一种磁性集流体及应用其的负极极片、锂金属电池和电子装置制造方法及图纸

一种磁性集流体及应用其的负极极片、锂金属电池和电子装置，其中所述磁性集流体，包含永磁材料层，所述永磁材料层中，永磁材料的剩磁强度为0T至2T。本申请所提供的磁性集流体，可在锂金属电池内部引入磁场，此磁场与电池施加的电场进行电磁相互作用，可加快负极和电解液界面处的锂离子传质过程，使负极表面锂离子流产生的电流密度均匀化，加快锂离子在平行于集流体方向的传质过程，使锂离子分布更均匀，进而抑制锂枝晶，提高锂金属电池的循环性能。提高锂金属电池的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种磁性集流体及应用其的负极极片、锂金属电池和电子装置


[0001]本申请涉及锂金属电池
，具体涉及一种磁性集流体及应用其的负极极片、锂金属电池和电子装置。

技术介绍

[0002]锂金属是所有金属元素中相对原子质量最小(6.94)、标准电极电位(
‑
3.045V)最低的金属，其理论克容量可达到3860mAh/g。因此，使用锂金属作为电池的负极，配合一些高能量密度的正极材料，可以大大提高电池的能量密度以及电池的工作电压。然而，如果锂金属作为负极材料的电池真正实现商业化，循环寿命和安全问题必须得到改善：1)在锂金属负极与电解液界面处，由于施加电场与锂离子流产生相互作用，形成垂直于负极表面的不均匀液体电对流，导致锂离子在垂直于集流体方向的传质比平行于集流体方向更快，这是锂枝晶结构形成的重要因素；2)锂金属电池在充电过程中，锂沉积在负极集流体表面。由于集流体亲锂性质弱，锂离子无法均匀、快速形核，导致负极/电解液界面处锂离子浓度不均匀，使得界面处电流密度分布不均匀，造成形核位点处沉积速度过快的现象，形成枝晶结构，严重限制了锂金属电池的效率、循环寿命和能量密度；3)在液态电解质体系中，锂离子的消耗速度远不及电解液中的传质速度，导致锂离子在枝晶表面堆积，形成巨大的空间电荷层和沉积势垒，阻碍锂离子在枝晶根部沉积，使锂枝晶更加尖锐。尖锐的锂枝晶可能会刺穿隔膜直接与正极接触形成短路，引发严重的安全问题。
[0003]基于上述问题，亟需寻找一种能够均匀化负极/电解液界面电流密度分布、均匀化负极表面锂离子浓度、抑制沉积锂表面空间电荷层产生是抑制锂枝晶生长的方法，以改善锂金属电池循环性能。

技术实现思路

[0004]本申请的目的在于提供一种磁性集流体，及应用该磁性集流体的负极极片、锂金属电池和电子装置，以改善锂金属电池循环性能。
[0005]本申请第一方面提供了一种磁性集流体，其包含永磁材料层，所述永磁材料层中，永磁材料的剩磁强度为0T至2T，优选地，永磁材料的剩磁强度为0.5T至1.6T。
[0006]专利技术人在研究中意外地发现，采用本申请的磁性集流体制备的锂金属电池，具有更好的循环性能，负极表面也很少生成尖锐的锂枝晶，因此电池的寿命和安全性也得到了提高。不限于任何理论，专利技术人认为，磁性集流体可在锂金属电池内部引入磁场，此磁场与电池施加的电场进行电磁相互作用，可以加快负极和电解液界面处锂离子的传质过程，使负极表面锂离子流产生的电流密度均匀化，使锂离子可以在更大范围内形核；磁性集流体可以加快锂离子在平行于集流体方向的传质过程，使锂离子分布更均匀，进而诱导锂枝晶向平行于集流体方向生长，减少尖锐的锂枝晶的生成，提高锂金属电池的循环性能、安全性能和使用寿命。
[0007]本申请对永磁材料层中磁场方向不做限定，只要能实现本申请的目的即可，示例性的，磁场方向可以垂直于集流体表面或平行于集流体表面。不限于任何理论，专利技术人认为，若磁场与电场方向平行，即磁场方向垂直于磁性集流体表面，则在负极表面形成微观磁流体对流环，促进锂离子在平行于集流体方向的传质过程，锂离子浓度分布更加均匀，由锂离子流运动产生的电流密度分布也更均匀，有利于离子在更大范围内形核沉积，抑制锂枝晶的形成；若集流体产生的磁场垂直于施加电场方向，即磁场方向平行于磁性集流体表面，电磁相互作用形成平行于集流体方向的洛伦茨力，该作用力将促进锂离子在平行集流体方向的传质，诱导沉积锂生长方向平行于集流体，有利于锂的平面沉积，从而抑制锂枝晶的形成。若磁性集流体产生的磁场既不平行也不垂直于施加电场方向，则通过磁感线分解，上述两种电磁感应作用兼而有之，同样可以改善沉积形貌，抑制锂枝晶的形成。
[0008]本申请中的“剩磁强度”是指对本申请的永磁材料施以外加磁场进行磁化，去掉外磁场后所保留的磁场强度，剩磁强度与永磁材料本身性能以及外加磁场的强度有关。
[0009]本申请的“永磁材料”具有其一般含义，又称“硬磁材料”，即指一经磁化即能保持恒定磁性的材料。
[0010]在本申请第一方面的一些实施方式中，所述磁性集流体包括所述永磁材料层，所述永磁材料层的厚度为1μm至100μm；可以理解为，本申请的永磁材料层可以直接用作所述磁性集流体，专利技术人发现，当采用本申请的永磁材料层直接用作集流体时，永磁材料层的厚度过小，则集流体容易退磁，而且强度太小，容易损坏，而厚度太大，则会明显降低电池的能量密度，因此在本申请第一方面的一些实施方式中，当采用本申请的永磁材料层直接用作集流体时，磁性集流体的厚度为1μm至100μm。
[0011]在本申请第一方面的另一些实施方式中，所述永磁材料层存在于金属集流体的至少一个表面上，可以理解为，所述磁性集流体包括金属集流体和设置在金属集流体至少一个表面上的永磁材料层。
[0012]本申请对金属集流体的种类不做限定，只要能够实现本申请的目的即可，例如可以使用本领域公知的负极集流体，例如铜箔、铝箔、铝合金箔以及复合集电体等。
[0013]本申请对金属集流体的厚度也不做限定，只要能够实现本申请的目的即可，例如可以为1μm至100μm。
[0014]专利技术人在研究中发现，永磁材料层在平面法线方向的退磁因子与永磁材料层厚度正相关，即厚度越小越容易退磁，而当永磁材料层厚度过大，则会降低电池的能量密度；因此，在本申请第一方面的一些实施方式中，当所述永磁材料层存在于金属集流体的至少一个表面上时，所述永磁材料层的厚度为0.1μm至10μm。
[0015]本申请对永磁材料的种类不做限定，只要能实现本申请的目的即可，例如可以包括稀土永磁材料、金属永磁材料或铁氧类永磁材料中的至少一种，具体地，所述稀土永磁材料包括但不限于SmCo5、Sm2Co
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、Nd
‑
Fe
‑
B、Pr
‑
Fe
‑
B、Sm
‑
Fe
‑
N中的至少一种；本申请对Nd
‑
Fe
‑
B、Pr
‑
Fe
‑
B、Sm
‑
Fe
‑
N类永磁材料的具体组成和制备方法不做限定，只要能够实现本专利技术的目的即可，示例性的，以Nd
‑
Fe
‑
B永磁材料为例，其分子式为Nd
x
M
y
Fe
100
‑
x
‑
y
‑
z
B
z
，其中x、y、z代表各对应元素的化学计量比(摩尔数)，并且20≤x≤50，0≤y≤10，0.8≤z≤1，M为La，Ce，Pr，Dy，Ga、Co、Cu、Al、Nb元素中的一种或几种；所述Nd
‑
Fe
‑
B永磁材料可以通过以下方法制备：按照分子式配制金属原料并混合熔炼，经气流磨粉碎后得到粉状Nd
‑
Fe
‑
B永磁材料。将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种磁性集流体，其包含永磁材料层，所述永磁材料层中，永磁材料的剩磁强度为0T至2T。2.根据权利要求1所述的磁性集流体，其中，所述磁性集流体包括所述永磁材料层，所述永磁材料层的厚度为1μm至100μm。3.根据权利要求1所述的磁性集流体，其中，所述永磁材料层存在于金属集流体的至少一个表面上，所述永磁材料层的厚度为0.1μm至10μm。4.根据权利要求1所述的磁性集流体，其中，所述永磁材料包括稀土永磁材料、金属永磁材料或铁氧类永磁材料中的至少一种。5.根据权利要求4所述的磁性集流体，其中，所述稀土永磁材料包括SmCo5、Sm2Co
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、Nd
‑
Fe
‑
B、Pr
‑
Fe
‑
B、Sm
‑
Fe
‑
N中的至少一种；所述金属永磁材料包括Al
‑
Ni
‑
Co、Fe
‑
Cr
‑
Co、Cu
‑
Ni
‑
Fe、Fe
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：关文浩，陈茂华，谢远森，
申请(专利权)人：宁德新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：