CN105914343B - 锂离子电池负极片、制备方法及应用、锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池负极片、制备方法及应用、锂离子电池，属于锂二次电池技术领域。该负极片由包括以下步骤的方法制备：惰性气氛中，采用静电纺丝技术将含有锂化合物的溶液均布在负极片表面，干燥，即得。本发明采用静电纺丝技术在负极片表面“湿法补锂”，能将含锂化合物均布在负极片表面，形成纤维状、具较大比表面积和孔洞结构的锂带，相较现有的以喷洒或滴加方式补锂，能实现均匀补锂，并达到补锂量精准、可控的有益效果，有效避免负极片析锂或变形。

Description

锂离子电池负极片、制备方法及应用、锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池负极片，同时还涉及该负极片的制备方法及应用，以及锂离子电池，属于锂二次电池技术领域。
背景技术
锂离子电池具有高电压、高能量密度、长循环寿命等优势，是应用较为广泛的二次电池。但是随着便携式电子设备微型化、长待机的发展，以及电动汽车、储能原件等大功率、高能量设备的启用，对锂离子电池的性能提出了越来越高的要求。
锂离子电池在首次充电过程中，由于负极片表面形成固体电解质膜(SEI膜)，消耗了部分从正极片迁移来的锂，造成了正极材料锂的损失，不仅降低电池容量，还会引起电池首次效率的降低。为解决该问题，可从以下两个方面对负极材料进行改进：1)在负极材料中添加硅及其复合物，以提高负极材料的克容量；2)增大负极材料的石墨化度或添加含锂化合物，以提高负极材料的首次效率。然而，由于硅材料的膨胀系数较大，易引起极片粉化，使得活性材料从负极板上脱落，造成活性物质与集流体的分离，因而严重影响锂电池循环性能的提升。同时，增大负极材料的石墨化度对提高电池首次效率的影响有限。
在负极材料中添加含锂化合物可以补充锂离子电池首次充放电消耗的锂离子，提高电池的首次效率，同时补充由形成SEI膜消耗的锂，提高锂离子的传输速率，并提高电池的循环性能。公布号CN102916165A的发明专利公开了一种向锂离子电池负极片补锂的方法，包括：在惰性气氛中，将有机锂溶液喷洒或滴加在负极片表面，使有机锂溶液中的锂离子还原成金属锂，并嵌入负极片内，干燥，即得；其中有机锂溶液为正丁基锂、叔丁基锂或苯基锂的正己烷溶液。该专利采用“湿法补锂”，消除了“干法补锂”时金属锂粉在空气中漂浮带来的安全隐患，能有效提高锂离子电池的首次效率和能量密度，改善其循环性能。但是将有机锂溶液喷洒或滴加在负极片表面，不能实现均匀补锂，以及补锂量的精确、可控操作，易造成负极片析锂或变形。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池负极片。
同时，本发明还提供一种锂离子电池负极片的制备方法，该方法采用静电纺丝技术将含锂化合物均布在负极片表面，可达到均匀、精确、可控补锂的目的。
最后，本发明再提供一种锂离子电池负极片的应用。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
锂离子电池负极片，其制备方法包括以下步骤：惰性气氛中，采用静电纺丝技术将含有锂化合物的溶液均布在负极片表面，干燥，即得。
所述静电纺丝技术能将溶液中的锂离子还原成金属锂，并嵌入负极片中。反应方程式为：n-C4H9Li+n-C4H9Li＝(C4H9＝C4H9)n+2Li。
所述惰性气氛可采用氮气气氛或氩气气氛。
所述静电纺丝技术的工艺参数为：电压10～30kV，喷涂速度0.01～0.03mm/s。
所述含有锂化合物的溶液可采用专利文献(公布号CN102916165A)中的有机锂溶液，如正丁基锂、叔丁基锂、苯基锂的正己烷溶液。优选的，由质量比为5～20:0.5～2:100的含锂包覆物或有机锂化合物，与表面活性剂和溶剂组成。
所述含锂包覆物呈核壳结构，内核为锂化合物，外壳为高分子聚合物，内核与外壳的质量比为1～5:4～15。锂化合物具体为有机锂化合物，选自苯基锂、正丁基锂、叔丁基锂、三乙基硼氢化锂等中的任意一种。高分子聚合物选自聚亚烷基碳酸酯(如聚碳酸亚丙酯，分子量3万～8万)、聚烷基硅氧烷(如聚甲基硅氧烷，分子量8万～15万)、聚丙烯酸烷基酯(如聚丙烯酸甲酯，分子量8万～15万)、聚甲基丙烯酸烷基酯(如聚甲基丙烯酸甲酯，分子量8万～20万)等中的任意一种或多种。
所述表面活性剂优选为十二烷基苯磺酸钠，以提高喷涂液的均一性。
所述溶剂选自氯仿、丙酮、二硫化碳、四氯化碳、四氢呋喃、甲苯、煤油、碳数5～16的烷烃等中的任意一种。
锂离子电池负极片的制备方法，包括以下步骤：惰性气氛中，采用静电纺丝技术将含有锂化合物的溶液均布在负极片表面，干燥，即得。
所述静电纺丝技术的工艺参数为：电压10～30kV，喷涂速度0.01～0.03mm/s。
所述含有锂化合物的溶液可采用已公开专利(公布号CN102916165A)中的有机锂溶液，如正丁基锂、叔丁基锂、苯基锂的正己烷溶液。优选的，由质量比为5～20:0.5～2:100的含锂包覆物或有机锂化合物，与表面活性剂和溶剂组成。
所述含锂包覆物呈核壳结构，内核为锂化合物，外壳为高分子聚合物，内核与外壳的质量比为1～5:4～15。锂化合物具体为有机锂化合物，选自苯基锂、正丁基锂、叔丁基锂、三乙基硼氢化锂等中的任意一种。高分子聚合物选自聚亚烷基碳酸酯(如聚碳酸亚丙酯，分子量3万～8万)、聚烷基硅氧烷(如聚甲基硅氧烷，分子量8万～15万)、聚丙烯酸烷基酯(如聚丙烯酸甲酯，分子量8万～15万)、聚甲基丙烯酸烷基酯(如聚甲基丙烯酸甲酯，分子量8万～20万)等中的任意一种或多种。
所述表面活性剂优选为十二烷基苯磺酸钠。
所述溶剂选自氯仿、丙酮、二硫化碳、四氯化碳、四氢呋喃、甲苯、煤油、烷烃(C5～C16)等中的任意一种。
上述负极片在锂离子电池中的应用。
锂离子电池，采用上述负极片。
具体的，锂离子电池，负极片以人造石墨为活性材料，正极片以磷酸铁锂为活性材料，电解液为LiPF6的EC、DEC(体积比1:1)溶液，隔膜为Celgard 2400膜。
本发明的有益效果：
本发明采用静电纺丝技术在负极片表面“湿法补锂”，能将含锂化合物均布在负极片表面，形成纤维状、具较大比表面积和孔洞结构的锂带，相较现有的以喷洒或滴加方式补锂，能实现均匀补锂，并达到补锂量精准、可控的效果，有效避免负极片析锂或变形。
本发明采用高分子聚合物包覆有机锂化合物，一方面能将有机锂化合物与外部环境隔绝，提高其安全性能，另一方面高分子聚合物在温度0～150℃下稳定存在，耐电芯烘烤时高温，能提高补锂层的热稳定性，同时高分子聚合物溶于碳酸酯类溶剂，且不与N-甲基吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)、丙酮、甲醇等反应，更有利于提高补锂层的化学稳定性。
附图说明
图1为实施例1～7及对比例中软包电池的循环曲线图；
图2为实施例1中软包电池的倍率充电曲线图。
具体实施方式
下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
实施例1
锂离子电池负极片，其制备方法包括以下步骤：
1)制备含锂包覆物
在氩气气氛的手套箱中，将称取的10g聚碳酸亚丙酯(分子量5万)溶于100g碳酸甲乙酯(EMC)中，20rpm转速下搅拌15min，得溶液A；将2g苯基锂粉末加入溶液A中，10rpm转速下搅拌30min，过滤；取滤渣，用去离子水流动洗涤，随后在70℃的氩气保护下对滤渣进行70℃的干燥，得到含锂包覆物12g；
2)制备锂电池负极片
将称取的10g含锂包覆物、1g十二烷基苯磺酸钠加入100g氯仿溶剂中，混合均匀得到喷涂液；采用静电纺丝技术(电压20kV，喷涂速度0.02mm/s)将喷涂液均匀喷涂在负极片(以人造石墨为负极活性材料制备负极片，人造石墨与PVDF、SP的质量比为95:4:1)表面，喷涂厚度为2μm，干燥，即得。
锂离子电池，采用上述制备的负极片，正极片以磷酸铁锂为活性材料，电解液为LiPF6/EC+DEC(体积比1:1)溶液，浓度1.3mol/L，隔膜为Celgard 2400膜，制备5AH软包电池。
实施例2
锂离子电池负极片，其制备方法包括以下步骤：
1)制备含锂包覆物
在氩气气氛的手套箱中，将称取的8g聚甲基丙烯酸甲酯(分子量10万)溶于100g碳酸甲乙酯(EMC)中，20rpm转速下搅拌15min，得溶液A；将1g正丁基锂粉末加入溶液A中，10rpm转速下搅拌30min，过滤；取滤渣，用去离子水流动洗涤，随后在70℃的氩气保护下对滤渣进行70℃的喷雾干燥，得到含锂包覆物9g；
2)制备锂电池负极片
将称取的5g含锂包覆物、0.5g十二烷基苯磺酸钠加入100g四氯化碳溶剂中，混合均匀得到喷涂液；采用静电纺丝技术(电压10kV，喷涂速度0.03mm/s)将喷涂液均匀喷涂在负极片(同实施例1)表面，喷涂厚度为5μm，干燥，即得。
锂离子电池，采用上述制备的负极片，其他同实施例1。
实施例3
锂离子电池负极片，其制备方法包括以下步骤：
1)制备含锂包覆物
在氩气气氛的手套箱中，将称取的15g聚甲基硅氧烷(分子量10万)溶于100g碳酸甲乙酯(EMC)中，20rpm转速下搅拌15min，得溶液A；将10g三乙基硼氢化锂粉末加入溶液A中，10rpm转速下搅拌30min，过滤；取滤渣，用去离子水流动洗涤，随后在70℃的氩气保护下对滤渣进行70℃的喷雾干燥，得到含锂包覆物25g；
2)制备锂电池负极片
将称取的20g含锂包覆物、2g十二烷基苯磺酸钠加入100g甲苯溶剂中，混合均匀得到喷涂液；采用静电纺丝技术(电压30kV，喷涂速度0.01mm/s)将喷涂液均匀喷涂在负极片(同实施例1)表面，喷涂厚度为1μm，干燥，即得。
锂离子电池，采用上述制备的负极片，其他同实施例1。
实施例4
锂离子电池负极片，其制备方法包括以下步骤：
1)制备含锂包覆物
在氩气气氛的手套箱中，将称取的4g聚丙烯酸甲酯(分子量10万)溶于100g碳酸甲乙酯(EMC)中，20rpm转速下搅拌15min，得溶液A；将5g叔丁基锂粉末加入溶液A中，10rpm转速下搅拌30min，过滤；取滤渣，用去离子水流动洗涤，随后在70℃的氩气保护下对滤渣进行70℃的喷雾干燥，得到含锂包覆物9g；
2)制备锂电池负极片
将称取的5g含锂包覆物、2g十二烷基苯磺酸钠加入100g丙酮溶剂中，混合均匀得到喷涂液；采用静电纺丝技术(电压10kV，喷涂速度0.01mm/s)将喷涂液均匀喷涂在负极片(同实施例1)表面，喷涂厚度为1μm，干燥，即得。
锂离子电池，采用上述制备的负极片，其他同实施例1。
实施例5
锂离子电池负极片，其制备方法包括以下步骤：
1)制备含锂包覆物
在氩气气氛的手套箱中，将称取的19.5g聚甲基丙烯酸甲酯(分子量10万)溶于100g碳酸甲乙酯(EMC)中，20rpm转速下搅拌15min，得溶液A；将1.3g苯基锂粉末加入溶液A中，10rpm转速下搅拌30min，过滤；取滤渣，用去离子水流动洗涤，随后在70℃的氩气保护下对滤渣进行70℃的喷雾干燥，得到含锂包覆物20.8g；
2)制备锂电池负极片
将称取的20g含锂包覆物、0.5g十二烷基苯磺酸钠加入100g四氢呋喃溶剂中，混合均匀得到喷涂液；采用静电纺丝技术(电压30kV，喷涂速度0.03mm/s)将喷涂液均匀喷涂在负极片(同实施例1)表面，喷涂厚度为1μm，干燥，即得。
锂离子电池，采用上述制备的负极片，其他同实施例1。
实施例6
锂离子电池负极片，其制备方法包括以下步骤：
氮气气氛中，采用静电纺丝技术(电压30kV，喷涂速度0.03mm/s)将浓度为1M的正丁基锂的正己烷溶液均匀喷涂在负极片(同实施例1)表面，喷涂厚度为1μm，干燥，即得。
锂离子电池，采用上述制备的负极片，其他同实施例1。
实施例7
锂离子电池负极片，其制备方法包括以下步骤：
氮气气氛中，将称取的10g苯基锂、1g十二烷基苯磺酸钠加入100g碳酸甲乙酯溶剂中，混合均匀得到喷涂液；采用静电纺丝技术(电压20kV，喷涂速度0.02mm/s)将喷涂液均匀喷涂在负极片(同实施例1)表面，喷涂厚度为2μm，干燥，即得。
锂离子电池，采用上述制备的负极片，其他同实施例1。
在本发明的其他实施例中，喷涂液中溶剂还可选用二硫化碳、煤油或者C5～C16的烷烃，此处不一一列举。
对比例
锂离子电池，以实施例1中未涂覆喷涂液的极片作为负极片，正极片以磷酸铁锂为活性材料，电解液为LiPF6/EC+DEC(体积比1:1)溶液，浓度1.3mol/L，隔膜为Celgard 2400膜，制备5AH软包电池。
试验例
电化学性能测试：取实施例1～7中负极片和软包电池，以及对比例中软包电池，测试负极片的吸液能力以及锂电池的首次效率、循环性能(1.0C/1.0C)、倍率充电性能(倍率充电的标准为(0.5C、1.0C、2.0C、3.0C)，放电倍率为0.3C)和直流内阻。测试方法参照国家标准GB/T 24533-2009《锂离子电池石墨类负极材料》；同时根据锂离子电池放电容量和质量，计算软包装锂离子电池的质量能量密度。
直流内阻的测定方法为：1)以0.2C5A恒流、4.2V限压，对锂离子电池进行标准充电；2)以0.2C5A恒流放电至10％DOD；3)用大电流对电池进行恒流充电(一般为1C5A)；4)重复步骤1)～3)，每次放电深度增加10％，直至放电深度为90％；5)以0.2C5A恒流放电至终止电压2.5V，使电池完全放电。
测试结果见下表1～5及图1～2。
表1 负极片的吸液能力
由表1可知，实施例1～7中负极片的吸液、保液能力均明显优于对比例，分析原因在于：采用静电纺丝技术在负极片表面形成的锂带呈纤维状，具有较大的比表面积和孔洞结构，能大幅提高极片的吸液及保液能力。
表2 软包电池的电化学性能
由表2可知，实施例1～7中软包电池的首次效率和能量密度均明显高于对比例，分析原因在于：有机锂化合物或含锂包覆物(其高分子聚合物外壳能在电解液中溶解并暴露出有机锂化合物)能够提供充足的锂离子，补充因首次充放电及形成SEI膜而大量消耗的锂，进而提高软包电池的首次效率和能量密度，同时增加其放电容量。
表3 软包电池的循环性能
由表3、图1可知，实施例1～7中软包电池的循环性能均明显优于对比例，分析原因在于：锂电池在循环过程中形成SEI膜消耗锂离子，使电池内阻增大，并引起锂离子传输速率的降低，而有机锂化合物或含锂包覆物(其高分子聚合物外壳能在电解液中溶解并暴露出有机锂化合物)能够提供充足的锂离子，提高锂离子传输速率，从而改善电池的循环性能。
表4 软包电池的倍率充电性能
由表4、图2可知，实施例1～7中软包电池的倍率充电性能明显优于对比例，即充电时间较短，分析原因在于：电池充电过程中需要锂离子的迁移，有机锂化合物或含锂包覆物能够提供充足的锂离子，从而缩短充电时间，提高电池的倍率充电性能。
表5 软包电池的直流内阻比较
由表5可知，不同放电深度条件下，相较对比例，实施例1～7中软包电池的直流内阻较低，分析原因在于：电池中充足的锂离子能够提供大量的锂离子通道，加之纤维状锂带具有较强的吸液保液能力，更有利于降低电池内阻。

Claims (4)

1.锂离子电池负极片，其特征在于：负极片的制备方法包括以下步骤：惰性气氛中，采用静电纺丝技术将含有锂化合物的溶液均布在负极片表面，干燥，即得；所述含有锂化合物的溶液由质量比为5~20:0.5~2:100的含锂包覆物与表面活性剂和溶剂组成；所述含锂包覆物呈核壳结构，内核为锂化合物，外壳为高分子聚合物，内核与外壳的质量比为1~5:4~15；锂化合物选自苯基锂、正丁基锂、叔丁基锂、三乙基硼氢化锂中的任意一种，所述高分子聚合物选自聚亚烷基碳酸酯、聚烷基硅氧烷、聚丙烯酸烷基酯、聚甲基丙烯酸烷基酯中的任意一种或多种；所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠；所述溶剂选自氯仿、丙酮、二硫化碳、四氯化碳、四氢呋喃、甲苯、煤油、碳数5~16的烷烃中的任意一种；所述静电纺丝的工艺参数为：电压10~30kV，喷涂速度0.01~0.03mm/s。
2.锂离子电池负极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：惰性气氛中，采用静电纺丝技术将含有锂化合物的溶液均布在负极片表面，干燥，即得；所述含有锂化合物的溶液由质量比为5~20:0.5~2:100的含锂包覆物与表面活性剂和溶剂组成；所述含锂包覆物呈核壳结构，内核为锂化合物，外壳为高分子聚合物，内核与外壳的质量比为1~5:4~15；锂化合物选自苯基锂、正丁基锂、叔丁基锂、三乙基硼氢化锂中的任意一种，所述高分子聚合物选自聚亚烷基碳酸酯、聚烷基硅氧烷、聚丙烯酸烷基酯、聚甲基丙烯酸烷基酯中的任意一种或多种；所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠；所述溶剂选自氯仿、丙酮、二硫化碳、四氯化碳、四氢呋喃、甲苯、煤油、碳数5~16的烷烃中的任意一种；所述静电纺丝的工艺参数为：电压10~30kV，喷涂速度0.01~0.03mm/s。
3.如权利要求1所述负极片在锂离子电池中的应用。
4.采用如权利要求1所述负极片的锂离子电池。
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