一种层状复合材料及其制备方法和应用、锂离子二次电池技术

本发明专利技术公开了一种层状复合材料及其制备方法和应用、锂离子二次电池，其中，层状复合材料包括铝箔，以及设于铝箔至少一侧表面的修饰层；修饰层包括自铝箔而始依次叠加的铝锂合金层、富锂层、导电碳层和陶瓷层；富锂层包括锂盐、碳纤维、导电高分子和粘结剂。本发明专利技术提供的层状复合材料有望用于制备锂离子二次电池的负极和正极，并提升锂离子二次电池的能量密度、循环寿命、倍率性能和安全性能。本发明专利技术还提供了上述层状复合材料的制备方法、应用以及包括上述层状复合材料的锂离子二次电池。括上述层状复合材料的锂离子二次电池。

【技术实现步骤摘要】
一种层状复合材料及其制备方法和应用、锂离子二次电池


[0001]本专利技术涉及二次电池材料
，尤其是涉及一种层状复合材料及其制备方法和应用、锂离子二次电池。

技术介绍

[0002]随着消费类电子、电动汽车和储能等市场规模的快速发展，人们对于高能量密度、低成本二次电池的需求日益迫切。目前，商用锂离子电池多采用石墨类负极材料，其理论比容量仅为372mAh/g，且压实密度较低，限制了锂离子电池能量密度的进一步提升。为了克服上述问题，基于Al、Sn、Si等合金化负极的锂离子电池由于具有高比能的优势，已成为高比能储能电池的研究热点。例如，铝可以和锂形成LiAl合金，理论比容量为993mAh/g，且铝导电性好，储量丰富，价格低廉。铝基复合负极材料以铝箔负极为基础——铝箔同时作为负极材料和负极集流体，具有全新的全电池反应机理：充电时，锂离子从正极材料中脱出，移动到铝箔负极表面，与铝形成铝锂合金，当放电时，锂离子从铝锂合金中移出并嵌入阴极材料中。
[0003]同时，铝箔作为负极材料和负极集流体的一体化设计，替代了传统电池中的石墨负极和铜箔集流体，有利于提高电池中活性物质的比例而且铝箔比容量大(高理论容量)，所以可以大大提高电池的能量密度，因此，以铝基复合材料做负极的锂离子二次电池和传统的石墨负极锂离子电池相比，能量密度高13％～25％，并能实现长续航。且由于省去了传统的石墨阳极和昂贵的铜箔集流体，简化了电池生产工艺，可显著降低原材料成本和生产成本，电池成本可降低10％—30％。
[0004]然而，基于铝基复合材料等合金化负极的电池体系仍未完全达到商用的需求，主要问题在于，合金化负极在合金化过程中会发生体积膨胀，导致负极片粉化破裂失去电子导电能力；同时会破坏界面SEI膜，导致不可逆容量增加，库伦效率降低，造成容量衰减，影响循环性能。
[0005]针对高容量合金化负极膨胀粉化的问题，当前采用的改性方法主要包括多孔化结构设计、表面包覆/镀层等手段。但是，一方面，合金化负极嵌锂引发的材料膨胀和粉化从材料内部晶粒产生，仅通过外表面包覆/镀层无法解决负极内部的晶粒脱落问题；另一方面，通过多孔化结构设计等手段制备多孔合金化负极，以预留更多膨胀空间，但这种方法对(体积)能量密度的损失较大，并且现有改性方法存在一定的规模化制备难度。
[0006]通常，锂离子电池的正极集流体为铝箔，但是由于电池在首周循环过程中会消耗一定的活性锂，且正极材料的导电性能较差。因此应用传统铝箔做正极集流体时，存在锂离子电池首效较低，且难以实现高倍率充放电等方面的缺点。
[0007]综上，工业上迫切需要提供一种铝基复合材料，以克服铝箔作为负极材料时易粉化的问题以及作为正极集流体时首效和高倍率充放电性能差的问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种层状复合材料，既能作为锂离子二次电池的负极，提升锂离子二次电池的能量密度和循环寿命；还可以用于制备锂离子二次电池的正极，提升锂离子二次电池的首效和高倍率充放电性能。
[0009]本专利技术还提供了上述层状复合材料的制备方法。
[0010]本专利技术还提供了上述层状复合材料的应用。
[0011]本专利技术还提供了一种包括上述层状复合材料的锂离子二次电池。
[0012]根据本专利技术第一方面的实施例，提出了一种层状复合材料，所述层状复合材料包括铝箔，以及设于所述铝箔至少一侧表面的修饰层；
[0013]所述修饰层包括自所述铝箔而始依次叠加的铝锂合金层、富锂层、导电碳层和陶瓷层；
[0014]所述富锂层包括锂盐、碳纤维、导电高分子和粘结剂。
[0015]根据本专利技术实施例的层状复合材料，至少具有如下有益效果：
[0016](1)传统铝基复合材料作为锂离子二次电池负极时，由于活性材料层的膨胀，容易导致粉化，且破坏界面，导致循环性能显著下降。
[0017]本专利技术中，当层状复合材料作为负极时(相当于提供了一种无阳极锂离子电池)：具有较高的锂离子导电性、电子导电性、柔性、机械强度，同时避免了负极活性层和电解液的直接接触，由此显著提升锂离子二次电池的首效、容量、循环寿命、倍率性能和安全可靠性。
[0018](2)传统锂离子二次电池的正极，通常采用铝箔作为集流体。但由于充放电过程中会形成界面并消耗活性锂离子，且正极活性材料的电子导电性通常较低，因此锂离子二次电池的首效和高倍率性能通常较低。
[0019]本专利技术中，当层状复合材料作为正极集流体时：相当于为正极活性材料提供了补锂层，同时提升了正极集流体的离子导电性和电子导电性。最终提升了包括所述正极集流体的锂离子二次电池的首效、倍率性能和运行稳定性。
[0020]根据本专利技术的一些实施例，所述铝箔仅有一侧表面设有所述修饰层。
[0021]根据本专利技术的一些实施例，所述铝箔的两侧表面均设有所述修饰层。可以理解的是，所述铝箔两侧的修饰层，厚度、组成可以完全一样(关于所述铝箔呈对称分布)，或不一样。
[0022]当所述层状复合材料用作二次电池电极时，电极和隔膜一起卷绕、叠放形成电芯，也就是说，层状复合材料的两侧均和电芯的其他结构接触。因此层状复合材料的两侧表面均设有修饰层时，相当于传统的极片进行了双侧涂覆，双侧均可发挥作用，更符合现阶段二次电池的制程。但是单侧设有修饰层也是可以的，具体的可以制备单层的软包电池，或者用于软包电池的最外层叠片，或者用于扣式电池的制作。
[0023]根据本专利技术的一些实施例，所述铝箔的厚度为5μm～20μm。例如具体可以是约12μm。
[0024]根据本专利技术的一些实施例，所述铝箔的材质为铝。
[0025]根据本专利技术的一些实施例，所述铝箔包括依次叠加铝层和高分子材料层；所述铝
层和所述铝锂合金层接触。
[0026]根据本专利技术的一些实施例，所述高分子材料层的材质包括PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)和PP(Polypropylene，聚丙烯)中的至少一种。
[0027]根据本专利技术的一些实施例，所述铝锂合金层的材质为Li
x
Al，其中x在1～6之间。
[0028]根据本专利技术的一些实施例，所述铝锂合金层的材质为LiAl、Li3Al2、Li2Al、Li4Al3、Li3Al、Li4Al和Li6Al中的至少一种。
[0029]根据本专利技术的一些实施例，所述铝锂合金层的厚度为0.1μm～5μm。例如具体可以是0.5～1.5μm。进一步具体的可以是约1μm。
[0030]根据本专利技术的一些实施例，所述锂盐包括硫化锂、磷化锂、氟化锂和氮化锂中的至少一种。
[0031]根据本专利技术的一些实施例，所述锂盐为氟化锂和氮化锂的混合。
[0032]其中，所述氟化锂和氮化锂的质量比为0.5～2:1。例如具体可以是约1:1。
[0033]根据本专利技术的一些实施例，所述富锂层中，所述锂盐的质量百分数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层状复合材料，其特征在于，所述层状复合材料包括铝箔，以及设于所述铝箔至少一侧表面的修饰层；所述修饰层包括自所述铝箔而始依次叠加的铝锂合金层、富锂层、导电碳层和陶瓷层；所述富锂层包括锂盐、碳纤维、导电高分子和粘结剂。2.根据权利要求1所述的层状复合材料，其特征在于，所述铝锂合金层的厚度为0.1μm～5μm。3.根据权利要求1所述的层状复合材料，其特征在于，所述锂盐包括硫化锂、磷化锂、氟化锂和氮化锂中的至少一种；优选地，所述富锂层中，所述锂盐的质量百分数为30％～90％；优选地，所述富锂层的厚度为0.1μm～5μm。4.根据权利要求1～3任一项所述的层状复合材料，其特征在于，所述导电碳层的制备原料包括碳纳米管、石墨烯、石墨炔、导电碳纤维和导电石墨中的至少一种；优选地，所述导电碳层的厚度为0.1μm～5μm。5.根据权利要求1～3任一项所述的层状复合材...

【专利技术属性】
技术研发人员：董文明，黄波，高云雷，于子龙，郑明清，项海标，
申请(专利权)人：浙江锂威能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：