锂电池及其制备方法、充电方法和动力车辆技术

本申请提供了一种锂电池，包括正极片、负极片及位于正极片与负极片之间的隔膜和电解液，其中，负极片的负极材料层中含有锂硅复合负极活性材料，负极材料层的表面具有保护层或者锂硅复合负极活性材料的表面具有保护层，其中，保护层包括聚合物基体和锂盐；在锂电池完全充满电的状态下，锂硅复合负极活性材料含有锂单质和锂硅合金Li

【技术实现步骤摘要】
锂电池及其制备方法、充电方法和动力车辆


[0001]本申请涉及锂电池
，具体涉及一种锂电池及其制备方法、充电方法和动力车辆。

技术介绍

[0002]锂电池已经在手机、笔记本电脑等便携式电子产品及新能源汽车等领域得到广泛应用。目前，商用的锂电池一般采用石墨作为负极活性材料，且为保证电池循环过程中锂离子在正负极中高效的脱嵌，石墨负极的有效容量一般大于正极(即，电池的N/P比一般大于1)，以防止在负极析出锂枝晶而影响循环性能，但这使得电池中负极活性材料的体积及重量占比较高，限制了锂离子电池能量密度的提高，很难超越350mAh/g，已不能满足人们日益增长的续航和待机需求。
[0003]而锂金属具有较高的理论比容量(3861mAh/g)和最负的电化学电势(
‑
3.04V，相对于标准氢电极)，被认为是下一代高能量密度电池负极材料的最佳选择。目前，有些机构采用体积占比远低于传统负极的锂金属，甚至采用无锂负极(Lithium free)，如CN201911075192.1，尽管这样可以获得高能量密度的锂电池，但所得电池的循环性能较差，阻碍了高能量密度金属锂电池的商业化进程。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请提供一种锂电池及其制备方法、充电方法和动力车辆，以解决目前金属锂电池的循环性能较差的问题。
[0005]具体地，第一方面，本申请提供了一种锂电池，包括正极片、负极片及位于所述正极片与负极片之间的隔膜和电解液，其中，所述负极片的负极材料层中含有锂硅复合负极活性材料，所述负极材料层的表面具有保护层或者所述锂硅复合负极活性材料的表面具有保护层，所述保护层包括聚合物基体和锂盐；在所述锂电池完全充满电的状态下，所述锂硅复合负极活性材料含有锂单质和锂硅合金Li
4.4
Si，且所述锂单质在所述锂硅复合负极活性材料中的摩尔占比为15％
‑
95％。
[0006]本申请第一方面提供的锂电池由于包含了上述锂硅复合负极活性材料，使得所述锂电池的能量密度高、循环寿命长、安全性能高。
[0007]第二方面，本申请还提供了一种锂电池的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将含硅基材料、导电剂和粘结剂的混合浆料涂布在负极集流体上，经干燥、辊压后，在所述负极集流体上形成硅基材料层；
[0009]在手套箱中，将锂薄膜与所述硅基材料层进行热压处理，以使所述锂薄膜的锂元素全部转移到所述硅基材料层中，并与所述硅基材料原位反应形成含锂硅复合负极活性材料的负极材料层，得到负极片；
[0010]其中，在所述硅基材料层与锂薄膜进行热压处理之前，在所述硅基材料层的表面形成保护层；或者在形成所述负极材料层之后，在所述负极材料层的表面形成保护层；所述
保护层包括聚合物基体和锂盐；
[0011]将所述负极片装配成锂电池；其中，在所述锂电池完全充满电的状态下，所述锂硅复合负极活性材料含有锂单质和锂硅合金Li
4.4
Si，且所述锂单质在所述锂硅复合负极活性材料中的摩尔占比为15％
‑
95％。
[0012]本申请第二方面所述的制备方法，工艺简单，易控制，适用于大规模的工业化制备。
[0013]第三方面，本申请还提供了前述锂电池的一种充电方法，包括以下步骤：
[0014]在需要所述锂电池发挥出长循环寿命特性的情况下，控制对所述锂电池进行充电的充电截止电压V
s
满足以下公式：
[0015]V
s
＝cV
b
+a
×
c
×
K+b
×
c
×
(dQ/dV)/(3.6
×
CA)，其中，在所述锂电池发挥出长循环寿命特性的情况下，在所述V
s
下，所述锂电池的负极不析出锂单质，且V
s
＜V
h
；
[0016]其中，V
h
为所述锂电池能耐受的充电上限电压，CA为所述锂电池以0.33C放电时的标称容量，V
b
为所述锂电池在实时充电容量下负极不析出锂单质的基准电压，K为所述锂电池在充电过程中的实时直流内阻与其出厂直流内阻的内阻增长率，dQ/dV为所述锂电池的充电电量与充电电压的实时微分值，c为所述锂电池在充电过程中的实时电芯温度的校准因子，a为所述K的校准因子，b为(dQ/dV)/CA的校准因子。
[0017]本申请第三方面提供的该充电方法，可以保证该锂电池在长寿命下的续航里程尽量长。
[0018]第四方面，本申请还提供了一种动力车辆，其电池系统包括至少一个第一电池单元，该第一电池单元包括多个如本申请第一方面所述的锂电池和第一充电控制设备。
[0019]带有该第一电池单元的动力车辆，可根据实际续航里程需要来调控对第一电池单元的各锂电池进行充电的充电截止电压。
附图说明
[0020]图1为本申请实施例提供的锂电池的一种结构示意图。
[0021]图2为本申请实施例提供的锂电池的放电曲线。
[0022]图3为本申请实施例提供的动力车辆的一种结构示意图。
[0023]图4为本申请实施例提供的动力车辆的另一种结构示意图。
具体实施方式
[0024]以下所述是本申请的示例性实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。
[0025]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行详细说明。
[0026]本申请实施例提供了一种锂电池，该锂电池的负极片中包括锂硅复合负极活性材料。本申请一些实施方式中，请参阅图1，锂电池100包括负极片10、正极片20以及位于正极片20和负极片10之间的隔膜30和电解液(未示出)。一般地，负极片10包括负极集流体11和设置在负极集流体11上的负极材料层12，负极材料层12含有锂硅复合负极活性材料，以及
可选的导电剂和粘结剂等。类似地，正极片20包括正极集流体21和设置在正极集流体21上的正极材料层22，正极材料层22含有正极活性材料，以及可选的导电剂和粘结剂等。
[0027]其中，负极材料层12的表面还带有保护层13(参见图1)，或者所述锂硅复合负极活性材料的表面带有保护层，所述保护层包括聚合物基体和锂盐。保护层可引导锂离子流，控制锂离子在负极片表面均匀沉积，有效抑制负极片10表面的锂枝晶生长及避免其刺穿隔膜引发电池内部短路，且可减少负极与电解液的副反应发生，缓解负极在循环过程中的体积膨胀，提升循环性能和安全性能。
[0028]保护层可较好抑制负极析锂造成的循环衰减和电池内部短路问题。其中，所述保护层几乎不溶于电池电解液。具体地，聚合物基体可以包括聚氧化乙烯(polyethylene oxide，PEO)、聚硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂电池，包括正极片、负极片及位于所述正极片与负极片之间的隔膜和电解液，其特征在于，所述负极片的负极材料层中含有锂硅复合负极活性材料，所述负极材料层的表面具有保护层或者所述锂硅复合负极活性材料的表面具有保护层，其中，所述保护层包括聚合物基体和锂盐；且在所述锂电池完全充满电的状态下，所述锂硅复合负极活性材料含有锂单质和锂硅合金Li
4.4
Si，且所述锂单质在所述锂硅复合负极活性材料中的摩尔占比为15％
‑
95％。2.如权利要求1所述的锂电池，其特征在于，在所述锂电池完全充满电的状态下，所述锂硅合金Li
4.4
Si在所述锂硅复合负极活性材料中的摩尔占比为5％
‑
85％。3.如权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述聚合物基体包括聚氧化乙烯、聚硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈及其衍生物和共聚物中的一种或多种；所述锂盐包括硝酸锂、硫化锂、氯化锂、溴化锂、碘化锂、氟化锂、磷酸锂中的一种或多种。4.如权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述锂电池的N/P比小于1。5.如权利要求1所述的锂电池，其特征在于，所述电解液中的溶剂包括醚类溶剂，其中，所述醚类溶剂包括未卤代醚类溶剂和氟代醚类溶剂中的至少一种。6.如权利要求1
‑
5任一项所述的锂电池，其特征在于，在所述锂电池的正极充电的SOC低于第一阈值时，所述锂硅复合负极活性材料不含有锂单质；其中，所述第一阈值为15％
‑
95％。7.一种锂电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将含硅基材料、导电剂和粘结剂的混合浆料涂布在负极集流体上，经干燥、辊压后，在所述负极集流体上形成硅基材料层；在手套箱中，将锂薄膜与所述硅基材料层进行热压处理，以使所述锂薄膜的锂元素全部转移到所述硅基材料层中，并与所述硅基材料原位反应形成含锂硅复合负极活性材料的负极材料层，得到负极片；其中，在所述硅基材料层与锂薄膜进行热压处理之前，在所述硅基材料层的表面形成保护层；或者在形成所述负极材料层之后，在所述负极材料层的表面形成保护层；所述保护层包括聚合物基体和锂盐；将所述负极片装配成锂电池；其中，在所述锂电池完全充满电的状态下，所述锂硅复合负极活性材料含有锂单质和锂硅合金Li
4.4
Si，且所述锂单质在所述锂硅复合负极活性材料中的摩尔占比为15％
‑
95％。8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述硅基材料包括硅单质、硅氧化物、硅基非锂合金及其他含硅化合物中的至少一种。9.一种如权利要求1
‑
6任一项所述的锂电池的充电方法，其特征在于，包括以下步骤：在需要所述锂电池发挥出长循环寿命特性的情况下，控制对所述锂电池进行充电的充电截止电压V
s
满足以下公式：V
s
＝cV
b
+a
×
c
×
K+b
×
c
×
(dQ/dV)/(3.6
×
CA)，其中，在所述锂电池发挥出长循环寿命特性的情况下，在所述V
s
下，所述锂电池的负极不析出锂单质，且V
s
＜V
h
；其中，V
h
为所述锂电池能耐受的充电上限电压，CA为所述锂电池以0.33C放电时的标称容量，V
b
为所述锂电池在实时充电容量下负极不析出锂单质的基准电压，K为所述锂电池在充电过程中的实时直流内阻与其出厂直流内阻的内阻增长率，dQ/dV为所述锂电池的充电
电量与充电电压的实时微分值，c为所述锂电池在充电过程中的实时电芯温度的校准因子，a为所述K的校准因子，b为(dQ/dV)/CA的校准因子。10.如权利要求9所述的锂电池的充电方法，其特征在于，当所述锂电池的充电电压达到所述V
s
时，若需要所述锂电池发挥出高能量密度特性，则对所述锂电池继续充电至所述V
h
；若不需要将所述锂电池发挥出高能量密度特性，则停止对所述锂电池充电；其中，在所述锂电池发挥出高能量密度特性的情况下，所述锂硅复合负极活性材料含有锂单质，所述锂电池的充电截止电压大于所述V
s

【专利技术属性】
技术研发人员：潘仪，马永军，郭姿珠，王良俊，孙华军，
申请(专利权)人：比亚迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：