專利名稱：金屬鋰復合結構負極與鋰鹽類正極匹配的鋰離子電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池，具體地說涉及一種金屬鋰復合結構負極與鋰鹽類正極匹配的鋰離子電池。
背景技術：
鋰鹽類正極材料，如鈷酸鋰、磷酸亞鐵鋰、錳酸鋰、鈷鎳錳酸鋰等，是當前鋰離子電池常用的正極材料，尤其是前兩者，使用量很大。然而這些正極材料容量密度都比較低，而且匹配的負極材料——石墨球的容量密度，尤其是體積容量密度更低，使得整個鋰離子電池容量比較低。有很多學者正在研究大容量的負極材料，希望借此提高整個電池的容量。其中比較典型的是錫及錫基負極材料。但是由于鋰在錫基材料中擴散效率比在石墨中擴散效率低，因此也降低了電池的大電流性能。其次，錫基材料插鋰時膨脹嚴重，降低循環(huán)壽命，尤其是采用涂覆法時，壽命很短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述背景技術存在的不足，提出一種具有大容量的金屬鋰復合結構負極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案金屬鋰復合結構負極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于1)正極采用鋰離子電池所用的常規(guī)鋰鹽正極材料制備的薄板；2)采用金屬鋰片作為鋰離子電池負極核心材料，在金屬鋰片與離子膜相對的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，在阻隔層中設有能導通電解液的孔洞。3)正極與負極重疊在一起，之間設有離子膜。優(yōu)選地，所述正極薄板是以導電耐腐蝕金屬網(wǎng)為骨架，將鋰鹽與粘結劑混均后，附著在骨架上形成的。優(yōu)選地，所述正極薄板還可以是在鋁箔上涂覆一層鋰鹽形成的。優(yōu)選地，所述負極金屬鋰片上開設有用于接收正極充出鋰的孔洞或凹槽。優(yōu)選地，所述阻隔層與負極金屬鋰片之間設有用于接收正極充出鋰的間隙。優(yōu)選地，所述負極金屬鋰片質(zhì)量要求其容量大于正極總容量30-50%，以保持電池工作中負極金屬鋰片不被消耗盡。優(yōu)選地，所述負極采用兩片阻隔層夾住金屬鋰片的結構，該負極被兩層正極夾在中間，形成一負極兩正極排列方式。在上述方案中，所述正極采用鋰離子電池所用的鋰鹽正極材料最好為錳酸鋰、鈷酸鋰或磷酸亞鐵鋰。本發(fā)明采用大容量的金屬鋰復合結構負極，這種負極的核心材料是金屬鋰，具有超大容量，采用常規(guī)鋰離子電池所用的鋰鹽(如鈷酸鋰、磷酸亞鐵鋰、錳酸鋰、鈷鎳錳酸鋰等)作為正極材料。以錳酸鋰作為正極材料的電池為例，現(xiàn)有錳酸鋰電池(石墨球負極) 工作平臺為4V(參見圖8、圖9)。本發(fā)明由于負極核心材料為金屬鋰，可以提供多余的鋰供給錳酸鋰正極，以插鋰/脫插的方式進入到錳酸鋰中。由于錳酸鋰中氧化錳固有特性，除了有4V工作平臺外，還會形成一個2. 8V的工作平臺。此平臺即為插鋰/脫插平臺(4V平臺為常規(guī)的嵌鋰/脫嵌平臺)，而且此平臺放出的能量約為4V平臺的1. 0倍左右。結果本發(fā)明使錳酸鋰正極容量增加1.0倍左右。參見圖6、圖7本發(fā)明所述金屬鋰復合結構負極可以兩面使用，即一層負極匹配兩層正極。這種負極其整體容量(主要指體積容量)密度很大；而且金屬鋰不存在插鋰/脫插過程(此過程中，鋰擴散受到材料晶格中原子作用力阻礙)，其大電流性能也達到最佳，因此可有效提高電池容量。經(jīng)申請人測試，與上述現(xiàn)有錳酸鋰電池相比，本發(fā)明所述的錳酸鋰電池容量可提高沘0%左右。以下結合附圖所示實施例詳細描述本發(fā)明，以便本領域技術人員理解。


圖1是本發(fā)明所述電池結構示意圖；圖2是本發(fā)明所述電池內(nèi)部截面示意圖；圖3是圖2的俯視解剖示意圖；圖4是本發(fā)明所述負極金屬鋰片示意圖；圖5是本發(fā)明所述負極截面圖；圖6是本發(fā)明所述錳酸鋰電池的充放電第一循環(huán)曲線圖；圖7是本發(fā)明所述錳酸鋰電池的充放電兩次循環(huán)曲線圖；圖8是現(xiàn)有錳酸鋰電池的充放電第一循環(huán)曲線圖；圖9是現(xiàn)有錳酸鋰電池的充放電兩次循環(huán)曲線圖。在圖中，1-正極，2-離子膜，3-阻隔層，4-金屬鋰，5-孔洞。
具體實施例方式實施例1 金屬鋰復合結構負極與磷酸亞鐵鋰配合的鋰離子電池參見圖1至圖5，制造要點1)負極核心材料金屬鋰4先做成薄片(0. Icm厚)，薄片面積與正極相同 (5 X 3cm)，在薄片上沖孔，孔洞5的面積占薄片總面積的70%。在金屬鋰片與離子膜相對的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層3，阻隔層為銅網(wǎng)，用碳黑加2-5%重量的粘結劑調(diào)制成糊狀，在銅網(wǎng)上涂掛一層，滲入網(wǎng)孔(要保證每個網(wǎng)孔都被填充)。阻隔層厚度為0.01cm，其長寬尺寸大于金屬鋰片長寬尺寸。兩層阻隔層包住帶孔的金屬鋰片，其邊緣連接在一起，即制成復合結構板狀負極。2)正極1采用磷酸亞鐵鋰材料制備，磷酸亞鐵鋰與4-5%重量PVDF粘結劑混均后，以鎳網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)為骨架，壓成板狀正極。板狀正極尺寸為5X3X0. 2cm ；兩層正極總容量為 500X2 = IOOOmAh03)兩層正極板之間夾一層負極板，每一塊正極板與負極板之間設有一層離子膜， 如圖1。裝入電池殼體內(nèi)，灌電解液、封裝。
本實施例所述鋰離子電池體積為5. 1X3. 1X0. 65cm,電池總容量為lOOOmAh。對比采用石墨球負極的鋰離子電池，同樣體積電池容量為650mAh左右。前者比后者增加約 54%。實施例2 金屬鋰復合結構負極與鈷酸鋰配合的鋰離子電池參見圖1至圖5，制造要點1)負極核心材料金屬鋰先做成薄片(0. 123cm厚)，面積與正極相同(5 X 3cm)，在薄片上沖孔，孔的面積占總面積的70%。在金屬鋰片與離子膜相對的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，阻隔層為銅網(wǎng)，用碳黑加2-5%重量的粘結劑調(diào)制成糊狀，在銅網(wǎng)上涂掛一層，滲入網(wǎng)孔(要保證每個網(wǎng)孔都被填充)。阻隔層厚度為0.01cm，其長寬尺寸大于金屬鋰片材長寬尺寸。兩層阻隔層包住帶孔的金屬鋰片， 其邊緣連接在一起，即制成復合結構板狀負極。2)正極采用鈷酸鋰材料制備，鈷酸鋰與4-5%重量PVDF粘結劑混均后，以鎳網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)為骨架，壓成板狀正極。板狀正極尺寸也為5X3X0. 2cm;正極容量為620X2 = 1240mAh。3)兩層正極板之間夾一層負極板，每一塊正極板與負極板之間設有一層離子膜， 裝入電池殼體內(nèi)，灌電解液、封裝。本實施例所述鋰離子電池體積為5. 1X3. 1X0. 67cm,電池總容量為1240mAh。對比采用石墨球負極的鋰離子電池，同樣體積電池容量為SOOmAh左右。前者比后者增加約 54%。實施例3 金屬鋰復合結構負極與錳酸鋰配合的鋰離子電池參見圖1至圖5，制造要點1)負極結構與實施例2基本相同，不同之處在于金屬鋰片厚0. 12cm，孔洞面積占 40%。2)正極采用錳酸鋰材料制備，錳酸鋰與4-5%重量PVDF粘結劑混均后，以鎳網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)為骨架，壓成板狀正極。板狀正極尺寸也為5 X 3 X 0. 2cm ；正極容量為600 X 2 X 2 =2400mAh。3)兩層正極板之間夾一層負極板，每一塊正極板與負極板之間設有一層離子膜， 如圖2。裝入電池殼體內(nèi)，灌電解液、封裝。本實施例所述鋰離子電池體積為5. 1X3. 1X0. 7cm,電池總容量為MOOAh。對比采用石墨球負極的鋰離子電池，同樣體積電池容量為630mAh左右。前者比后者增加約綜上所述，本發(fā)明能大幅度提高鋰離子電池容量。盡管上述實施例對本發(fā)明做出了詳盡的描述，但本領域普通技術人員還可以對其作出不偏離中心思想的修改，如采用其他鋰鹽作為正極材料，或者一層負極配一層正極，這些修改都屬于本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求書為準。
權利要求
1.金屬鋰復合結構負極與鋰鹽類正極匹配的鋰離子電池，其特征在于1)正極采用鋰離子電池所用的鋰鹽正極材料制備的薄板；2)采用金屬鋰片作為鋰離子電池負極核心材料，在金屬鋰片與離子膜相對的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，在阻隔層中設有能導通電解液的孔洞，在負極金屬鋰片上開設有孔洞，該孔洞用于容納首次充電時從正極轉移過來的鋰；3)正極與負極重疊在一起，之間設有離子膜。
2.根據(jù)權利要求1所述的金屬鋰復合結構負極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述正極薄板是以導電耐腐蝕金屬網(wǎng)為骨架，將鋰鹽與粘結劑混均后，附著在骨架上形成的。
3.根據(jù)權利要求1所述的金屬鋰復合結構負極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述正極薄板是在鋁箔上涂覆一層鋰鹽。
4.根據(jù)權利要求1所述的金屬鋰復合結構負極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述負極金屬鋰片表面開設有用于接收正極充出鋰的孔洞或凹槽。
5.根據(jù)權利要求1所述的金屬鋰復合結構負極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述阻隔層與負極金屬鋰片之間設有用于接收正極充出鋰的間隙。
6.根據(jù)權利要求1所述的金屬鋰復合結構負極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述負極金屬鋰片質(zhì)量要求其容量大于正極總容量30-50%。
7.根據(jù)權利要求1所述的金屬鋰復合結構負極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述負極采用兩片阻隔層夾住金屬鋰片的結構，該負極被兩層正極夾在中間，形成一負極兩正極排列方式。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一權利要求所述的金屬鋰復合結構負極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述正極采用鋰離子電池所用的鋰鹽正極材料為錳酸鋰、鈷酸鋰、鈷鎳錳酸鋰或磷酸亞鐵鋰。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬鋰復合結構負極與鋰鹽類正極匹配的鋰離子電池，其特征在于1)正極采用鋰離子電池所用的鋰鹽正極材料制備的薄板；2)采用金屬鋰片作為鋰離子電池負極核心材料，在金屬鋰片與離子膜相對的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，在阻隔層中設有能導通電解液的孔洞，在負極金屬鋰片上開設有孔洞，該孔洞用于容納首次充電時從正極轉移過來的鋰；3)正極與負極重疊在一起，之間設有離子膜。本發(fā)明能大幅度提高鋰離子電池容量。
文檔編號H01M4/134GK102280657SQ20111018618
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權日2011年7月5日
發(fā)明者楊新建, 楊毅, 賈志杰, 賈殷秋 申請人:武漢市弘陽科技發(fā)展有限公司