一种锂离子储能器件及其预锂化、和制备方法技术

本发明专利技术提供了一种锂离子储能器件及其预锂化、和制备方法，具体是在锂离子储能器件电芯外侧预定距离处且与极片垂直的方向上，设有一个或多个预锂化电极，随后通过预锂化电极与正极、负极进行充电或者放电的方式，使预锂化电极中的锂离子沿平行于电极片的方向通过正电极、负电极、隔膜之间的间隙进入电极内部，采用这种预锂化方法避免了传统方式预锂化方法中锂离子必须沿垂直方向穿过储能器件极片的设计方案，完全克服了正极箔材和负极箔材必须为孔箔的弊端以及由此带来的对制备效率和成品质量的不利影响，使制备过程更加简单可控，同时将该技术也可用于成品锂离子储能器件的二次补锂操作，为锂离子储能器件的再生提供帮助。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子储能器件及其预锂化、和制备方法
本专利技术属于锂离子储能器件的预锂化方法
，尤其是涉及一种适合于无孔箔制备的锂离子储能器件以及其预锂化、和制备方法。
技术介绍
新型负极材料例如硬炭材料、硅基材料、石墨烯材料通常具有比传统石墨材料更高的比容量和更好的倍率性能，是开发具有更高能量密度和功率密度锂离子储能器件的重要方向，但这些材料通常具有较低的首次效率，在实际使用过程中需要对其预锂化以使材料的性能得到充分的发挥。目前已有多种预锂化方案可供选择，其中利用含锂的第三电极通过内短路或者外电路充放电的方式对负极进行预锂化是使用较多的技术。该方法通常将含锂的第三电极放置于与电极片平行的方向上的外表面或者内部某些层间，同时为使锂离子在预嵌锂的过程中顺利穿过箔材到达其余电极表面，必须对箔材进行造孔，例如对箔材进行电化学腐蚀形成部分完全贯穿的微孔，或者采用激光以及机械冲压的方式对箔材造孔，这极大的增加了制备成本。且采用这样的方法虽然解决了负极预嵌锂的问题，但会严重的制约后续的涂布过程，在涂布第一面的时候，材料会向第二面渗漏，给涂布教程极大的困难，大大降低涂布的效率，进一步增加制造成本，同时箔材上的孔会导致箔材强度降低、导电性能下降等一系列其他问题，进而影响所制备锂离子储能器件的电化学性能。这种现象在于涂布厚度通常小于50μm甚至更低的功率型器件，以及箔材厚度小于10μm的铝箔和厚度小于6μm的铜箔更为严重，给这些锂离子储能器件的制备带来极大的困难。
技术实现思路
本专利技术为解决上述问题，提供了一种锂离子储能器件及其预锂化、和制备方法。该方法采用通过在电芯垂直于片层方向上设置第三电极——预锂化电极，并利用层间孔隙、电极和电解质自身孔隙或者锂离子在电极和电解质内部迁移的方式为锂离子传输提供通道，使预锂化电极中的锂离子沿平行于电极片的方向进入电极内部，从而可以避免传统预嵌锂方法中在电极箔材表面造孔的弊端，可用于解决不含贯通孔隙的箔材所制备的锂离子储能器件的预嵌锂过程。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种锂离子储能器件，锂离子储能器件包括电芯和设置于电芯外侧预定距离处且与电芯内正、负电极片平面垂直方向的预锂化电极，该锂离子储能器件预锂化过程通过预锂化电极与正极、负极进行充电、放电的方式完成；电芯包括正极片、负极片和位于层间的电解质或隔膜，所述正极片、隔膜或电解质、负极片交叠间隔布置；所述的电芯与预锂化电极的位置设置使得锂化过程中预锂化电极中的锂离子经由正极片、负极片、电解质或隔膜之间的层间缝隙沿平行于电极片的方向进入电极内部。进一步的，所述的预锂化电极沿其法线方向的投影与正极片、负极片的端面有重合。进一步的，所述预锂化材料是金属锂块、金属锂箔、金属锂粉、钝化锂粉、氧化锂、氮化锂、碳酸锂或草酸锂。进一步的，预锂化时，锂离子进入极片内部的方式为：锂离子主动或被动的通过正极片、负极片、或隔膜之间的层间隙或电解质、或者上述三者的内部孔隙，沿平行于电极的方向进入正极片或负极片。进一步的，预锂化时，锂离子进入极片内部的方式为：锂离子主动或者被动的在正极片、负极片、电解质或隔膜材料中的相间或相内迁移的方式，沿平行于电极方向进入正极或负极片。根据本专利技术的另一方面，还提出一种用于制备锂离子储能器件的制备方法，包括以下步骤：步骤1)将负极浆料涂布或者辊压在集流体上，制备负极片；步骤2)将正极浆料涂布或者辊压在集流体上，制备正极片；步骤3)将制备的正极片和负极片以及电解质或隔膜制备成电芯；步骤4)在电芯外侧预定距离且位于正负极片的垂直方向上，设置预锂化电极；步骤5)对储能器件进行注液；步骤6)对预锂化电极与正极、负极进行充电或者放电，实施预锂化，使得所述的锂化过程中预锂化电极中的锂离子经由正极片、负极片、电解质或隔膜之间的层间缝隙沿平行于电极片的方向进入电极内部；步骤7)对正极和负极进行充电或者放电完成化成得到锂离子储能器件。所述步骤1)或2)中，集流体中起集电作用的主体为铜、铝、镍或者对应的合金，箔材的厚度为0.1-100μm。进一步的，所述步骤4)中，电芯的垂直方向，对于叠片制备的电芯可以是电芯四个侧面的任意一侧或多侧的垂直方向；对于卷绕制备的电芯可以是电芯的极耳一侧或对侧的垂直方向，或者电芯的极耳一侧和对侧的垂直方向；进一步的，在步骤6)中，预锂化电极对正极充电或放电过程中正极得到的锂离子容量为Q1，锂化电极对负极充电或放电过程中负极得到的锂离子容量为Q2，Q1+Q2≥0。根据本专利技术的另一方面，提出一种前述的锂离子储能器件的预锂化方法，其特征在于：预锂化过程中预锂化电极中的锂离子经由正极片、负极片、电解质或隔膜之间的层间缝隙沿平行于电极片的方向进入电极内部；或者沿着正极片、负极片、电解质或隔膜自身的孔隙沿平行于电极片的方向进入电极内部；或者锂离子在正极片、负极片、电解质的内部颗粒中或颗粒间迁移的方式沿平行于电极片的方向进入电极内部。进一步地，在步骤3)中，所述电芯通过叠片、卷绕、层压、烧结中的一种或几种工艺制备；进一步地，在步骤4)中，所述预锂化电极包括预锂化材料和集流体；优选地，所述预锂化材料是金属锂块、金属锂箔、金属锂粉、钝化锂粉、氧化锂、氮化锂、碳酸锂或草酸锂。进一步地，在步骤6)中，所述地预锂化过程是将正极、负极与预锂化电极通过外电路充电(对应于氧化锂、氮化锂、碳酸锂、草酸锂等锂的化合物构成的预锂化电极)或者放电(对应于金属锂块、金属锂箔、金属锂粉、钝化锂粉等锂单质构成的预锂化电极)，使预嵌锂材料沿着平行于极片地方向进入锂离子储能器件的正极和负极，此时记进入到正极的锂离子容量为Q1，进入到负极的锂离子容量为Q2，则Q1和Q2应满足Q1+Q2≥0；进一步地，在步骤7)中，在完成化成后，记正极对负极在充电和放电过程中损失的容量为Q3，正极最终得到的锂的容量为Q正，负极最终得到的锂的容量为Q负，则Q正＝Q1-Q3；Q负＝Q2+Q3，且预锂化方案可按照以下三种设计进行：1)令Q1＝Q3＝0，此时正极完全保持不变，Q正＝0，整个预锂化过程中只对负极进行预锂化Q负＝Q2，正极完全不参与预锂化过程，此时预锂化过程相对较慢。2)令Q1＞0，Q2＞0，且Q3＜Q1，此时预锂化电极同时与正极和负极发生电化学反应，容量为Q1的锂离子先进入正极，并在正负极充电过程中失去Q3容量的锂离子，正极最终的预锂化容量Q正＝Q1-Q3＞0；于此同时，容量为Q2的锂离子直接进入负极，容量为Q3的锂离子在正负极充电过程中经由正极进入负极，Q负＝Q2+Q3。此时预锂化过程相对方案1更快，且整个过程中，正极和负极都进行了预锂化，3)令Q1＞0，Q2＞0，且Q1＝Q3，此时预锂化电极同时与正极和负极发生电化学反应，容量为Q1的锂离子先进入正极，并在正负极充电过程中全部进入负极，Q正＝0；于此同时，容量为Q2的锂离子直接进入负极，容量为Q3的锂离子在正负极充电过程中经由正极进入负极，Q负＝Q2+Q本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子储能器件，其特征在于：锂离子储能器件包括电芯和设置于电芯外侧预定距离处且与电芯内正、负电极片平面垂直方向的预锂化电极，电芯包括正极片、负极片和位于层间的电解质或隔膜，所述正极片、隔膜或电解质、负极片交叠间隔布置；/n该锂离子储能器件预锂化过程通过预锂化电极与正极、负极进行充电、放电的方式完成；所述的电芯与预锂化电极的位置设置使得锂化过程中预锂化电极中的锂离子经由正极片、负极片、电解质或隔膜之间的层间缝隙沿平行于电极片的方向进入电极内部。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子储能器件，其特征在于：锂离子储能器件包括电芯和设置于电芯外侧预定距离处且与电芯内正、负电极片平面垂直方向的预锂化电极，电芯包括正极片、负极片和位于层间的电解质或隔膜，所述正极片、隔膜或电解质、负极片交叠间隔布置；
该锂离子储能器件预锂化过程通过预锂化电极与正极、负极进行充电、放电的方式完成；所述的电芯与预锂化电极的位置设置使得锂化过程中预锂化电极中的锂离子经由正极片、负极片、电解质或隔膜之间的层间缝隙沿平行于电极片的方向进入电极内部。


2.根据权利要求1所述的锂离子储能器件，其特征在于：所述的预锂化电极沿其法线方向的投影与正极片、负极片的端面有重合。


3.根据权利要求1所述的锂离子储能器件，其特征在于：所述预锂化材料是金属锂块、金属锂箔、金属锂粉、钝化锂粉、氧化锂、氮化锂、碳酸锂或草酸锂。


4.根据权利要求1所述的锂离子储能器件，其特征在于：预锂化时，锂离子进入极片内部的方式为：锂离子主动或被动的通过正极片、负极片、或隔膜之间的层间隙或电解质、或者上述三者的内部孔隙，沿平行于电极的方向进入正极片或负极片。


5.根据权利要求1所述的锂离子储能器件，其特征在于：预锂化时，锂离子进入极片内部的方式为：锂离子主动或者被动的在正极片、负极片、电解质或隔膜材料中的相间或相内迁移的方式，沿平行于电极方向进入正极或负极片。


6.一种用于制备权利要求1-5之一的锂离子储能器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)将负极浆料涂布或者辊压在集流体上，制备负极片；
步骤2)将正极浆料涂布或者辊压在集流体上，制备正极片；
步骤3)将制备的正极...

【专利技术属性】
技术研发人员：安亚斌，马衍伟，孙现众，张熊，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11