、锂离子电池及其使用方法、电池模组和汽车技术

本公开涉及一种锂离子电池重复单元、锂离子电池及其使用方法、电池模组和汽车，重复单元包括按照层叠方向依次层叠设置的正极、第一隔膜和负极，负极包括在充电时彼此无电接触的第一负极和第二负极；第一负极包括活性材料层、导体层和绝缘层，导体层含有无机多孔导电材料，绝缘层含有第一无机化合物；负极中，活性材料层、导体层、绝缘层、第二负极、绝缘层、导体层和活性材料层按照所述层叠方向依次层叠设置。本公开的锂离子电池的能量密度较高，且能够克服现有电池中锂枝晶导致的安全问题。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池重复单元、锂离子电池及其使用方法、电池模组和汽车
本公开涉及电池领域，具体地，涉及一种锂离子电池重复单元、锂离子电池及其使用方法、电池模组和汽车。
技术介绍
目前市场应用各种电池一般有两种类型：一是以燃料流液电池或液流电池为代表的将储能活性物质与提供化学反应场所的电堆分离的能量转换器件；二是以正极、隔膜、负极均匀叠片或卷绕形成，活性物质分布在正极和负极形成存储能量和功率为整体的能量转换器件。而锂离子电池就属于典型的第二种类型，其正极、隔膜、负极三者均匀相向排列。其中正极包括正极集流体和正极材料，正极材料又可分为正极活性物质材料、正极电子导电添加剂材料和正极离子导电材料；隔膜包括两部分，即电子阻隔部分和离子导通部分；负极与正极类似，包括负极集流体和负极材料，负极材料又可分为负极活性物质材料、负极电子导电添加剂材料和负极离子导电材料。传统的锂离子电池的正极材料和负极材料的化学组成和结构几乎都是均一的，也有少量使用混合材料，但即使是使用混合材料，在电池内部同一时间、同一区域离子和电子的浓度基本一致，目的是为了确保电化学反应及功率等参数的平稳性。为了提升能量密度，就必须尽可能地提高电池中正极活性物质材料的电压和容量，负极活性物质材料则需要尽可能地降低电压和提高容量。目前传统商用负极活性物质材料一般是石墨，包括天然石墨和人造石墨，这两者的平均电压(vs.Li)都是0.15V。理论容量都是372mAh/g。因此为了寻找更低电压和更高容量的负极活性物质材料，世界范围内进行了大量的科学研究。锂金属就是其中最有潜力的一个材料，其电压是目前所有化学物质中最低的；其理论容量达到3860mAh/g，10倍于石墨负极材料。但是金属锂迟迟无法得到应用，最大的问题在于其在循环过程中，形成大量枝晶，直至整个锂金属平面层全部转化为枝晶形态。这种枝晶形态会产生两个严重的问题：一是穿刺透过隔膜，将正负极连接起来，造成短路，引起严重的安全事故；二是枝晶由于其表面积巨大，生成时即与电解质发生原位化学反应，在其表面形成一层电子绝缘薄膜，这种薄膜造成了这些晶体之间相互电子绝缘，只要根系一旦断裂，整条枝晶即变成了电子绝缘体，失去电化学活性，表现为电池容量随循环不断快速降低。三是枝晶极其蓬松，需要挤占大量空间，从而造成电池体积膨胀，电池循环性能迅速衰减。
技术实现思路
本公开的目的是提供一种锂离子电池重复单元、锂离子电池及其使用方法、电池模组和汽车，以解决现有技术中电池能量密度低的问题、锂枝晶导致的安全问题以及电池在高温环境中安全性问题、自放电问题和电解液消耗问题。为了实现上述目的，本公开第一方面：所述重复单元包括按照层叠方向依次层叠设置的正极、第一隔膜和负极，所述负极包括在充电时彼此无电接触的第一负极和第二负极；所述第一负极包括活性材料层、导体层和绝缘层，所述导体层含有无机多孔导电材料，所述绝缘层含有第一无机化合物；所述负极中，所述活性材料层、所述导体层、所述绝缘层、所述第二负极、所述绝缘层、所述导体层和所述活性材料层按照所述层叠方向依次层叠设置。可选地，所述无机多孔导电材料为多孔金属材料、多孔碳材料和多孔氧化物材料中的一种或几种。可选地，所述多孔金属材料为金属网或泡沫金属；所述多孔金属材料为铜、镍、镁、铝、锰、铁、钛和锌中的一种或几种；所述多孔碳材料为多孔碳球、多孔碳纤维、多孔碳纳米管和多孔碳布中的一种或几种；所述多孔氧化物材料为金属氧化物或经掺杂改性的所述金属氧化物；所述金属氧化物选自氧化铟、氧化锡、氧化铟锡、二氧化钌、氧化锌和氧化银中的至少一种，经掺杂改性的所述金属氧化物中的掺杂元素为碳、硼、磷、氮、硫、硒、氯、碘和氟中的至少一种。可选地，所述第一无机化合物为氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化镁、氧化锂、氧化硅、氧化钴、氧化镍、氧化锌、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锶、氧化钡和氧化钼中的一种或几种。可选地，所述无机多孔导电材料的孔中填充有液态电解质。可选地，所述液态电解质为锂盐的酯溶液、醚溶液和砜溶液中的一种或几种；所述锂盐包括LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiSiF6、LiB(C6H5)4、LiCl、LiBr、LiAlCl4、LiC(SO2CF3)3、LiCH3SO3、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2C2F5)2中的一种或几种。可选地，所述导体层与所述活性材料层接触的表面涂覆有碳涂层，所述碳涂层的碳材料为石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯和碳纤维中的一种或几种，所述碳涂层的厚度为0.1～10μm。可选地，所述第二负极为形成有导电突起的非导电体、实心金属体和具有多孔结构的金属体中的一种或几种；所述具有多孔结构的金属体为金属网、泡沫金属和具有表面孔隙的金属体中的至少一种。可选地，所述第二负极涂覆有锂涂层，以单位表面积的所述第二负极为基准，所述锂涂层的用量为0.026～2.6mg/cm2。可选地，所述具有表面孔隙的金属体包括沿所述层叠方向依次设置的第一多孔部、实心金属部和第二多孔部，所述第一多孔部和第二多孔部分别具有沿所述层叠方向延伸的通孔。可选地，所述第一多孔部的所述通孔的孔径沿所述层叠方向渐张，所述第二多孔部的所述通孔的孔径沿所述层叠方向渐缩；优选地，所述通孔中填充有锂。可选地，所述第二负极与所述绝缘层之间还包括第二无机化合物层，所述第二无机化合物层含有氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化镁、氧化锂、氧化硅、氧化钴、氧化镍、氧化锌、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锶、氧化钡和氧化钼中的一种或几种。可选地，所述活性材料层的材料为天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳、钛酸锂、氧化铁、磷酸钛锂、二氧化钛、硅、氧化亚硅、铝、锡和锑中的一种或几种。本公开第二方面：提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括一个或多个本公开第一方面提供的锂离子电池重复单元。可选地，相邻的所述重复单元间设置有第二隔膜。本公开第三方面：提供一种本公开第二方面提供的锂离子电池的使用方法，该方法包括以下步骤：充电时，先向所述第二负极充电到电池容量达到Y，然后切换向所述第一负极充电到电池容量达到Y+X。本公开第四方面：提供一种电池模组，所述电池模组包括本公开第三方面提供的锂离子电池。本公开第五方面：提供一种汽车，所述汽车包括本公开第四方面提供的电池模组。通过上述技术方案，本公开能够实现如下有益效果：第一、通过设置第一负极和第二负极，使得金属锂可在第二负极处进行储电，整个负极体系的能量得到大幅提升，进而使得锂离子电池的能量密度相比传统结构电池大幅提升。第二、由于控制第一负极和第二负极的容量设定值，使得充电时生成的金属锂的量仅填充集中在绝缘层与第二负极之间，不会发生锂枝晶穿刺，克服了传统电池结构中的短路风险。第三、使用无机化合物充当电子绝缘材料，其高温性能好，在高温下不会发生融化和收缩，防止短路及由短路引起的安全事故；此外还可以消耗电解液中的HF，减少电池自放电，极大提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池重复单元，其特征在于，所述重复单元包括按照层叠方向依次层叠设置的正极(3)、第一隔膜(4)和负极，所述负极包括在充电时彼此无电接触的第一负极(1)和第二负极(2)；所述第一负极(1)包括活性材料层(11)、导体层(12)和绝缘层(13)，所述导体层(12)含有无机多孔导电材料，所述绝缘层(13)含有第一无机化合物；所述负极中，所述活性材料层(11)、所述导体层(12)、所述绝缘层(13)、所述第二负极(2)、所述绝缘层(13)、所述导体层(12)和所述活性材料层(11)按照所述层叠方向依次层叠设置。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池重复单元，其特征在于，所述重复单元包括按照层叠方向依次层叠设置的正极(3)、第一隔膜(4)和负极，所述负极包括在充电时彼此无电接触的第一负极(1)和第二负极(2)；所述第一负极(1)包括活性材料层(11)、导体层(12)和绝缘层(13)，所述导体层(12)含有无机多孔导电材料，所述绝缘层(13)含有第一无机化合物；所述负极中，所述活性材料层(11)、所述导体层(12)、所述绝缘层(13)、所述第二负极(2)、所述绝缘层(13)、所述导体层(12)和所述活性材料层(11)按照所述层叠方向依次层叠设置。


2.根据权利要求1所述的重复单元，其中，所述无机多孔导电材料为多孔金属材料、多孔碳材料和多孔氧化物材料中的一种或几种。


3.根据权利要求2所述的重复单元，其中，所述多孔金属材料为金属网或泡沫金属；所述多孔金属材料为铜、镍、镁、铝、锰、铁、钛和锌中的一种或几种；
所述多孔碳材料为多孔碳球、多孔碳纤维、多孔碳纳米管和多孔碳布中的一种或几种；
所述多孔氧化物材料为金属氧化物或经掺杂改性的所述金属氧化物；所述金属氧化物选自氧化铟、氧化锡、氧化铟锡、二氧化钌、氧化锌和氧化银中的至少一种，经掺杂改性的所述金属氧化物中的掺杂元素为碳、硼、磷、氮、硫、硒、氯、碘和氟中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的重复单元，其中，所述第一无机化合物为氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化镁、氧化锂、氧化硅、氧化钴、氧化镍、氧化锌、氧化镓、氧化锗、氧化钇、氧化锶、氧化钡和氧化钼中的一种或几种。


5.根据权利要求1所述的重复单元，其中，所述无机多孔导电材料的孔中填充有液态电解质。


6.根据权利要求5所述的重复单元，其中，所述液态电解质为锂盐的酯溶液、醚溶液和砜溶液中的一种或几种；
所述锂盐包括LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiSiF6、LiB(C6H5)4、LiCl、LiBr、LiAlCl4、LiC(SO2CF3)3、LiCH3SO3、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2C2F5)2中的一种或几种。


7.根据权利要求1所述的重复单元，其中，所述导体层(12)与所述活性材料层(11)接触的表面涂覆有碳涂层，所述碳涂层的碳材料为石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯和碳纤维中的一种或几种，所述碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世彩，王蒙，甘永青，江正福，焦晓朋，
申请(专利权)人：比亚迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44