CN103794755A - 金属锂复合结构锂离子电池负极 - Google Patents

金属锂复合结构锂离子电池负极 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属锂复合结构锂离子电池负极，采用金属锂作为锂离子电池负极核心材料，在金属锂与锂离子电池隔膜相对的外表面包覆有阻隔锂枝晶朝阻隔层方向长大、防止刺穿锂离子电池隔膜作用的纤维薄膜材料阻隔层，该阻隔层中的微孔能使电解液透过。本发明与锂离子电池正极材料配合使用，能够有效防止隔膜被锂枝晶刺穿，更加充分地发挥金属锂电化学优势性能。在提高整个电池容量的同时，也改善了电池的大电流性能。所采用的纤维薄膜材料阻隔层质量轻、厚度薄、成本低，能够大幅度减轻负极的质量、缩小体积、降低成本。值得推广应用。

Description

金属锂复合结构锂离子电池负极
技术领域
本发明涉及锂离子电池，尤其涉及到一种锂离子电池负极。
背景技术
目前广泛使用的锂离子电池负极材料一般为石墨球。虽然研究开发了很多非石墨负极材料，但工作原理相同，即插锂/脱锂，具有代表性的是锡基、硅基、铝锂合金等材料。在这些负极材料中，石墨的锂离子传输效率相对较高，但容量低；其它材料容量较高，但锂离子传输效率较低。然而，即使是石墨球，由于其插锂/脱锂的工作方式，对锂离子传输仍然有阻碍，即大电流性能仍然有限。金属锂有极高的容量(质量比容量是石墨理论值的10倍多)和极高的锂离子传输效率(锂离子直接长在锂晶粒外部，传输无任何阻力)、无衰退等优点。但多次循环后，会形成较长的枝晶（晶体结晶本质），可刺穿锂离子电池的隔膜，使电池内部短路，造成安全隐患。虽然有人用石墨球与金属锂颗粒混合做负极，与Li033VO266及无锂氧化物、硫化物等正极材料相配合。但在这种情形下，金属锂仍然会长成较长枝晶刺穿隔膜。而且由于金属锂不仅化学性质极活泼，在粉化处理过程中极易发生氧化，使金属锂失效。
中国公开日期为2011年11月30日、公开号为CN102263232A、名称为“金属锂复合结构锂离子电池负极”的国内专利，以及公开日为2011年12月14日公开号为CN102280657A的“金属锂复合结构负极与锂盐类正极匹配的锂离子电池”，二者分别披露了与本发明同一申请人早期提出的具有防止枝晶刺穿锂离子电池的隔膜的金属锂复合结构锂离子电池负极的技术方案。上述解决方案采用铜网，或其他硬质材料网作为阻隔层用来阻隔枝晶。这样的技术方案，一方面无疑增加了锂电池的重量，降低了电池的容量重量比。另一方面，由于采用铜质材料，且冲压加工制备铜网，必然导致锂电池制作的材料成本和工艺成本上升。因此，必然严重影响这种锂电池的市场认可度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种金属锂复合结构锂离子电池负极，能够防止锂离子电池的隔膜被锂枝晶刺穿，同时克服现有技术的产品成本高的缺点。
为解决上述技术问题，本发明提出一种金属锂复合结构锂离子电池负极，采用金属锂作为锂离子电池负极核心材料，在金属锂与锂离子电池隔膜相对的外表面包覆有阻隔锂枝晶朝阻隔层方向长大、防止刺穿锂离子电池隔膜作用的纤维薄膜材料阻隔层，该阻隔层中的微孔能使电解液透过。这种阻隔层能够阻止锂枝晶朝阻隔层方向长大，防止外来锂原子堆积，从而保护阻隔层背面的锂离子电池隔膜，避免被锂枝晶刺穿。阻隔层中的微孔可引导电解液流向金属锂，保证电化学过程不受影响。
本发明所述纤维包括天然纤维如纤维素纤维、蛋白质纤维、矿物纤维，化学纤维如人造纤维、再生纤维、合成纤维、无机纤维等。
优选地，所使用的纤维必须在锂离子电池电解液，如丙烯碳酸酯PE+乙烯碳酸酯EC中保持稳定。
优选地，所述纤维薄膜材料阻隔层厚度为10-100微米。纤维薄膜材料阻隔层厚度太薄易出现垂直通孔、太厚则影响比能量指标。
进一步说，所述纤维薄膜材料阻隔层为纤维多层多向复合网状结构，纤维间的缝隙构成微孔，微孔直径为0.01-100微米，孔隙率10%-80%。
优选地，所述纤维薄膜材料阻隔层不能有垂直通孔，微孔是由多层多向复合网状结构的纤维复合而成的弯曲孔洞，既导通电解液，又防止锂枝晶穿过阻隔层，然后刺穿隔膜。
优选地，所述纤维薄膜材料阻隔层长宽尺寸大于金属锂长宽尺寸，金属锂被阻隔层从两面夹在中间，两面阻隔层的边缘相连，与金属锂一起，组成整体负极结构。
优选地，所述纤维薄膜材料阻隔层为薄片，表面的长宽尺寸大于金属锂表面长宽尺寸，用两片阻隔层包住金属锂，两片阻隔层边缘相连，然后在滚压机上滚压加工使金属锂与阻隔层紧密接触。
较佳地，可以将负极引线放置（焊接）其中一同滚压加工。
优选地，所述纤维薄膜材料上涂布一层水性乳化甲基硅油，烘干后使用。
优选地，利用厚度30-50微米、微孔直径0.01-20微米、孔隙率40%-60%、无垂直通孔的纤维素纸，涂布一层水性乳化甲基硅油，烘干后作为纤维薄膜材料阻隔层，两片阻隔层夹住金属锂片、与负极引线一同滚压加工，构成负极。
本发明具有如下特点：
1)金属锂为锂离子电池负极核心材料，充分地发挥其大电流、大容量、高可逆、长循环寿命等电化学优势性能。
2)采用在金属锂外包覆阻隔锂枝晶长大的阻隔层，阻隔层具有阻止锂枝晶朝阻隔层方向长大、保护其背面的隔膜不被刺穿的功能。
3)阻隔层采用纤维薄膜材料，直接利用纤维薄膜材料结构中的弯曲微孔能够渗透电解液的特性，使金属锂表面被电解液浸润，而无需进一步对阻隔层材料本身进行加工，简化了加工工艺，降低了生产成本。
4)纤维薄膜材料阻隔层质量轻、厚度薄、成本低，能够大幅度减轻负极的质量、缩小体积、降低成本。
5)本发明所述负极的使用可最大限度提高锂离子电池的容量密度，降低锂离子电池生产成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明具体实施方式的剖面示意图。
图2是本发明具体实施方式的俯视示意图。
具体实施方式
结合图1、图2所示，金属锂纤维薄膜复合结构锂离子电池负极，采用片状金属锂1作为锂离子电池负极核心材料。在金属锂外部设置阻隔层2，纤维薄膜材料阻隔层2包覆金属锂1，以阻止锂枝晶沿垂直于阻隔层方向长大。纤维薄膜材料阻隔层2采用厚度10-100微米的纤维素纸，该纤维素纸的优选厚度为30-50微米。该纤维素纸的孔隙率为10%-80%、优选为40-60%，微孔孔径0.01-100微米、优选为0.01-20微米。在光学显微镜下全检该纤维素纸，或采用其它方式检测，如光电信号，不能有垂直通孔。
将上述纤维素纸涂布一层水性甲基硅油3，烘干后备用，制成纸质纤维薄膜材料阻隔层2。
本发明的简要制备过程为：将负极引线6焊接在金属锂片材1边缘合适位置；在干燥室内，用两层上述纸质纤维薄膜材料阻隔层2夹一层金属锂片材1，纸质纤维薄膜材料阻隔层2长宽尺寸大于金属锂片材1长、宽尺寸；两层纸质纤维薄膜材料阻隔层2边缘连接在一起，如图1中的标记4所指示。将上述包覆好纸质纤维薄膜材料阻隔层的金属锂片用滚压机滚压，形成金属锂纤维薄膜复合结构锂离子电池负极5。
对于纤维薄膜材料阻隔层所采用的纤维薄膜，可选自包括纤维素纤维、蛋白质纤维、矿物纤维的天然纤维，或包括人造纤维、再生纤维、合成纤维、无机纤维的化学纤维。上述纤维薄膜只要为纤维多层多向复合网状结构，厚度为10-100微米，纤维间的缝隙直径为0.01-100微米，孔隙率10%-80%，且在锂离子电池电解液中保持稳定的，均可作为纤维薄膜材料阻隔层使用。这样，使本发明的可选择材料更广，更易于选出成本更低的材料。
经过试验检验表明，本发明的金属锂纤维薄膜复合结构锂离子电池负极，可与目前采用的任何锂离子电池正极材料配合使用。能够有效防止隔膜被锂枝晶刺穿，更加充分地发挥金属锂电化学优势性能。在提高整个电池容量的同时，也改善了电池的大电流性能。相同正极条件下，容量提高超过50％，并且大电流性能都很佳。纤维薄膜材料阻隔层质量轻、厚度薄、成本低，能够大幅度减轻负极的质量、缩小体积、降低成本。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种金属锂复合结构锂离子电池负极，金属锂作为锂离子电池负极核心材料，其特征在于，金属锂与锂离子电池隔膜相对的外表面包覆有纤维薄膜材料阻隔层，所述纤维薄膜材料阻隔层用于阻隔锂枝晶刺穿锂离子电池隔膜，且该纤维薄膜材料阻隔层能使电解液透过。
2.根据权利要求1所述的金属锂复合结构锂离子电池负极，其特征在于，所述纤维薄膜材料阻隔层的纤维薄膜材料选自包括纤维素纤维、蛋白质纤维、矿物纤维的天然纤维，或包括人造纤维、再生纤维、合成纤维、无机纤维的化学纤维。
3.根据权利要求2所述的金属锂复合结构锂离子电池负极，其特征在于，所使用的纤维在锂离子电池电解液中保持稳定。
4.根据权利要求1所述的金属锂复合结构锂离子电池负极，其特征在于，所述纤维薄膜材料阻隔层的厚度为10-100微米。
5.根据权利要求4所述的金属锂复合结构锂离子电池负极，其特征在于，所述纤维薄膜材料阻隔层为纤维多层多向复合网状结构，纤维间的缝隙构成微孔，所述微孔直径为0.01-100微米，孔隙率10%-80%。
6.根据权利要求5所述的金属锂复合结构锂离子电池负极，其特征在于，所述微孔是由所述多层多向复合网状结构的纤维复合而成的弯曲孔洞，而非垂直通孔。
7.根据权利要求6所述的金属锂复合结构锂离子电池负极，其特征在于，所述金属锂被纤维薄膜材料阻隔层从两面夹在中间，两面纤维薄膜材料阻隔层的边缘相连。
8.根据权利要求7所述的金属锂复合结构锂离子电池负极，其特征在于，在纤维薄膜材料阻隔层包覆金属锂之前，所述金属锂上安装有负极引线。
9.根据权利要求8所述的金属锂复合结构锂离子电池负极，其特征在于，在纤维薄膜材料阻隔层包覆金属锂前，所述纤维薄膜材料上涂布一层水性乳化甲基硅油，烘干后待用。
10.根据权利要求1至9之一所述的金属锂复合结构锂离子电池负极，其特征在于，所述纤维薄膜材料阻隔层为厚度30-50微米、微孔直径0.01-20微米、孔隙率40%-60%、无垂直通孔的纤维素纸。
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