金属锂负极及其制备方法和二次电池技术

提供了一种金属锂负极及其制备方法和二次电池。金属锂负极包括锂集流体和附着在集流体表面上的金属锂带或锂合金带，其中所述锂集流体具有聚合物膜材位于两层锂层中间的夹心结构，其通过在聚合物膜材上下两个表面上物理气相沉积锂层而得到；所述金属锂带或锂合金带辊压复合在锂集流体的上下两个表面上。金属锂本身的导电性好，可以取代铜箔直接做集流体使用。此工艺可以批量化生产成卷的金属锂负极，可以满足高比能电池的需求。可以满足高比能电池的需求。可以满足高比能电池的需求。

【技术实现步骤摘要】
金属锂负极及其制备方法和二次电池


[0001]本专利技术涉及储能
，尤其涉及一种可用于二次电池的金属锂负极及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂电池因其能量密度高，循环寿命长和适用温度范围广的优点而被广泛应用于航空航天，计算机，移动通讯设备和电动汽车等领域。随着社会的发展，科技的进步，对于锂电池的能量密度和循环寿命要求越来越高，而目前单纯以石墨为负极的锂离子电池难以满足社会的需求，所以需要开发新型具有更高比容量的正负极材料。对于负极材料而言，由于金属锂具有高的比容量(3860mAh/g，为石墨负极的10倍)和最低的氧化还原电位(
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3.04V VS标准氢电位)，可有效提高电池比能量。
[0003]目前成型的电池中，正极材料使用磷酸铁锂、钴酸锂或者高镍三元材料，正极材料中本身已含有锂，负极使用的金属锂很少(金属锂厚度小于50um)；由于金属锂本身很软，在金属锂厚度小于50um时，如果没有支撑膜，很容易扯断粘连，所以目前使用的金属锂负极一般采用锂铜复合带，铜作为集流体的同时也起到了支撑的作用。目前二次电池中使用铜箔厚度为6
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8um，铜箔占电池总质量的13％左右，电池比能量有待进一步提高。

技术实现思路

[0004]为提高电池比能量，专利技术人经研究发现，用聚合物支撑膜代替铜箔，在其上直接复合金属锂带可以显著降低金属锂负极的比重，但是，一方面聚合物膜材与金属锂的结合力小，为获得稳固金属锂负极，需施加很大的压力，容易造成金属锂带和聚合物膜材起皱甚至断裂。例如在干燥车间，实验过在聚丙烯(PP)膜材直接压力复合金属锂带(金属锂厚度为50um)，压辊的温度为20
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45℃时，由于PP膜本身没有亲锂性，PP膜材质比较柔软，在和金属锂带/锂合金带压力复合时，需要使用很大的压力(大于10Mpa的压力)才能贴合好，大压力下PP膜和金属锂带/锂合金带已出现很多褶皱，无法实际应用。另一方面，聚合物膜材和金属锂带均为柔性物质，所形成的金属锂负极的抗拉强度不足。为此，专利技术人经进一步研究发现，在使用聚合物膜材做支撑材料时，如果在聚合物支撑膜上沉积一层超薄锂层，再复合金属锂带或锂合金带，可以显著降低复合压力，且形成的金属锂负极的抗拉强度更好。如此，完成了本专利技术。
[0005]因此，本专利技术的一个方面旨在提供一种金属锂负极，其包括锂集流体和附着在集流体表面上的金属锂带或锂合金带，其中所述锂集流体具有聚合物膜材位于两层锂层中间的夹心结构，其通过在聚合物膜材上下两个表面上物理气相沉积锂层而得到；所述金属锂带或锂合金带辊压复合在锂集流体的上下两个表面上。
[0006]不愿拘泥于任何理论，据信气相沉积的金属锂可以在聚合物膜材表面上形成结合紧密的致密金属锂层，从而提高聚合物膜材的抗拉强度，同时该致密金属锂层与金属锂带或锂合金带具有良好的亲和力，从而允许在较小的复合压力下将金属锂带或锂合金带辊压
复合在其上，形成结构稳定的金属锂负极。
[0007]可选地，聚合物膜材的厚度为3
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10um。
[0008]可选地，(气相沉积的)锂层各自的厚度为20nm
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3um，优选100nm
‑
2um，更优选0.5
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1um。
[0009]可选地，金属锂带或锂合金带的厚度为3
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100um，优选3
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50um，更优选3
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20um。
[0010]可选地，聚合物膜材包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚丙乙烯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚二甲酰苯二胺、丙烯腈
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丁二烯
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苯乙烯共聚物、芳纶、环氧树脂、聚甲醛、酚醛树脂、硅橡胶、淀粉及其衍生物、纤维素及其衍生物、蛋白质及其衍生物、聚乙二醇及其交联物、聚乙烯醇及其交联物中的至少一种。
[0011]优选聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺，或者这些材料与另一种聚合物膜材的混合物，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺含量为0.1
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100％。例如聚合物膜材是聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯两种材料混合物，聚对苯二甲酸乙二醇酯含量为1％，聚丙烯含量为99％。
[0012]优选聚合物膜层含有亲锂性官能团酯基、羰基、F元素、Cl元素、羟基、胺基、酰胺基等基团，这些基团对金属锂有一定的亲锂性，气相沉积金属锂时，由于此时金属锂以分散的原子状态沉积，活性较强，很易与聚合物材料的亲锂性官能团发生作用，从而极大地提高结合力，利于形成结合紧密的致密金属锂层，从而提高聚合物膜材的抗拉强度，随后在聚合物膜材上辊压复合金属锂时易得到金属锂负极。
[0013]可选地，锂合金是由金属锂与Ag、Al、Au、Ba、Be、Bi、C、Ca、Cd、Co、Cr、Cs、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、K、Mg、Mn、Mo、N、Na、Nb、Ni、Pt、Pu、Rb、Rh、S、Se、Si、Sn、Sr、Ta、Te、Ti、Y、V、Zn、Zr、Pb、Pd、Sb和Cu中一种或多种形成的合金。通过调节合金元素的量，可以在不改变含锂层厚度的情况下控制金属锂(有效锂)的量。锂合金中金属锂的含量通常为10
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90重量％.
[0014]本专利技术的另一个方面提供一种制备上述金属锂负极的方法，包括：
[0015]在聚合物膜材上下两个表面上物理气相沉积锂层，得到的锂集流体；
[0016]在锂集流体的上下两个表面上辊压复合金属锂带或锂合金带，得到金属锂负极。
[0017]可选地，锂层通过真空蒸镀、磁控溅射、离子镀等物理气相沉积技术来实现。
[0018]可选地，辊压复合的压力为1
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20Mpa，优选1
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10Mpa，更优选3
‑
5Mpa。
[0019]本专利技术的再一个方面提供一种二次电池，其包含上述金属锂负极，以及正极/隔膜/电解液或者正极/固态电解质。
[0020]可选地，金属锂负极可以直接做二次电池的负极使用，可以和正极/电解液/隔膜组装成液态二次电池；也可以和正极/固态电解质(含或不含电解液)组装成半固态或固态二次电池。
[0021]可选地，正极活性材料可以选自磷酸铁锂、钴酸锂、高镍三元材料(NCM镍钴锰三元或者NCA镍钴铝三元)等。
[0022]可选地，隔膜可以选自聚丙烯(PP)膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(PP/PE/PP)三层复合膜，隔膜上可以带陶瓷或PVDF(聚偏氟乙烯)涂层。
[0023]可选地，固态电解质可以选自硫化物固态电解质、氧化物固态电解质、聚合物固态
电解质(例如聚环氧乙烷、PVDF、聚丙烯腈等和锂盐组成)、硫化物固态电解质和聚合物混合电解质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属锂负极，其特征在于：所述金属锂负极包括锂集流体和附着在集流体表面上的金属锂带或锂合金带，其中所述锂集流体具有聚合物膜材位于两层锂层中间的夹心结构，其通过在聚合物膜材上下两个表面上物理气相沉积锂层而得到；所述金属锂带或锂合金带辊压复合在锂集流体的上下两个表面上。2.根据权利要求1所述的金属锂负极，其特征在于，所述聚合物膜材的厚度为3
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10um；和/或，所述锂层各自的厚度为20nm
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3um，优选100nm
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2um，更优选0.5
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2um；和/或，所述金属锂带或锂合金带的厚度为3
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100um，优选3
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50um，更优选3
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20um。3.根据权利要求1所述的金属锂负极，其特征在于，所述聚合物膜材包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚丙乙烯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚二甲酰苯二胺、丙烯腈
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丁二烯
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苯乙烯共聚物、芳纶、环氧树脂、聚甲醛、酚醛树脂、硅橡胶、淀粉及其衍生物、纤维素及其衍生物、蛋白质及其衍生物、聚乙二醇及其交联物、聚乙烯醇及其交联物中的至少一种，优选聚对苯二甲酸乙二醇酯、...

【专利技术属性】
技术研发人员：郇庆娜，孔德钰，孙兆勇，陈强，牟瀚波，
申请(专利权)人：天津中能锂业有限公司，
类型：发明
国别省市：