專利名稱：金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池，具體地說涉及一種金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極。
背景技術(shù)：
目前生產(chǎn)用的鋰離子負(fù)極材料一般為石墨球。雖然研究開發(fā)了很多非石墨負(fù)極材料，但工作原理相同，即插鋰/脫鋰，具有代表性的是錫基、硅基、鋁鋰合金等材料。在這些負(fù)極材料中，石墨的鋰離子傳輸效率最高，但容量低；其它材料容量高，但鋰離子傳輸效率較低。然而，即使是石墨球，由于其插鋰/脫鋰的工作方式，對(duì)鋰離子傳輸仍然有阻礙，即大電流性能仍然有限。金屬鋰有極高的容量(質(zhì)量比容量是石墨理論值的10倍多)和極高的鋰離子傳輸效率(鋰離子直接長(zhǎng)在鋰晶粒外部，傳輸無任何阻力)、無衰退等優(yōu)點(diǎn)，但多次循環(huán)后，會(huì)形成較長(zhǎng)的枝晶，可刺穿離子膜(聚氯乙烯夾聚乙烯)，使電池內(nèi)部短路，造成安全隱患。雖然有人用石墨球與金屬鋰顆粒混合做負(fù)極，與Li033V0266及無鋰氧化物、硫化物等正極材料相配和。但在這種情形下，金屬鋰仍然會(huì)長(zhǎng)成較長(zhǎng)枝晶刺穿離子膜。而且由于金屬鋰不僅化學(xué)性質(zhì)極活潑，在粉化處理過程中極易發(fā)生氧化，使金屬鋰失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述背景技術(shù)存在的不足，提出一種能夠防止離子膜被鋰枝晶刺穿，更加充分地發(fā)揮金屬鋰電化學(xué)優(yōu)勢(shì)性能的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于采用金屬鋰作為鋰離子電池負(fù)極核心材料，在金屬鋰與離子膜相對(duì)的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長(zhǎng)大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，在阻隔層中設(shè)有能導(dǎo)通電解液的孔洞。這種阻隔層能夠阻止鋰枝晶朝阻隔層方向長(zhǎng)大，從而保護(hù)阻隔層背面的離子膜，避免被鋰枝晶刺穿。阻隔層中的孔洞可引導(dǎo)電解液流向金屬鋰，保證電化學(xué)過程不受影響。優(yōu)選地，所述阻隔層為帶孔薄片。進(jìn)一步說，所述帶孔薄片的孔洞直徑為10-100微米。優(yōu)選地，所述帶孔薄片的孔洞中填充粉體材料，粉體材料顆粒之間有貫通的微孔或縫隙，形成彎曲孔洞，既導(dǎo)通電解液，又防止鋰枝晶穿過阻隔層，然后刺穿離子膜。進(jìn)一步說，所述粉體材料顆粒的粒徑小于阻隔層孔洞直徑的三分之一。優(yōu)選地，所述阻隔層為帶孔薄片，其長(zhǎng)寬尺寸大于金屬鋰長(zhǎng)寬尺寸，金屬鋰兩面被阻隔層夾在中間，兩面阻隔層的邊緣相連，與金屬鋰一起，組成一整體負(fù)極結(jié)構(gòu)。較佳地，所述阻隔層的厚度為5-100微米。優(yōu)選地，所述阻隔層為薄片，表面的長(zhǎng)寬尺寸大于金屬鋰表面長(zhǎng)寬尺寸，用兩片阻隔層包住金屬鋰，兩片阻隔層邊緣相連，所述阻隔層的孔洞是在與金屬鋰與阻隔層組合后一起在沖孔機(jī)上沖孔加工而成。較佳地，所述阻隔層的厚度為10-100微米。
優(yōu)選地，利用厚度大于20微米、目數(shù)大于400目的網(wǎng)，作為阻隔層，兩片阻隔層夾住金屬鋰片，構(gòu)成負(fù)極。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)1)金屬鋰為鋰離子電池負(fù)極核心材料。2)為克服金屬鋰作為鋰離子電池負(fù)極的缺陷(枝晶刺穿離子膜、造成短路)，采用在金屬鋰外包覆阻隔鋰枝晶長(zhǎng)大的阻隔層，阻隔層具有阻止鋰枝晶朝阻隔層方向長(zhǎng)大、保護(hù)其背面的離子膜不被刺穿的功能。3)阻隔層結(jié)構(gòu)中設(shè)有能夠被電解液滲透、穿過的孔洞，使金屬鋰表面被電解液浸潤(rùn)。4)能夠更加充分地發(fā)揮金屬鋰的大電流、大容量、高可逆、長(zhǎng)循環(huán)壽命等電化學(xué)優(yōu)勢(shì)性能。5)本發(fā)明所述的負(fù)極即可單面使用，也可雙面使用。單面使用為一層正極，一層負(fù)極；雙面使用為一層負(fù)極，兩層正極，可最大限度提高鋰離子電池的容量密度。


圖1是實(shí)施例1所述負(fù)極立體圖；圖2是圖1的橫截面圖；圖3是阻隔層中孔洞局部放大圖；圖4是圖3的橫截面圖；圖5是實(shí)施例2剖面圖；圖6是本發(fā)明與兩層正極配合使用狀態(tài)圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述，以便本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解。實(shí)施例1 參見圖1至圖4。本實(shí)施例涉及一種金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極， 采用片狀金屬鋰1作為鋰離子電池負(fù)極核心材料。在金屬鋰1與離子膜5之間設(shè)置阻隔層 2，阻隔層包裹金屬鋰，以阻止鋰枝晶沿垂直于阻隔層方向長(zhǎng)大。所述阻隔層2采用20 600目的銅網(wǎng)，也可以采用其他硬質(zhì)材料網(wǎng)，優(yōu)選200-500目。該網(wǎng)用碳黑或其它粉體材料加少量粘結(jié)劑和溶劑，調(diào)制成糊狀，在硬質(zhì)材料網(wǎng)上涂掛一層，滲入網(wǎng)孔(要保證每個(gè)孔都被填充)。所述粉體材料顆粒3的粒徑小于網(wǎng)孔直徑的三分之一，這樣才能使粉體材料填充到網(wǎng)孔中。將上述制成的網(wǎng)晾、烘干后，取樣檢測(cè)網(wǎng)平放于一玻璃器皿之上，在網(wǎng)上滴電解液，放置1-5小時(shí)，觀察電解液是否滲透到網(wǎng)的另一面。若滲透，則合格。最后，在干燥室內(nèi)， 用兩層這種網(wǎng)夾一層金屬鋰片材(厚度要保證兩層正極容量之需，還要多50%)，兩層網(wǎng)邊緣連接(焊接)在一起。網(wǎng)的長(zhǎng)寬尺寸大于金屬鋰片材長(zhǎng)、寬尺寸，以利于保護(hù)。實(shí)施例2 參見圖5。本實(shí)施例金屬鋰1為片狀材料，阻隔層2為銅片，銅片厚度大于10微米，其長(zhǎng)寬尺寸大于金屬鋰片材長(zhǎng)寬尺寸。用兩片銅包住金屬鋰片材，其邊緣連接在一起，然后一起在沖孔機(jī)上沖孔4，即成負(fù)極。也可以在銅片的一面濺射一層鋰后，一起在沖孔機(jī)上沖孔4，孔徑盡可能小一些。
實(shí)施例3 本實(shí)施例金屬鋰1為片狀材料，阻隔層2為大于400目的網(wǎng)，厚度大于 20微米，直接將兩層網(wǎng)包一層金屬鋰片，也可成負(fù)極。圖略。按照上述實(shí)施例制成的負(fù)極，使用時(shí)可與兩層正極6配合，參見圖6，可以充分地利用負(fù)極核心——金屬鋰片的高容量，而且在提高整個(gè)電池容量的同時(shí)，也改善了電池的大電流性能(完全取決于正極，負(fù)極沒有影響)。若正極鋰充不出或充出很少(如氧化物或硫化物)，則阻隔層與金屬鋰片可貼緊；若正極充出鋰(如錳酸鋰或磷酸亞鐵鋰)，則金屬鋰片要薄，且阻隔層與金屬鋰片間留一定間隙。阻隔鋰枝晶效果實(shí)施例1方案最佳，實(shí)施例2方案次之，實(shí)施例3方案再次之(因?yàn)橹чL(zhǎng)大填滿了網(wǎng)孔，形成了粘結(jié))。相同正極6條件下，容量提高效果實(shí)施例方案和實(shí)施例2方案的電池容量提高超過50% ；實(shí)施例3方案電池容量提高40%左右。三個(gè)實(shí)施例方案大電流性能都很佳。綜上所述，本發(fā)明能夠防止離子膜5被鋰枝晶刺穿，更加充分地發(fā)揮金屬鋰電化學(xué)優(yōu)勢(shì)性能。盡管上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做出了詳盡的描述，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還可以對(duì)其作出不偏離中心思想的修改，如采用塊狀或條狀等其他形狀的金屬鋰，這些修改都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于采用金屬鋰作為鋰離子電池負(fù)極核心材料，在金屬鋰與離子膜相對(duì)的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長(zhǎng)大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，在阻隔層中設(shè)有能導(dǎo)通電解液的孔洞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于，所述阻隔層為帶孔薄片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于，所述帶孔薄片的孔洞直徑為10-100微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于，所述帶孔薄片的孔洞中填充粉體材料，粉體材料顆粒之間有貫通的微孔或縫隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于，所述粉體材料顆粒的粒徑小于阻隔層孔洞直徑的三分之
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中至少一項(xiàng)權(quán)利要求所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極， 其特征在于，所述阻隔層為帶孔薄片，其長(zhǎng)寬尺寸大于金屬鋰長(zhǎng)寬尺寸，金屬鋰兩面被阻隔層夾在中間，兩面阻隔層的邊緣相連，與金屬鋰一起，組成一整體負(fù)極結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于，所述阻隔層的厚度為5-100微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于，所述阻隔層為薄片，表面的長(zhǎng)寬尺寸大于金屬鋰表面長(zhǎng)寬尺寸，用兩片阻隔層包住金屬鋰，兩片阻隔層邊緣相連，所述阻隔層的孔洞是在與金屬鋰與阻隔層組合后一起在沖孔機(jī)上沖孔加工而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于，所述阻隔層的厚度為10-100微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于，利用厚度大于20微米、目數(shù)大于400目的網(wǎng)，作為阻隔層，兩片阻隔層夾住金屬鋰片，構(gòu)成負(fù)極。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極，其特征在于采用金屬鋰作為鋰離子電池負(fù)極核心材料，在金屬鋰與離子膜相對(duì)的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長(zhǎng)大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，在阻隔層中設(shè)有能導(dǎo)通電解液的孔洞。本發(fā)明能夠防止離子膜被鋰枝晶刺穿，更加充分地發(fā)揮金屬鋰電化學(xué)優(yōu)勢(shì)性能。
文檔編號(hào)H01M4/134GK102263232SQ201110149479
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者楊新建, 楊毅, 賈志杰, 賈殷秋 申請(qǐng)人:武漢市弘陽科技發(fā)展有限公司