一种锂镁复合负极及其制备方法及制备的锂硫电池、全固态电池技术

本发明专利技术涉及二次电池技术领域，公开一种锂镁复合负极及其制备方法及制备的锂硫电池、全固态电池，包括金属锂、金属镁和辅助金属元素，所述金属锂的含量为50～65wt％，所述金属镁的含量为35～50wt％，所述辅助金属元素的含量为0.01～15wt％；所述辅助金属元素包括Cu、Al、Zn、Fe、Ni、Zr或Y中的一种或任意几种的组合。本发明专利技术的有益效果在于：本发明专利技术锂镁复合负极具有良好的塑性加工成型性，厚度薄、密度低，提高了电池的体积能量密度和重量能量密度；且在充放电过程中，锂金属被持续还原出来，不断的补充损失的活性锂，在保证安全的前提下能够极大的延长电池循环寿命，提高容量保持率；将其应用于锂硫电池和全固态金属电池中，不需要额外的集流体，大大的减轻了电池重量。大大的减轻了电池重量。大大的减轻了电池重量。

【技术实现步骤摘要】
一种锂镁复合负极及其制备方法及制备的锂硫电池、全固态电池


[0001]本专利技术涉及二次电池
，尤其涉及一种锂镁复合负极及其制备方法及制备的锂硫电池、全固态电池。

技术介绍

[0002]自从实现商业化应用以来，锂离子电池逐渐被广泛应用于手机、数码相机和笔记本电脑等便携式电子设备中。近年来，锂离子电池能量密度的不断提高和其制造成本的不断下降，推动了其在无人飞机、电动单车、电动汽车和储能等领域的应用。随着不可再生化石能源的日益耗尽，燃油汽车逐步向电动汽车转型成为了未来发展趋势。目前，电动汽车的续航里程是人们关注的焦点，为了实现更长的单次续航里程，需要动力电池具有更高的能量密度(>400Wh/kg)。现有的液态锂离子电池很难满足这一要求，而具有更高能量密度的锂硫电池和全固态电池有望实现这一目标。
[0003]传统的锂离子电池负极主要由石墨负极活性材料和铜箔集流体组成，石墨活性材料的理论放电容量只有360mAh/g，铜箔的密度高达8.9g/cm3，密度高、质量重，这些都限制了传统锂离子电池的能量密度。金属锂的理论比容量高达3860mAh/g，且具有极低的电极电位和密度，有望在高能量密度锂硫电池和全固态电池中得到广泛应用。
[0004]电池在充放电过程中的活性锂损失会造成电池容量的不但衰减，是影响电池循环寿命的主要因素之一。目前解决这一问题的主流方法是采用负极预锂化技术，负极预锂化技术提供的额外锂源能够极大提升锂离子电池的循环寿命，主要有锂粉补锂和锂箔补锂这两种。锂粉补锂能够直接应用于现有的电池制造工艺，但金属锂粉的化学性质活泼，带来了很高的安全隐患。锂箔补锂的方法补锂效率较高，在补锂前期安全性高、无副反应，但在补锂后期，锂箔会逐步粉化形成锂粉中，这极有可能会引起电池的爆炸；而且锂金属的机械加工性能较差，加工困难，通常需要通过压延的方式复合在金属铜箔上。
[0005]目前，公布号为CN107819104A的中国专利技术专利公开了一种锂铜复合负极箔片的制备方法，通过间隔式局部压力增强的方法将锂金属箔片均匀粘附在铜箔表面上，构成锂铜复合负极箔片，但是这会增加锂负极的密度，降低电池的能量密度。公布号为CN110085804A的中国专利技术专利报道了一种超轻质复合负极，其在多孔聚合物膜上设置有真空镀层或储锂涂层来形成轻质复合负极，但是多孔聚合物的导电性较差，会增大电池内阻，进而降低电池的倍率性能。公布号为CN 106784770 A的中国专利技术专利公开了一种高镁含量的锂镁合金负极，并将其应用于锂硫电池，但该锂镁合金负极厚度过大，过量的锂金属在电池中无法使用，增加了电池的生产成本，同时还降低了电池的能量密度和安全性。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于如何提供一种锂镁复合负极，其具有较好的成形性能，能够轧制至较薄，同时含有较高的锂元素，能够为电池提供高的比容量，解决了现有
技术中电池的能量密度低、安全性差的问题。
[0007]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
[0008]本专利技术第一方面提出一种锂镁复合负极，包括金属锂、金属镁和辅助金属元素，所述金属锂的含量为50～65wt％，所述金属镁的含量为35～50wt％，所述辅助金属元素的含量为0.01～15wt％；所述辅助金属元素包括Cu、Al、Zn、Fe、Ni、Zr或Y中的一种或任意几种的组合。
[0009]有益效果：本专利技术将锂、镁与辅助金属元素复合，得到合金材料因晶粒细化，表现出良好的塑性加工成型性，能够轧制至超薄的锂镁合金，将其作为负极可提供适量的锂，有效地提高了电池的体积能量密度和重量能量密度；同时锂镁合金材料能够用轧延、冲压等技术大量生产，解决了锂金属加工困难的问题，支持规模化生产。
[0010]本专利技术中的锂镁复合负极在锂离子电池充放电过程中，由于锂的还原电位低，锂镁合金中的锂金属能被持续还原出来，持续不断的补充损失的活性锂，在保证安全的前提下能够极大的延长电池循环寿命，提高容量保持率。
[0011]优选的，所述锂镁复合负极的厚度为10～200μm。
[0012]优选的，所述锂镁复合负极的密度为0.6～1.5g/cm3。
[0013]优选的，所述锂镁复合负极的室温延伸率为10～30％。
[0014]优选的，所述锂镁复合负极的电导率为5
×
106～18
×
106S/m。
[0015]优选的，所述锂镁复合负极的粗糙度Ra为0.09～0.5μm，Rz为0.8～3μm。
[0016]本专利技术第二方面提出一种上述锂镁复合负极的制备方法，包括以下步骤：
[0017](1)按锂镁合金比例称取计算好的金属锂、金属镁和辅助金属备用；
[0018](2)在真空熔炼炉中先倒入金属锂，按照5～15℃/min升温至220～230℃后开始机械搅拌；待金属锂全部熔化后，将金属镁加入真空熔炼炉中，并按照5～15℃/min的升温速度升至350～600℃，持续搅拌0.5～10h；
[0019](3)待锂镁合金全部熔融后，添加辅助金属，并持续搅拌2.5～3.5h；
[0020](4)待所有金属全部熔融且混合均匀后，在惰性气体保护下浇筑成铸锭，并在300～500℃下静置2～10h做均匀化处理；
[0021](5)在惰性气体保护下，将均匀化处理后的铸锭在150～280℃下进行多次轧制，获得厚度为10～200μm的锂镁复合负极箔材。
[0022]本专利技术第三方面提出一种上述锂镁复合负极制成的锂硫电池。
[0023]优选的，所述锂硫电池包括锂镁复合负极、硫正极、隔膜、电解液，所述硫正极包括硫碳复合物、CNT导电浆料、PVDF和涂碳铝箔，且所述硫碳复合物、CNT导电浆料、PVDF的质量比为70：25：5，所述硫碳复合物中单质硫和石墨烯的质量比为70：30。
[0024]本专利技术第四方面提出一种上述锂镁复合负极制成的全固态电池。
[0025]优选的，所述全固态电池包括锂镁复合负极、正极、电解质膜，所述正极包括质量比为70：27：3的三元正极、固态电解质粉、导电剂。
[0026]有益效果：本专利技术的锂镁复合负极能够直接应用于锂硫电池和全固态金属电池中，不需要额外的集流体，大大的减轻了电池重量，同等条件下采用锂镁复合负极的电池能量密度能提升明显；同时，该负极还具有较好的电化学性能及抗氧化性能。
[0027]本专利技术的优点在于：
[0028]1.本专利技术将锂、镁与辅助金属元素复合，得到合金材料因晶粒细化，表现出良好的塑性加工成型性，能够轧制至超薄的锂镁合金，将其作为负极可提供适量的锂，有效地提高了电池的体积能量密度和重量能量密度；同时锂镁合金材料能够用轧延、冲压等技术大量生产，解决了锂金属加工困难等问题，支持规模化生产；
[0029]2.本专利技术中的锂镁复合负极在锂离子电池充放电过程中，由于锂的还原电位低，锂镁合金中的锂金属能被持续还原出来，持续不断的补充损失的活性锂，在保证安全的前提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂镁复合负极，其特征在于：包括金属锂、金属镁和辅助金属元素，所述金属锂的含量为50～65wt％，所述金属镁的含量为35～50wt％，所述辅助金属元素的含量为0.01～15wt％；所述辅助金属元素包括Cu、Al、Zn、Fe、Ni、Zr或Y中的一种或任意几种的组合。2.根据权利要求1所述的一种锂镁复合负极，其特征在于：所述锂镁复合负极的厚度为10～200μm。3.根据权利要求1所述的一种锂镁复合负极，其特征在于：所述锂镁复合负极的密度为0.6～1.5g/cm3。4.根据权利要求1所述的一种锂镁复合负极，其特征在于：所述锂镁复合负极的室温延伸率为10～30％、电导率为5
×
106～18
×
106S/m。5.根据权利要求1所述的一种锂镁复合负极，其特征在于：所述锂镁复合负极的粗糙度Ra为0.09～0.5μm，Rz为0.8～3μm。6.一种如权利要求1
‑
5任一项所述锂镁复合负极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)按锂镁合金比例称取计算好的金属锂、金属镁和辅助金属备用；(2)在真空熔炼炉中先倒入金属锂，按照5～15℃/min升温至220～230℃后开始机械搅拌；待金属锂全部熔化后，将金属镁加入...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐豪，蔡毅，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：