一种用于锂离子电池的铝合金负极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于锂离子电池的铝合金负极及其制备方法，所述铝合金负极通过铝锂合金和铝材料混合后3D打印制备得到，所述铝合金负极的微观金相组织呈仿生螺旋叠层结构。本发明专利技术的铝合金负极解决了解决铝箔负极因锂化体积骤变引起的首次库伦效率低、循环寿命短的问题，本发明专利技术的铝合金箔负极可提供理论上993mAh/g(1411mAh/cm3)的比容量，远高于现有石墨粉体容量水平(372mAh/g，～719mAh/cm3)，因此可显著提高现有锂离子电池的能量密度。因此可显著提高现有锂离子电池的能量密度。因此可显著提高现有锂离子电池的能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂离子电池的铝合金负极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，特别是一种用于锂离子电池的铝合金负极及其制备方法。

技术介绍

[0002]以石墨负极和锂过渡金属氧化物正极组成的传统锂离子电池对电气时代工业信息社会的可持续发展有着重大影响。尽管碳负极表现出优异的安全性和循环稳定性，但基于嵌入反应机制，其理论可逆容量仅为372mAh/g，无法满足高比能动力电池和大型储能电池的性能要求。在众多合金化机制负极中，铝(Al)箔凭借其优异的综合性能得到广泛关注。Al的密度与碳材料相当，质量/体积比容量较碳材料高2
‑
3倍，循环过程中的体积变化率97％，相比Si、Sn等材料较小，工作电压适中。而且，铝箔的生产成本低，工艺成熟，安全稳定。因此，Al箔负极展现出了更实用且更有潜力的优势。然而，与粉体负极材料相比，Al箔平面内的快速嵌锂位点极其有限，嵌锂动力学非常缓慢。同时，局部锂化引起的局部体积膨胀、应力集中，导致电极材料迅速粉化，显著影响锂离子电池的首次库伦效率、循环寿命以及综合性能，这严重阻碍了Al负极基锂离子电池实际应用的发展。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对现有技术中Al箔电极存在缺陷，而提供一种用于锂离子电池的铝合金负极。
[0004]本专利技术的另一目的，提供一种所述的铝合金负极的制备方法。
[0005]本专利技术的另一目的，提供一种基于所述铝合金负极的锂电池。
[0006]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：/>[0007]一种用于锂离子电池的铝合金负极，所述铝合金负极通过铝锂合金和铝材料混合后3D打印制备得到，所述铝合金负极的微观金相组织呈仿生螺旋叠层结构。
[0008]在上述技术方案中，所述铝锂合金的体积占比为1％
‑
50％。
[0009]在上述技术方案中，所述铝材料为纯铝或者铝合金，所述铝合金为铝硅合金、铝锡合金和/或铝铋合金。
[0010]在上述技术方案中，所述铝锂合金中的锂元素的质量占比为4％
‑
50％。
[0011]在上述技术方案中，所述铝合金电极的宏观结构为致密的箔结构或者具有孔隙阵列的三维结构；所述铝合金电极的厚度为50
‑
200μm。
[0012]在上述技术方案中，采用所述铝合金负极的首次库伦效率不低于90％。
[0013]本专利技术的另一方面，提供一种所述的铝合金负极的制备方法，采用选区激光熔化成形技术，包括以下步骤：
[0014]步骤1，按照3D打印设备软件的要求进行建模、模型输入处理；
[0015]步骤2，建立打印模型；
[0016]步骤3，以铝锂合金粉和铝材料粉为原料，按照预定的打印参数并根据模型进行打
印得到所述铝合金负极。
[0017]在上述技术方案中，所述预定的打印参数包括激光功率、扫描速度扫描间距和扫描策略，所述激光功率为100
‑
500W，所述扫描速度为500
‑
5000mm/s，所述扫描间距为30
‑
100μm，所述扫描策略为每扫描一次按预定的转角递进扫描。
[0018]优选的，所述转角大于0
°
且小于90
°
。
[0019]在上述技术方案中，所述打印模型为致密的箔结构或者具有孔隙阵列的三维结构。
[0020]本专利技术的另一方面，提供一种锂离子电池，包括所述铝合金负极。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022]1.本专利技术的铝合金负极解决了解决铝箔负极因锂化体积骤变引起的首次库伦效率低、循环寿命短的问题，本专利技术的铝合金箔负极可提供理论上993mAh/g(1411mAh/cm3)的比容量，远高于现有石墨粉体容量水平(372mAh/g，～719mAh/cm3)，因此可显著提高现有锂离子电池的能量密度。
[0023]2.本专利技术的铝合金负极的制备方法在铝材料粉体中加入的铝锂合金很好的存留在3D打印的铝合金箔中，实现了预锂化目的，可有效弥补锂离子电池循环过程中的锂损失，使首次库伦效率提升至90％。
[0024]3.本专利技术3D打印制备出的铝合金负极微观金相组织呈仿生螺旋叠层结构，这种螺旋叠层结构能够有效增强合金层各方向的各向同性，并进而提升材料的压缩强度、刚度以及韧性，有效缓解了循环锂化过程中因锂化体积骤变引起的应力集中、裂纹贯通扩展失效问题，显著提升循环锂化寿命。
[0025]4.本专利技术的制备方法采用3D打印技术适用于产业化生产，在未来高性能锂离子电池领域显示出极大的应用前景。
[0026]5.本专利技术的锂离子电池直接使用铝合金负极为锂离子电池负极，节省了电池制备过程中的材料成本。
附图说明
[0027]图1为仿生螺旋叠层结构的3D打印策略；
[0028]图2为3D打印铝
‑
锂
‑
硅合金箔的金相组织图；
[0029]图3为孔隙阵列结构铝合金箔照片；
[0030]图4为实施例1半电池循环寿命数据；
[0031]图5为对比例1半电池循环寿命数据；
[0032]图6为实施例2半电池循环寿命数据；
[0033]图7为实施例3半电池循环寿命数据；
[0034]图8为实施例1全电池循环寿命数据。
具体实施方式
[0035]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0036]实施例1
[0037]一种用于锂离子电池的铝合金负极，所述铝合金负极通过铝锂合金和铝材料混合后3D打印制备得到，具体通过以下步骤制备得到：
[0038]步骤1，按照商用3D打印设备软件的要求进行建模、模型输入处理；
[0039]步骤2，建立一种致密箔结构的打印模型，尺寸为长
×
宽＝100mm
×
100mm，如图1所示，从图1中可以看出，在打印的过程中，调控相邻加工层中扫描矢量的转角，可以实现打印铝合金箔微观结构特征具有仿生螺旋叠层结构。这种螺旋叠层结构能够有效增强合金层各方向的各向同性，并进而提升材料的压缩强度、刚度以及韧性，有效缓解了循环锂化过程中因锂化体积骤变引起的应力集中、裂纹贯通扩展失效问题，显著提升循环锂化寿命；
[0040]步骤3，以铝锂合金粉体和纯铝粉为原料，其中铝锂合金粉占体积比分数为10％，铝锂合金粉中，锂元素的质量占比为7％。激光扫描功率为120W，扫描速度1000mm/s，扫描间距50μm，扫描策略为每扫描一次按转角45
°
递进扫描，制备得到厚度为100μm的铝合金负极。
[0041]将制备出的铝合金负极铳成直径为12mm的圆片，与锂片匹配，选用1M LiPF6/EC
‑
DEC+10％FEC+1％VC为电解液，组装成扣式半电池进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电池的铝合金负极，其特征在于，所述铝合金负极通过铝锂合金和铝材料混合后3D打印制备得到，所述铝合金负极的微观金相组织呈仿生螺旋叠层结构。2.如权利要求1所述的铝合金负极，其特征在于，所述铝锂合金的体积占比为1％
‑
50％。3.如权利要求2所述的铝合金负极，其特征在于，所述铝材料为纯铝或者铝合金，所述铝合金为铝硅合金、铝锡合金和/或铝铋合金。4.如权利要求1所述的铝合金负极，其特征在于，所述铝锂合金中的锂元素的质量占比为4％
‑
50％。5.如权利要求1所述的铝合金负极，其特征在于，所述铝合金电极的宏观结构为致密的箔结构或者具有孔隙阵列的三维结构；所述铝合金电极的厚度为50
‑
200μm。6.如权利要求1所述的铝合金负极，其特征在于，采用所述铝合金负极的首次库伦效率不低于90％。7.一种如权利要求1
‑
6任意一项所述的铝合金负极的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恭凯，喻博杨，张昕，
申请(专利权)人：华星先进科学技术应用研究天津有限公司，
类型：发明
国别省市：