锂金属电池及其制备方法、包含锂金属电池的装置和负极极片制造方法及图纸

本申请公开了一种锂金属电池及其制备方法、包含锂金属电池的装置和负极极片。锂金属电池包括正极极片、负极极片和电解质，所述正极极片包括正极集流体和设置于正极集流体至少一个表面且包括正极活性材料的正极活性物质层，其中，所述负极极片包括：高分子材料基层；锂基金属层，直接结合于高分子材料基层的至少一个表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂金属电池及其制备方法、包含锂金属电池的装置和负极极片
本申请属于二次电池
，具体涉及一种锂金属电池及其制备方法、包含锂金属电池的装置和负极极片。
技术介绍
二次电池主要依靠活性离子在正极和负极之间的往复移动来进行可逆的充电、放电。其具有工作性能可靠，以及无污染、无记忆效应等优点，因而被广泛应用。随着二次电池的应用范围越来越广泛，对其能量密度提出了更高的要求。金属锂具有极高的理论比容量(3860mAh/g)、最低的还原电势(-3.04Vvs标准氢电极)以及低密度(0.534g/cm3)的优点，因此有望成为下一代高能量密度二次电池的优选负极活性材料。然而，在实际研究中发现，锂金属负极的应用面临着较多困难而难以实现广泛应用。
技术实现思路
本专利技术人发现，由于金属锂质地较软，并且在电池循环过程中不断沉积、剥离，容易产生各种缺陷，甚至破损等问题，因此常常将金属锂与铜箔金属集流体复合后作为负极极片使用，但是锂离子在该锂金属负极表面不规则沉积，容易引发不可控的锂枝晶生长，锂枝晶容易引发电池内部短路，带来安全隐患。另外，金属集流体的重量较高，因而还不利地影响了金属锂改善电池能量密度作用的发挥。本专利技术人进行了大量研究，旨在提供一种重量减轻且能改善锂金属电池安全性能的负极极片，从而获得能具有较高的重量能量密度和较好的安全性能的锂金属电池。本申请的第一方面提供一种锂金属电池，其包括正极极片、负极极片和电解质，正极极片包括正极集流体和设置于正极集流体至少一个表面且包括正极活性材料的正极活性物质层，其中，负极极片包括：高分子材料基层；锂基金属层，直接结合于高分子材料基层的至少一个表面。本申请第二方面提供一种锂金属电池的制备方法，其包括将高分子材料基材和锂基金属片经层压复合制备负极极片的步骤。本申请第三方面提供一种装置，其包括根据本申请第一方面的锂金属电池和/或根据本申请第二方面的制备方法制备得到的锂金属电池。本申请第四方面提供一种负极极片，其包括：高分子材料基层；锂基金属层，直接结合于高分子材料基层的至少一个表面。令人惊讶的发现，本申请通过将锂基金属层直接结合于高分子材料基层，不仅能通过高分子材料基层对锂基金属层起到良好的支撑和保护作用，而且能减轻负极极片的重量，并且还能降低电池发生内短路的风险、或者在电池内短路时增大短路电阻或切断导电通路，从而能提高锂金属电池的重量能量密度和安全性能。更优选地，电池还能具有较高的循环性能。本申请的装置包括本申请提供的锂金属电池，因而至少具有与锂金属电池相同的优势。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。图1是负极极片的一实施方式的示意图。图2是锂金属电池的一实施方式的示意图。图3是图2的分解图。图4是电池模块的一实施方式的示意图。图5是电池包的一实施方式的示意图。图6是图5的分解图。图7是锂金属电池用作电源的装置的一实施方式的示意图。其中，附图标记说明如下：1、电池包；2、上箱体；3、下箱体；4、电池模块；5、锂金属电池；51、壳体；52、电极组件；53、盖板；10、高分子材料基层；20、锂基金属层。具体实施方式为了使本申请的专利技术目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本申请进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本申请，并非为了限定本申请。为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或几种”中“几种”的含义是两种或两种以上。本申请的上述
技术实现思路
并不意欲描述本申请中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。锂金属电池本申请的实施方式提供一种能具有较高的能量密度和较好的安全性能的锂金属电池。锂金属电池包括正极极片、负极极片和电解质。在电池充放电过程中，锂离子在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出。电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。[负极极片]负极极片包括高分子材料基层以及直接结合于高分子材料基层的至少一个表面的锂基金属层。其中，锂基金属层既为能脱/嵌锂离子的负极活性物质层，又起到导电和集流的作用。上述“直接结合”指的是锂基金属层与高分子材料基层实体地接触式结合。高分子材料基层与锂基金属层之间通过层间相互作用形成牢固地结合。层间相互作用可包括高分子材料与金属之间的物理相互作用(如静电力、范德华力)和化学相互作用(如配位键)中的一种或几种。本申请的负极极片中，高分子材料基层能起到支撑和保护锂基金属层的作用。并且由于高分子材料基层比例如铜箔等金属集流体的密度明显减小，由此能显著减轻负极极片的重量，从而有利于提高锂金属电池的重量能量密度。令人惊奇地发现，通过将锂基金属层直接结合于高分子材料基层，还使电池的安全性能得到提高。这是因为，一方面，相较于金属锂与金属集流体的复合结构来说，锂基金属层直接结合于高分子材料基层避免了金属集流体中的金属元素(如Al等)与锂形成致使锂不均匀沉积的锂合金(锂铝合金)，或在由于锂对于金属不同晶面的沉积取向导致的沉积不均(如锂金属对Cu(100)和(010)面的选择性)，由此能缓解锂枝晶生长或锂金属粉化的问题，从而能降低电池发生内短路的风险，提高电池的安全性能。另一方面，锂基金属层直接结合于高分子材料基层，当电池发生内短路时，高分子材料基层能够在内短路产生的高温环境下熔融，熔融的高分子材料包覆锂基金属层，能够增大短路电阻，减小短路电流及减少短路产热，甚至切断内短路的导电通路，由此能提高电池的安全性能。或者，当电池发生穿钉等异常情况时，由于高分子材料基层的延展率、电阻率较锂基金属层的延展率、电阻率大，且锂基金属层与高分子材料基层直接结合，由此高分子材料基层产生的毛刺可以很好地包裹锂基金属层的毛刺，同样能够增大短路电阻，甚至切断穿钉局部的导电通路。这样，穿钉造成的损坏局限于刺穿位点，形成点断路，从而使得电池能够在一定时间内正常工作。在一些实施例中，高分子材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂金属电池，包括正极极片、负极极片和电解质，所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体至少一个表面且包括正极活性材料的正极活性物质层，其中，所述负极极片包括：/n高分子材料基层；/n锂基金属层，直接结合于所述高分子材料基层的至少一个表面。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种锂金属电池，包括正极极片、负极极片和电解质，所述正极极片包括正极集流体和设置于所述正极集流体至少一个表面且包括正极活性材料的正极活性物质层，其中，所述负极极片包括：
高分子材料基层；
锂基金属层，直接结合于所述高分子材料基层的至少一个表面。


2.根据权利要求1所述的锂金属电池，其中，
所述高分子材料基层的厚度为3μm～20μm，优选为5μm～10μm；和/或，
所述锂基金属层的厚度为3μm～60μm，优选为3μm～40μm，更优选为3μm～20μm。


3.根据权利要求1或2所述的锂金属电池，其中，所述高分子材料基层还满足以下(1)～(6)中的一个或几个：
(1)所述高分子材料基层的拉伸强度为50MPa～500MPa，优选为200MPa～500MPa；
(2)所述高分子材料基层的耐穿刺强度≥1kN/mm，优选为2kN/mm～50kN/mm；
(3)所述高分子材料基层的断裂延伸率≥0.5％，优选为≥1％，更优选为≥1.6％；
(4)所述高分子材料基层所含高分子材料的熔点为100℃～300℃，优选为150℃～250℃，更优选为180℃～220℃；
(5)所述高分子材料基层所含高分子材料的热分解温度为250℃～550℃，优选为300℃～400℃，更优选为330℃～370℃；
(6)所述高分子材料基层所含高分子材料的重均分子量为1万～200万，优选为10万～100万。


4.根据权利要求1至3任一项所述的锂金属电池，其中，所述高分子材料基层包含聚烯烃、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、以上物质的共聚物中的一种或几种，优选包含聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、以上物质的共聚物中的一种或几种。


5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李谦，刘成勇，郭永胜，付佳玮，胡波兵，程萌，
申请(专利权)人：宁德时代新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35