CN103794800A - 锂电池集流体、极片和锂电池及其制备方法、锂电池应用 - Google Patents

锂电池集流体、极片和锂电池及其制备方法、锂电池应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂电池集流体及其制备方法、锂电池极片及其制备方法、锂电池及其制备方法和应用。该锂电池集流体，包括多孔集流体本体，在所述多孔集流体本体中还填充或/和沉积有锂源材料，所述锂源材料为锂金属或/和富锂材料。锂电池极片、锂电池中均含有该锂电池集流体。本发明锂电池集流体使得锂源材料能有效的固定在集流体本体中。含有该锂电池集流体的锂电池极片在电化学的活化中能使得锂源材料中的锂离子化，并且完全被正极层中的正极活性物质或负极层中的负极活性物质所吸收，以达到补偿在首次充/放电过程中损失掉的锂离子，从而减少不可逆容量，因此，该锂电池具有高的首次库伦效率和容量和安全性能。

Description

锂电池集流体、极片和锂电池及其制备方法、锂电池应用
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种锂电池集流体及其制备方法、锂锂电池极片及其制备方法、锂电池及其制备方法和锂电池应用。
背景技术
在众多的储能技术中，锂离子电池由于具有能量密度大、循环寿命长、重量轻、无污染等优点，被认为是下一代高效便携式化学电源。目前已经广泛的用于数码相机、智能手机、笔记本电脑等方面。随着锂离子电池能量密度的进一步提升，其应用领域扩大。
随着可移动电子设备对高容量、长寿命电池需求的日益增长，人们对锂离子电池的性能提出了更高的要求。锂离子电池容量偏低已成为制约电池工业发展的一个瓶颈。目前，商业化锂电池主要采用石墨化碳为负极材料。由于石墨的理论比容量较低（约372mAh/g），导致锂离子电池的比容量偏低；另一方面，石墨负极的嵌锂电位接近金属锂电位，在高倍率充电时锂可能在表面析出，引发安全问题。因此，开发新型的高容量和高倍率的负极材料具有很高的研究和利用价值。
锂合金作为可替代的负极材料倍受关注，特别是硅材料，由于其非常高的比容量（4200mAh/g和9786mAh/cm3）和较高的嵌锂电位（约0.4V）而成为研究热点。尽管硅具有优异的比容量，但其首次库伦效率较低，小于85%（石墨负极的首次库伦效率＞90%），因而影响其锂离子电池的容量。
为解决采用硅负极的锂离子电池首次库伦效率过低的问题，本领域常采用以下方法进行处理：
（1）“锂源”分散在极片活性材料中：首先将锂金属颗粒进行表面处理，使得锂金属更加稳定；然后将上述稳定的锂金属颗粒加入到负极或正极的浆料中混合均匀，涂布在集流体上烘干后形成正极或负极极片。这样，经过表面处理的锂金属颗粒作为“锂源”均匀分散在极片活性材料中。
如当前公开的利用该方法制备的二次电池的阳极，包括一种能够在电化学系统中吸收和解吸锂的基质材料，和在基质材料中分散的锂金属。锂金属是一种锂粉末；负极材料为碳质材料和Si、Sn及其它们的氧化物和合金等；正极材料为MnO2、V2O5、MoS2等。
该方案虽然在极片中存在稳定化锂金属颗粒，能在一定程度的提高锂离子电池首次库伦效率，但是该锂金属颗粒在首次充/放电过程中提供锂离子而完全溶解，因而在极片中形成微米孔，从而增加了极片的内阻。
（2）正极、负极和隔膜的表面配置一层“锂源”层：通常采用蒸镀等方法将锂金属沉积或使用经过稳定化处理的锂金属颗粒制成溶液涂布在正极、负极或隔膜的表面。
如当前公开的一种利用该方法制备的锂二次电池，其中正极、负极和隔板中至少有一个的表面上，通过涂布碱金属分散液，形成多孔的碱金属粉末层。碱金属为锂，粉末平均粒径为10~20μm；负极活性物质为碳质材料和Si、Sn及其氧化物或合金等；正极为锂氧化合物、硫及硫基化合物；制备方法：将碱金属粉末分散在高分子溶液中，所得浆料涂布在极片或隔膜表面。
公开的另一种电极的制造方法，包括1）在能够嵌入和脱嵌锂的电极前体上赋予锂；2）测量嵌入了锂的电极前体的电阻；3）测量嵌入了锂的电极前体的厚度（根据厚度推定电极前体的嵌锂量）。其中，电极前体至少含有SiOx（0.3≤x≤1.3）；锂赋予部产生锂的蒸汽，通过调整所述锂赋予部的锂蒸汽产生速度来调整锂的赋予速度。
公开的又一种锂二次电池，包括1）负极为Si、Sn和Al及其合金或氧化物；2）正极为过渡金属氧化物，如：MnO2、MoO3、VO2、Cr3O8等；3）在正极或负极表面的锂层；制备方法：在600℃下形成锂金属蒸汽，然后沉积在极片表面；或者将包覆稳定层的锂金属粉末分散在粘结剂非水溶液中，然后喷涂在极片表面。
但是上述这些方案中的极片或隔膜表面涂布厚度为几个微米的锂金属层，经过活化后，该锂金属层完全消耗掉，影响极片和隔膜的接触界面。
（3）配置补锂阴极：在电芯的旁边配置阴极，通过分别对电芯的正极、负极进行充电补充锂。
如当前公开的一种利用该方法制备的锂离子电池，包括1）硅基负极；2）正极；3）隔膜；4）设置在电芯侧面补锂阴极，补锂阴极活性材料为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂及钴镍锰酸锂等；通过对电池的阴、阳极进行两次补锂（第一次：在电芯活化后SOC ≈50%时；第二次：循环一周后的满放状态时），使补充的锂离子能够均匀地嵌入阴、阳极中，而不会在极片表面出现析锂现象，避免出现安全性问题。
经研究发现该方案使用补锂阴极给电芯提供锂离子，但由于补锂阴极与电芯相距较远，因而锂离子的迁移路径较长，补锂的效果不好。
由上述可知，现有极片中的锂源易在首次充/放电过程溶解，从而导致电池的容量低，影响了锂电池的应用范围。
发明内容
本发明实施例的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种含有锂源的锂电池集流体及其制备方法。
本发明实施例的另一目的在于提供一种首次库伦效率高的锂电池极片及其制备方法。
本发明实施例的又一目的在于提供一种含有该锂电池极片的锂电池及其制备方法和应用。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种锂电池集流体，包括多孔集流体本体，在所述多孔集流体本体中还填充或/和沉积有锂源材料，所述锂源材料为锂金属或/和富锂材料。
优选地，上述所述锂源材料在所述锂电池集流体中的含量如下：
当所述锂电池的正极所含的活性物质为锂源活性物质时，所述锂源材料在所述锂电池集流体中的含量不大于锂电池首次充/放电过程中所消耗的锂量；
当所述锂电池正极所含的活性物质为非锂源活性物质时，所述锂源材料在所述锂电池集流体中的含量满足S＜L≤S+I，其中，S为无锂正极的储锂容量，L为锂源的补充量；I为负极在首次充放电中所消耗的锂量。
具体地，上述富锂材料选自xLi2MnO3·(1-x)LiMO2、Li1+bNiαMnβCoγAδO2、Li2NiO2、Li7Ti5O12、Li9Ti5O12、xLi2MnO3·(1-x)LiMO2掺杂改性物、Li1+bNiαMnβCoγAδO2掺杂改性物、Li2NiO2掺杂改性物、Li7Ti5O12掺杂改性物、Li9Ti5O12掺杂改性物中的一种以上；其中，0.01≤b≤0.3，0≤α≤0.4，0.2≤β≤0.65，0≤γ≤0.46，0≤δ≤0.15，A为Mg、Sr、Ba、Cd、Zn、Al、Ga、B、Zr、Ti、Ca、Ce、Y、Nb、Cr、Fe、V、Li中的至少一种。
具体地，上述多孔集流体本体为泡沫镍、泡沫铜、泡沫铝、泡沫碳、不绣钢网、镍网、铜网或铝网。
以及，一种上述锂电池集流体的制备方法，包括如下步骤：
将所述锂源材料分散至含有粘结剂的溶剂中，配制成悬浊液；其中，锂源材料与粘结剂的质量比为1:(0.005～1:0.05)；
将所述悬浊液涂覆在所述多孔集流体本体上，再干燥处理，得到所述锂电池集流体。
优选地，上述多孔集流体本体浸渍于所述悬浊液中的过程中，所述悬浊液被吸附在多孔集流体本体上的量如上述的锂源材料在锂电池集流体中的含量。
优选地，将上述悬浊液涂覆在所述多孔集流体本体上的方式为液相浸渍、减压浸渍、减压引流法方式中的一种或者两种以上的方法结合。
进一步优选地，上述悬浊液中，所述锂源材料在悬浊液中的重量含量为0.1%~5.0%。
进一步优选地，上述粘结剂为聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯的共聚物、聚氨酯、聚丙烯酸酯中的至少一种。
以及，上述锂电池集流体的另一种制备方法，包括如下步骤：
在惰性气体或真空的环境中，将所述锂源材料气化并沉淀在所述多孔集流体本体上。
优选地，上述锂源材料在所述多孔集流体本体上沉积的量是所述锂源材料在所述锂电池集流体中的含量如上述的锂源材料在锂电池集流体中的含量。
进一步优选地，上述锂电池集流体的制备方法还包括上述锂电池集流体的第一种制备方法的步骤。
以及，一种锂电池极片，包括集流体和结合在所述集流体上的含正极活性物质的正极层或含负极活性物质的负极层，所述集流体为上述的锂电池集流体。
以及，一种锂电池极片制备方法，包括如下步骤：
将正极活性物质或负极活性物质与电极导电剂、粘接剂和溶剂混合，并配制成浆料；
将所述浆料涂覆在上述锂电池集流体上；
将所述涂覆有浆料的锂电池集流体进行干燥处理、辊压、裁剪，得到锂电池极片。
优选地，上述正极活性物质或负极活性物质与电极导电剂、粘接剂和溶剂的重量比为（88~98）：（2~5）：（2~8）：（60~90）。
具体地，上述正极活性物质为LiaNibCocMndMeO2、LiAO2、DX2、LiDS2、V2O5、LiV2O5、LiMn2O4、LiFePO4中的一种以上；其中，0.95≤a≤1.1，0≤b≤0.9，0≤c≤0.5，0≤d≤0.5；0.001≤e≤0.1，M为Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V中至少一种元素，A为Co、Ni、Mn中至少一种元素，D为Ti、Mo或Mn，X为O或S。
具体地，上述负极活性物质为碳质材料、Si、SiOx、Si合金、Si碳复合材料、Sn、SnOx、Sn合金、Sn碳复合材料中至少一种；其中，0＜x<2。
以及，一种锂电池，所述锂电池包括上述的锂电池极片。
优选地，上述锂电池为液态锂离子电池、锂全固态电池或/和锂聚合物电池。
以及，一种锂电池制备方法，包括如下步骤：
制备锂电池正极和负极，所述锂电池正极或负极由上述锂电池极片制备方法制备而成；
将所述锂电池正极、隔膜、所述锂电池负极依次层叠，制成电池电芯；
将所述电芯装入电池壳体内，再注入电解液，密封，制得锂电池。
具体地，上述隔膜为单层PE、单层PP、三层PP/PE/PP或三层PE/PP/PE。
以及，上述锂电池在移动终端产品、电动汽车、电网、通信设备和/或电动工具中的应用。
具体地，上述通信设备包括工作模块和供电模块，所述供电模块包括所述的锂电池；所述供电模块为所述工作模块提供电能，所述工作模块使用所述供电模块提供的电能运行。
上述实施例中的锂电池集流体通过填充或/和沉积的方式将锂源材料结合多孔集流体本体中，使得锂源材料能有效的固定在集流体本体中。
上述实施例中的锂电池极片由于含有上述锂电池集流体，因此，在电化学的活化中，能使得锂源材料中的锂离子化，并且完全被正极层中的正极活性物质或负极层中的负极活性物质所吸收，以达到补偿在首次充/放电过程中损失掉的锂离子，从而减少不可逆容量。另外，通过针刺实验得知，该锂电池极片安全性能好。
上述实施例中的锂电池由于含有上述锂电池极片，因此，该锂电池具有高的首次库伦效率和容量和安全性能，从而扩大了该锂电池的应用范围。
上述实施例中锂电池集流体、锂电池极片和锂电池的制备方法工艺简单，条件易控，效率高，适于工业化生产。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例锂电池集流体的一种制备方法流程图；
图2为本发明实施例锂电池集流体的另一种制备方法流程图；
图3为本发明实施例锂电池极片的制备方法流程图；
图4为本发明实施例锂电池的制备方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实例提供一种含有锂源的锂电池集流体。该锂电池集流体包括多孔集流体本体和在该多孔集流体本体中填充或/和沉积的锂源材料，其中，锂源材料为锂金属颗粒或/和富锂材料。
因此，作为本发明一实施例，在多孔集流体本体中填充有锂源材料，该锂源材料是通过粘结剂牢固的粘合在该多孔集流体本体中，包括多孔集流体本体的表面以及其孔隙中，特别是孔隙中。此时，该锂电池集流体还含有粘结剂。
作为本发明另一实施例，在多孔集流体本体中沉淀有锂源材料，具体地是将锂源材料先气化，然后将气化的锂源材料沉积在多孔集流体本体中，包括多孔集流体本体的表面以及其孔隙中，特别是孔隙中。
作为本发明再一实施例，在多孔集流体本体中同时沉积和填充有锂源材料，沉积可以采用将气化的锂源材料沉积在多孔集流体本体中，填充可以采用锂源材料是通过粘结剂牢固的粘合在该多孔集流体本体中，因此，锂源材料分布在多孔集流体本体的表面以及其孔隙中，别是孔隙中。此时，该锂电池集流体还含有粘结剂。
具体地，上述各实施例中，富锂材料优选自xLi2MnO3·(1-x)LiMO2、Li1+bNiαMnβCoγAδO2、Li2NiO2、Li7Ti5O12、Li9Ti5O12、xLi2MnO3·(1-x)LiMO2掺杂改性物、Li1+bNiαMnβCoγAδO2掺杂改性物、Li2NiO2掺杂改性物、Li7Ti5O12掺杂改性物、Li9Ti5O12掺杂改性物中的一种以上；通式中，0.01≤b≤0.3，0≤α≤0.4，0.2≤β≤0.65，0≤γ≤0.46，0≤δ≤0.15，A为Mg、Sr、Ba、Cd、Zn、Al、Ga、B、Zr、Ti、Ca、Ce、Y、Nb、Cr、Fe、V、Li中的至少一种；另外，xLi2MnO3·(1-x)LiMO2为本领域常用的富锂材料。多孔集流体本体优选为泡沫镍、泡沫铜、泡沫铝、泡沫碳、不绣钢网、镍网、铜网或铝网。当锂电池集流体含有粘结剂时，粘结剂优选为聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯的共聚物、聚氨酯、聚丙烯酸酯中的至少一种。当然，该富锂材料、多孔集流体本体、粘结剂还可用本领域常有的其他的且适合本发明的富锂材料、多孔集流体本体和粘结剂。
进一步地，作为本发明优选实施例，在多孔集流体本体中填充有锂源材料，该锂源材料为FMC公司生产的锂金属颗粒。由于FMC公司生产的锂金属颗粒表面经过处理，能有效的降低锂金属颗粒在制备过程中与溶剂反应的活性或/和与电池中的电解液反应的活性，以提高含有该锂电池集流体的电池首次库伦效率。
另外，在本发明实施例中，当锂源材料为锂金属时，该锂金属可以用钾金属（K）或钠金属（Na）替换，替换后，所得的锂电池集流体可以分别用于钾电池或钠电池中。
发明人在研究中还发现，通过调整上述实施例中锂电池集流体的锂源材料的含量能够影响含有该锂电池集流体的锂电池的安全性能，如当锂源材料的含量过多时，会在负极表面形成锂枝晶。因此，锂源材料在锂电池集流体中的含量优选为：当锂电池正极的活性物质为锂源活性物质时，上述锂源材料在锂电池集流体中的含量不大于锂电池首次充/放电过程中所消耗的锂量；当锂电池正极的活性物质为非锂源活性物质时，上述锂源材料在锂电池集流体中的含量满足S＜L≤S+I，其中，S为无锂正极的储锂容量，L为锂源的补充量；I为负极在首次充放电中所消耗的锂量。其中，锂源活性物质优选为LiaNibCocMndMeO2、LiAO2、LiDS2、LiV2O5、LiMn2O4、LiFePO4中的一种以上；非锂源活性物质优选为DX2、V2O5、？、、中的一种以上。当然，该锂源活性物质和非锂源活性物质还可以采用本领域公知的其他活性物质。
由上所述，上述实施例中的锂电池集流体的多孔集流体本体中含有锂源材料，特别是在多孔集流体本体的孔隙中填充或/和沉积有锂源材料，使得锂源材料能有效的固定在集流体本体中。
相应地，本发明实施例还提供了上述锂电池集流体的一种制备方法，该锂电池集流体制备方法工艺流程请参见图1，包括如下步骤：
S01.配制含锂源材料的悬浊液：将上文所述的锂源材料分散至含有粘结剂的溶剂中，配制成悬浊液；其中，锂源材料与粘结剂的质量比为1:(0.005～1:0.05)；
S02.将悬浊液涂覆于多孔集流体本体上：将步骤S01中配制的悬浊液涂覆在上述多孔集流体本体上，再干燥处理，得到所述锂电池集流体。
具体地，上述步骤S01中，锂源材料、粘结剂的选用种类如上文所述，为了节约篇幅，在此不再赘述。按照锂源材料、粘结剂的比例配置所形成的悬浊液中，锂源材料在悬浊液中的含量优选为0.1%～5.0%。
应当理解，在该步骤S01中，锂源材料颗粒的粒径应该小于多孔集流体本体上的孔隙的孔径。这样，能保证在下步骤S02的处理过程中，锂源材料能进入多孔集流体本体上的孔隙中，并填充在孔隙中。
上述步骤S02中，将悬浊液涂覆在所述多孔集流体本体上的方式优选为液相浸渍、减压浸渍、减压引流法方式中的一种或者两种以上的方法结合。
具体地，液相浸渍的具体方法是将多孔集流体本体没入步骤S01配制的悬浊液中，依靠液体的渗透使得锂源材料能够润湿在多孔集流体本体表面和多孔集流体本体中孔隙壁。
减压浸渍的具体方法可以参照上述液相浸渍的方法，与液相浸渍不同之处在于减压浸渍是在减压或真空的条件下进行的。这样该减压浸渍能提高浸渍溶液向多孔集流体本体中孔隙中的渗透能力，并完全的润湿多孔集流体本体中的孔隙。
减压引流法的具体方法是在多孔集流体本体相对的两面造成压力差，从而迫使浸渍溶液流过多孔集流体本体，从而实现完全润湿多孔集流体本体表面和孔隙。
不管采用上述哪种方法来浸润该多孔集流体本体，悬浊液涂覆在该多孔集流体本体上的量根据实际操作达到的效果而定。优选地，该悬浊液涂覆在该多孔集流体本体上的量优选保证如上文所述的含量：
当锂电池正极的活性物质为锂源活性物质时，上述锂源材料在锂电池集流体中的含量不大于锂电池首次充/放电过程中所消耗的锂量；当锂电池正极的活性物质为非锂源活性物质时，上述锂源材料在锂电池集流体中的含量满足S＜L≤S+I，其中，S为无锂正极的储锂容量，L为锂源的补充量；I为负极在首次充放电中所消耗的锂量。
当然，如果不考虑涂覆效率或效果，除了上述几种实现方法之外，还可以采用本领域公知的其他方法进行涂覆悬浊液。
该步骤S02中，干燥处理优选在无氧的环境中干燥，如在惰性气体保护下烘干，或真空干燥等，这样防止在干燥的过程中氧气对锂电池集流体的性能造成不利影响。当然，该干燥处理还可以是自然晾干、空气中烘干等方法。
相应地，本发明实施例进一步提供上述锂电池集流体的另一种制备方法，包括如下步骤：
步骤S03：在多孔集流体本体上沉淀锂源材料：在惰性气体或真空的环境中，将上文所述的锂源材料气化并沉淀在多孔集流体本体上。
其中，在该步骤S03中，惰性气体可选选用本领域的氩气等。锂源材料气化的设备可以采用蒸发舟。该锂源材料沉积在多孔集流体本体的量优选保证如上文所述的含量：
当锂电池正极的活性物质为锂源活性物质时，上述锂源材料在锂电池集流体中的含量不大于锂电池首次充/放电过程中所消耗的锂量；当锂电池正极的活性物质为非锂源活性物质时，上述锂源材料在锂电池集流体中的含量满足S＜L≤S+I，其中，S为无锂正极的储锂容量，L为锂源的补充量；I为负极在首次充放电中所消耗的锂量。
该锂源材料沉积在多孔集流体本体的量可以通过控制多孔集流体本体在蒸发舟中运动的速率和时间来控制。
进一步地，作为优选实施例，上述锂电池集流体的另一种制备方法还包括上文所述锂电池集流体的第一种制备方法的步骤，其工艺流程如图2所示：
步骤S04.配制含锂源材料的悬浊液：将上文所述的锂源材料分散至含有粘结剂的溶剂中，配制成悬浊液；其中，锂源材料与粘结剂的质量比为1:(0.005～1:0.05)；
步骤S05.将悬浊液涂覆于沉积有锂源材料的多孔集流体本体上：将步骤S03中配制的悬浊液涂覆在沉积有锂源材料的多孔集流体本体上，再干燥处理。
具体地，该步骤S04和S05即是在步骤S03的基础上对上述S01、S02的重复。经该步骤S04和S05处理后，使得多孔集流体本体中同时含有采用填充法和沉积法结合的锂源材料，即锂电池集流体同时含有采用填充法和沉积法结合的锂源材料。因此，该步骤S04、S05的要求如同上文所述的步骤S01、S02的要求，在此不再赘述。其中，为了使得锂源材料在锂电池集流体中的优选含量，可以调整步骤S03中气化锂材料在多孔集流体本体上沉积的含量或/和调整步骤S05中悬浊液涂覆的量，实现最终锂源材料在多孔集流体本体上结合的量。
由上所述，上述锂电池集流体的制备方法工艺简单，各工艺技术成熟，条件易控，生产效率高，降低了生产成本。
本发明进一步的提供了一种锂电池极片，包括集流体和结合在该集流体上的含正极活性物质的正极层或含负极活性物质的负极层。其中，该集流体为上文所述的锂电池集流体，为了节约篇幅，在此不再对该锂电池集流体赘述。
作为一实施例，锂电池极片为正极片，锂电池集流体中的锂源材料为正极锂源材料，如上文所述的xLi2MnO3·(1-x)LiMO2、Li1+bNiαMnβCoγAδO2、Li2NiO2、xLi2MnO3·(1-x)LiMO2掺杂改性物、Li1+bNiαMnβCoγAδO2掺杂改性物、Li2NiO2掺杂改性物中的一种以上。结合在该锂电池集流体上的正极层中的正极活性物优选为LiaNibCocMndMeO2、LiAO2、DX2、LiDS2、V2O5、LiV2O5、LiMn2O4、LiFePO4中的一种以上；其中，0.95≤a≤1.1，0≤b≤0.9，0≤c≤0.5，0≤d≤0.5；0.001≤e≤0.1，M为Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V中至少一种元素，A为Co、Ni、Mn中至少一种元素，D为Ti、Mo或Mn，X为O或S。当然，该正极活性物质还可以选用本领域公知的其他正极活性材料。
作为另一实施例，锂电池极片为负极片，锂电池集流体中的锂源材料为负极锂源材料，如上文所述的Li7Ti5O12、Li9Ti5O12、Li7Ti5O12掺杂改性物、Li9Ti5O12掺杂改性物中至少一种。结合在该锂电池集流体上的负极层中的负极活性物优选为碳质材料、Si、SiOx、Si合金、Si碳复合材料、Sn、SnOx、Sn合金、Sn碳复合材料中至少一种；其中，0＜x<2。
由上所述，上述实施例中的锂电池极片（正极片或负极片）由于含有上述锂电池集流体，因此，在电化学的活化中，能使得锂源中的锂离子化，并且完全被正极活性物质层中的正极活性物质或含负极活性物质层中的负极活性物质所吸收，以达到补偿在首次充/放电过程中损失掉的锂离子，从而减少不可逆容量。另外，通过针刺实验得知，该锂电池极片安全性能好。进一步地，通过对锂源材料的种类和含量的调整与控制，能更好的补偿在首次充/放电过程中损失掉的锂离子，并进一步提高该锂电池极片安全性能。
相应地，本发明实施例进一步的提供了上述锂电池极片的制备方法。该锂电池极片制备方法工艺流程请参见图3，其包括如下步骤：
步骤S06.配制正极或负极浆料：将正极活性物质或负极活性物质与电极导电剂、粘接剂和溶剂混合，并配制成浆料；
步骤S07.涂覆浆料于锂电池集流体上：将步骤S06配制的正极或负极浆料涂覆在上文所述的锂电池集流体上；
步骤S08.锂电池集流体的干燥、辊压和裁剪处理：将步骤S07中涂覆有浆料的锂电池集流体进行干燥处理、辊压、裁剪，得到锂电池极片。
具体地，上述步骤S06中的正极活性物质或负极活性物质与电极导电剂、粘接剂和溶剂的重量比优选为（88~98）：（2~5）：（2~8）：（60~90）。上述电极导电剂优选但不仅仅为导电碳黑（SP）、碳纳米管（CNT）；粘接剂优选但不仅仅为PVDF粘接剂；溶剂优选优选但不仅仅为N-甲基吡咯烷酮（NMP）。当然，该电极导电剂、粘接剂、溶剂还可以选用本领域常用的其他物质。正极活性物质、负极活性物质如上文所述，在此不再赘述。
上述步骤S07中涂覆浆料的方式和步骤S08对锂电池集流体进行干燥处理、辊压、裁剪的方式均可以采用本领域常用的方法即可。
该锂电池极片制备方法只需将含有上文所述的正极或负极浆料涂覆在锂电池集流体上，再经干燥、辊压、裁剪处理即可，该方法简单，条件易控，合格率和生产效率高。
本发明实例还提供了一种锂电池，该锂电池包括上文所述的锂电池极片。
作为优选实施例，该锂电池为液体锂离子电池、锂全固态电池或/和锂聚合物电池等电化学反应的化学锂电池。
这样，该锂电池由于含有上文所述的锂电池极片，提高了该锂电池的不可逆容量和安全性能。
相应地，本发明实施例进一步的提供了一种上述锂电池制备方法。该锂电池制备方法工艺流程请参见图4，其包括如下步骤：
步骤S09.制备锂电池正极和负极，其中，该锂电池正极或锂电池负极由上文所述的锂电池极片（锂电池正极片或锂电池负极片）的制备方法制备而成；
步骤S10.制备电池电芯：将步骤S09制备电池正极和负极按照锂电池正极/隔膜/锂电池负层叠方式依次层叠，制成电池电芯；
步骤S11.封装电池：将所述电芯装入电池壳体内，再注入电解液，密封，制得锂电池。
具体地，上述步骤S09中，如果电池正极为上述实施例中的锂电池极片，则负极按照本领域常规的方法制备即可。如果电池负极为上述实施例中的锂电池极片，则正极按照本领域常规的方法制备即可。步骤S10中的电池电芯的制备和步骤S11中的封装电池方法均可以按照本领域常规的方法制备即可。其中步骤S10中的电池电芯可以方形或其他根据不同锂电池需要的形状，必要时还可对电池电芯进行卷绕；步骤S11中电解液为本领域常用的电解液即可，如可以选自非水有机溶剂和锂盐。这样，该锂电池的制备方法工艺技术成熟，条件易控，合格率高。
本发明实施例进一步提供了上述锂电池的应用范围，该应用范围包括移动终端产品、电动汽车、电网、通信设备、电动工具等。如当锂电池为锂离子电池时，该锂离子电池在通信设备中的应用。具体地，该通信设备包括工作模块和供电模块。其中，供电模块为工作模块提供电能，其包括上文所述的锂离子电池，该锂离子电池可以是一个或两个以上。当供电模块包括两个以上的锂离子电池时，该锂离子电池可以根据工作模块所需电能的需要，以并联或串联或并串联接。该工作模块使用供电模块提供的电能运行。这样，正是由于该锂电池具有优异的能量密度、放电容量、循环寿命和倍率性能，从而有效扩大了其锂离子电池的应用范围。将该锂离子电池在移动终端产品、电动汽车、电网、通信设备、电动工具中的应用时，该锂离子电池能有效为移动终端产品、电动汽车、电网、通信设备、电动工具中的工作模块提供稳定且持续的电能，降低电化学电源的更换频率，提高了移动终端产品、电动汽车、电网、通信设备、电动工具的用户使用简便性。
以下通过多个实施例来举例说明上述锂电池集流体及其制备方法、锂电池极片及其制备方法和锂电池及其制备方法等方面。
实施例1
一种锂电池集流体，其制备方法为：
将3.8重量%的FMC公司的稳定化锂金属粉–stabilized lithium MetalPowder(SLMP)分散于含有0.02重量%的PVdF高分子粘结剂的NMP溶液中得到混合液，然后将泡沫铜浸渍混合液中，抽真空并浸渍10分钟，使上述混合物能够完全进入泡沫铜中，最后在氩气气体保护下烘干，得到嵌入锂源的多孔集流体，即得到所述锂电池集流体。
一种锂电池极片（锂电池负极片），其制备方法为：
将90重量%的硅碳复合材料，5重量%的PVdF，3重量%的SP和2重量%的CNT混合于NMP溶液中，制得负极活性物质浆料，将该浆料涂布在嵌入锂源的泡沫铜上，在100℃下烘干，碾压，得到该锂电池负极片。
锂二次电池的制备：
锂电池负极片制备：按照本实施例1的锂电池负极片的制备方法制备获取；
锂电池正极片制备：将94重量%的硅碳复合材料，3重量%的PVdF和3重量%的SP混合于NMP溶液中，制得正极活性物质浆料，将该浆料涂布在Al箔上，在110℃下烘干，碾压，得到该锂电池正极片。
锂二次电池的封装：将本实施例制备的锂电池正极片、锂电池负极片以及单层PE隔膜按照正极片/隔膜/负极片的层叠次序依次层叠后卷绕电池极芯，并置于电池壳体中，再注入电解液，密封，制成锂二次电池。其中，N/P比例（负极活性物质的量与正极的容量之比，按可逆容量计算）调整为1:1.05，电解液为1M的LiPF6溶于体积比为3:5:1:1的EC、DMC、DEC和FEC的混合溶剂中的溶液。
实施例2
一种锂电池集流体，其制备方法为：
将锂金属放置于真空环境下的蒸发舟内，充分加热使锂金属开始蒸发；泡沫铜置于蒸发舟上方，金属锂均匀地沉积在泡沫铜内，即得到所述锂电池集流体。
一种锂电池极片（锂电池负极片），其制备方法为：
将90重量%的硅碳复合材料，5重量%的PVdF，3重量%的SP和2重量%的CNT混合于NMP溶液中，制得负极活性物质浆料，将上述浆料涂布在嵌入锂源的泡沫铜上，在100℃下烘干，碾压，得到该锂电池负极片。
锂二次电池的制备：
锂电池负极片制备：按照本实施例2的锂电池负极片的制备方法制备获取；
锂电池正极片制备：将94重量%的硅碳复合材料，3重量%的PVdF和3重量%的SP混合于NMP溶液中，制得正极活性物质浆料，将上述浆料涂布在Al箔上，在110℃下烘干，碾压；
锂二次电池的封装：将本实施例制备的锂电池正极片、锂电池负极片以及单层PE隔膜按照正极片/隔膜/负极片的层叠次序依次层叠后卷绕电池极芯，并置于电池壳体中，再注入电解液，密封，制成锂二次电池。其中，N/P比例（负极活性物质的量与正极的容量之比，按可逆容量计算）调整为1:1.05，电解液为1M的LiPF6溶于体积比为3:5:1:1的EC、DMC、DEC和FEC的混合溶剂中的溶液。
实施例3
一种锂电池集流体，其制备方法为：
将3重量%的Li9Ti5O12分散于含有0.1重量%的PVdF高分子粘结剂的NMP溶液中得到混合物，然后将泡沫铜浸渍其中，抽真空，使上述混合物能够完全进入泡沫铜中，最后在惰性气体保护下烘干，即得到嵌入锂源的多孔集流体，即得到所述锂电池集流体。
一种锂电池极片（锂电池负极片），其制备方法为：
将90重量%的硅碳复合材料，5重量%的PVdF，3重量%的SP和2重量%的CNT混合于NMP溶液中，制得负极活性物质浆料，将上述浆料涂布在嵌入锂源的泡沫铜上，在100℃下烘干，碾压，得到该锂电池负极片。
锂二次电池的制备：
锂电池负极片制备：按照本实施例1的锂电池负极片的制备方法制备获取；
锂电池正极片制备：将94重量%的硅碳复合材料，3重量%的PVdF和3重量%的SP混合于NMP溶液中，制得正极活性物质浆料，将上述浆料涂布在Al箔上，在110℃下烘干，碾压，得到该锂电池正极片。
锂二次电池的封装：将本实施例制备的锂电池正极片、锂电池负极片以及单层PE隔膜按照正极片/隔膜/负极片的层叠次序依次层叠后卷绕电池极芯，并置于电池壳体中，再注入电解液，密封，制成锂二次电池。其中，N/P比例（负极活性物质的量与正极的容量之比，按可逆容量计算）调整为1:1.05，电解液为1M的LiPF6溶于体积比为3:5:1:1的EC、DMC、DEC和FEC的混合溶剂中的溶液。
实施例4
一种锂电池集流体，其制备方法为：
将4重量%的xLi2MnO3·(1-x)LiMO2分散于含有0.04重量%的PVdF高分子粘结剂的NMP溶液中得到混合物，然后将泡沫镍浸渍其中，抽真空，使上述混合物能够完全进入泡沫镍中，最后在惰性气体保护下烘干，即得到嵌入锂源的多孔集流体，即得到所述锂电池集流体。
一种锂电池极片（锂电池正极片），其制备方法为：
将94重量%的硅碳复合材料，3重量%的PVdF和3重量%的SP混合于NMP溶液中，制得正极活性物质浆料，将该浆料涂布在本实施例4制备的嵌入锂源的泡沫镍上，在110℃下烘干，碾压，得到该锂电池正极片。
锂二次电池的制备：
锂电池正极片制备：按照本实施例1的锂电池负极片的制备方法制备获取；
锂电池负极片制备：将90重量%的硅碳复合材料，5重量%的PVdF，3重量%的SP和2重量%的CNT混合于NMP溶液中，制得负极活性物质浆料，将该浆料涂布在铜箔上，在100℃下烘干，碾压，得到该锂电池负极片。
锂二次电池的封装：将本实施例制备的锂电池正极片、锂电池负极片以及单层PE隔膜按照正极片/隔膜/负极片的层叠次序依次层叠后卷绕电池极芯，并置于电池壳体中，再注入电解液，密封，制成锂二次电池。其中，N/P比例（负极活性物质的量与正极的容量之比，按可逆容量计算）调整为1:1.05，电解液为1M的LiPF6溶于体积比为3:5:1:1的EC、DMC、DEC和FEC的混合溶剂中的溶液。
对比实例
锂电池负极片制备：将90重量%的硅碳复合材料，5重量%的PVdF，3重量%的SP和2重量%的CNT混合于NMP溶液中，制得负极活性物质浆料，将上述浆料涂布在Cu箔上，在100℃下烘干，碾压，得到该锂电池负极片。
锂电池正极片制备：将94重量%的硅碳复合材料，3重量%的PVdF和3重量%的SP混合于NMP溶液中，制得正极活性物质浆料，将上述浆料涂布在Al箔上，在110℃下烘干，碾压，得到该锂电池正极片。
锂二次电池的封装：将对比实例制备的锂电池正极片、锂电池负极片以及单层PE隔膜按照正极片/隔膜/负极片的层叠次序依次层叠后卷绕电池极芯，并置于电池壳体中，再注入电解液，密封，制成锂二次电池。其中，N/P比例（负极活性物质的量与正极的容量之比，按可逆容量计算）调整为1:1.05，电解液为1M的LiPF6溶于体积比为3:5:1:1的EC、DMC、DEC和FEC的混合溶剂中的溶液。
锂二次电池性能测试：
按照上述实施例1至实施例4和对比实例各制备5个锂二次电池，并对各锂二次电池进行充放容量和电针刺测试，该充放容量和电针刺测试按照本领域公知的方法测试即可。结果示于表1中所示。
表1
Figure BDA00002352045100191
注：表1中的数据是取平均值
由表1可知，由于实施例1至实施例4都在集流体中嵌入补充锂源，提高了锂二次电池的不可逆容量，因而提高了电池的容量。另外，嵌入补充锂源的锂二次电池与未添加补充锂源的锂二次电池都通过针刺测试，说明添加锂源并未对电池的安全性造成较大影响，锂二次电池安全性能高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种锂电池集流体，包括多孔集流体本体，其特征在于：在所述多孔集流体本体中还填充或/和沉积有锂源材料，所述锂源材料为锂金属或/和富锂材料。
2.如权利要求1所述的锂电池集流体，其特征在于：所述锂电池的正极所含的活性物质为锂源活性物质时，所述锂源材料在所述锂电池集流体中的含量不大于锂电池首次充/放电过程中所消耗的锂量；或
所述锂电池正极的活性物质为非锂源活性物质时，所述锂源材料在所述锂电池集流体中的含量满足S＜L≤S+I，其中，S为无锂正极的储锂容量，L为锂源的补充量；I为负极在首次充放电中所消耗的锂量。
3.如权利要求1或2所述的锂电池集流体，其特征在于：所述富锂材料为xLi2MnO3·(1-x)LiMO2、Li1+bNiαMnβCoγAδO2、Li2NiO2、Li7Ti5O12、Li9Ti5O12、xLi2MnO3·(1-x)LiMO2掺杂改性物、Li1+bNiαMnβCoγAδO2掺杂改性物、Li2NiO2掺杂改性物、Li7Ti5O12掺杂改性物、Li9Ti5O12掺杂改性物中的一种以上；其中，0.01≤b≤0.3，0≤α≤0.4，0.2≤β≤0.65，0≤γ≤0.46，0≤δ≤0.15，A为Mg、Sr、Ba、Cd、Zn、Al、Ga、B、Zr、Ti、Ca、Ce、Y、Nb、Cr、Fe、V、Li中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述的锂电池集流体，其特征在于：所述多孔集流体本体为泡沫镍、泡沫铜、泡沫铝、泡沫碳、不绣钢网、镍网、铜网或铝网。
5.如权利要求1～4任一项所述的锂电池集流体的制备方法，包括如下步骤：
将所述锂源材料分散至含有粘结剂的溶剂中，配制成悬浊液；其中，锂源材料与粘结剂的质量比为1:(0.005～1:0.05)；
将所述悬浊液涂覆在所述多孔集流体本体上，再干燥处理，得到所述锂电池集流体。
6.如权利要求5所述的锂电池集流体的制备方法，其特征在于：所述多孔集流体本体浸渍于所述悬浊液的过程中，所述悬浊液被吸附在多孔集流体本体上的量如权利要求2所述的锂源材料在锂电池集流体中的含量。
7.如权利要求5所述的锂电池集流体的制备方法，其特征在于：将所述悬浊液涂覆在所述多孔集流体本体上的方式为液相浸渍、减压浸渍、减压引流法方式中的一种或者两种以上的方法结合。
8.如权利要求5～7所述的锂电池集流体的制备方法，其特征在于：所述悬浊液中，所述锂源材料在悬浊液中的重量含量为0.1%～5.0%。
9.如权利要求5～7所述的锂电池集流体的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯的共聚物、聚氨酯、聚丙烯酸酯中的至少一种。
10.如权利要求1～4任一项所述的锂电池集流体的制备方法，包括如下步骤：
在惰性气体或真空的环境中，将所述锂源材料气化并沉淀在所述多孔集流体本体上。
11.如权利要求10所述的锂电池集流体的制备方法，其特征在于：所述锂源材料在所述多孔集流体本体上沉积的量如权利要求2所述的锂源材料在锂电池集流体中的含量。
12.如权利要求10或11所述的锂电池集流体的制备方法，其特征在于，还包括如权利要求5～9任一项所述锂电池集流体的制备方法的步骤。
13.一种锂电池极片，包括集流体和结合在所述集流体上的含正极活性物质的正极层或含负极活性物质的负极层，其特征在于：所述集流体为权利要求1～4任一所述的锂电池集流体。
14.一种锂电池极片制备方法，包括如下步骤：
将正极活性物质或负极活性物质与电极导电剂、粘接剂和溶剂混合，并配制成浆料；
将所述浆料涂覆在权利要求1～4任一所述的锂电池集流体上；
将所述涂覆有浆料的锂电池集流体进行干燥处理、辊压、裁剪，得到锂电池极片。
15.如权利要求14所述的锂电池极片制备方法，特征在于：所述正极活性物质或负极活性物质与电极导电剂、粘接剂和溶剂的重量比为（88~98）：（2~5）：（2~8）：（60~90）。
16.如权利要求14或15所述的锂电池极片制备方法，特征在于：所述正极活性物质为LiaNibCocMndMeO2、LiAO2、DX2、LiDS2、V2O5、LiV2O5、LiMn2O4、LiFePO4中的一种以上；其中，0.95≤a≤1.1，0≤b≤0.9，0≤c≤0.5，0≤d≤0.5；0.001≤e≤0.1，M为Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V中至少一种元素，A为Co、Ni、Mn中至少一种元素，D为Ti、Mo或Mn，X为O或S。
17.如权利要求14或15所述的锂电池极片制备方法，特征在于：所述负极活性物质为碳质材料、Si、SiOx、Si合金、Si碳复合材料、Sn、SnOx、Sn合金、Sn碳复合材料中至少一种；其中，0＜x<2。
18.一种锂电池，其特征在于：所述锂电池包括权利要求13所述的锂电池极片。
19.如权利要求18所述的锂电池，特征在于：所述锂电池为液态锂离子电池、锂全固态电池或/和锂聚合物电池。
20.一种锂电池制备方法，包括如下步骤：
制备锂电池正极和负极，所述锂电池正极或负极由权利要求14至17任一项所述的锂电池极片制备方法制备而成；
将所述锂电池正极、隔膜、所述锂电池负极依次层叠，制成电池电芯；
将所述电芯装入电池壳体内，再注入电解液，密封，制得锂电池。
21.如权利要求20所述的锂电池制备方法，特征在于：所述隔膜为单层PE、单层PP、三层PP/PE/PP或三层PE/PP/PE。
22.如权利要求18或19所述的锂电池在移动终端产品、电动汽车、电网、通信设备和/或电动工具中的应用。
23.如权利要求22所述的锂电池的应用，其特征在于：所述通信设备包括工作模块和供电模块，所述供电模块包括所述的锂电池；所述供电模块为所述工作模块提供电能，所述工作模块使用所述供电模块提供的电能运行。
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