CN106784600A - 一种含锂负极片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含锂负极片，包括：含锂的金属带、金属箔和集流极耳，所述金属箔和含锂金属带的尺寸相配合使用，所述含锂金属带为上下两层，金属箔夹在上下两层含锂金属带之间，通过压合设备压合，含锂金属带和金属箔压合在一起，形成紧密结合体，所述金属箔具有表面粗糙的特性。本发明提供的含锂负极片采用了特殊的结构设计和创新的实现方法，获得的极片具有厚度平整、集流和散热效果好、锂带与集流体结合力强等优点，可用于大规模自动化电池生产，非常适合高能量密度电池体系应用，如锂硫电池、全固态锂离子电池、不同体系锂原电池等；提供的极片制备方法简单、可操作性强，适合用于大规模批量生产。

Description

一种含锂负极片及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池组技术领域，特别是涉及一种含锂负极片及其制备方法。
背景技术
锂的电化当量高、性能活泼，采用金属锂作为电池负极，可获得高比能量，因为被广泛应用于锂二氧化锰、锂氟化碳、锂亚硫酰氯等锂一次电池以及锂硫、全固态锂离子电池等锂二次电池中。将金属锂片作为锂电池负极的使用过程中，有可能出现局部段金属锂消耗完，导致电流通路减少甚至阻断，电池后期无法正常放电、放电容量低等问题；在锂离子二次电池中，还可能导致局部无法再充电，电池循环性能快速衰减，甚至形成锂枝晶，出现安全问题。此外，金属锂材质软、机械强度差等缺点，导致采用金属锂片作为负极时电池制备的过程非常困难。
针对这些问题的常规解决方法是提高锂含量，采用锂大量过量的方法来保证锂片的连贯和放电后期的集流，但这种做法的问题在于大量过量的金属锂存在安全问题，电池含锂量的增加则出现起火爆炸的威力也增大，同时过量的锂片也导致电池内有效空间的损失，电池体积比能量大大降低(金属锂的密度为0.534g/cm3，大大低于常规锂电池材料的压实密度，过量锂对厚度的影响大与对重量的影响)。针对金属锂机械强度差、质地软的一种解决方法是制成锂铝或锂锰合金，可提高金属的强度，提高其加工特性，但改善作用有限，尤其是要综合考虑厚度和机械强度，该方法在自动生产线(尤其是自动卷绕机)上应用难度很大。针对金属锂集流的问题，在专利《复合型金属锂带》200620152212(陈强等)中给出的一种解决方法是在金属锂带上镶嵌起电流收集通道作用的一条或多条金属导电丝或金属带，采用该方法的弊端是集流保证的范围比较小，即可靠度比较低，且一般金属条的厚度在0.05-0.1mm左右，在锂带中加入导电条，会导致局部凸起，使极片不平，从而导致电池不平整，在追求高能量密度的电池中无法应用，且这种方法提供的极片机械强度没有得到有效提高，同样无法实现自动化生产。
发明内容
本发明的目的提供一种含锂负极片及其制备方法，以解决上述现有技术中的问题。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种含锂负极片，包括：含锂的金属带、金属箔和集流极耳，所述金属箔和含锂金属带的尺寸相配合使用，所述含锂金属带为上下两层，金属箔夹在上下两层含锂金属带之间，通过压合设备压合，含锂金属带和金属箔压合在一起，形成紧密结合体，所述金属箔具有表面粗糙的特性。
其中，所述金属箔与含锂金属带的宽度相同，金属箔的长度比含锂金属带的长度长。
其中，所述金属箔为表面粗糙结构，比表面积大；所述粗糙结构微观形貌为微粒、凸起或沟壑，纹理为多方向、同心圆或放射状、无序状；所述金属箔的粗糙度Ra为0.1-1.6μm，Rz为0.1-10μm。
其中，所述金属箔的材质为铜、镍或银、金、含有以上金属的合金。
其中，所述金属箔的厚度为6μm-50μm。
其中，所述金属箔为密度均匀的连续体和具有平面孔洞的打孔材料。
其中，所述含锂的金属带为纯金属锂或含锂合金。
其中，所述集流极耳为与所述金属箔一体结构的，或者，与所述金属箔焊接在一起的金属片。
还提供了一种含锂负极片的制备方法，
步骤S1、含锂金属带裁切：将含锂金属带裁切成一定宽度，必要时裁切成一定的长度；
步骤S2、金属箔裁切：将作为集流体的金属箔剪切成一定宽度，必要时裁切成一定的长度，必要时引入极耳；
步骤S3、极片压合：采用压合方式，以两层含锂金属带中间夹一层金属箔的三明治结构进行极片准备，将准备后的含锂金属片和金属箔压合在一起，形成紧密结合体；
步骤S4、极片再处理：根据要求裁切成一定尺寸，若步骤S2中未引入极耳，则焊接金属带作为极片集流的极耳。
其中，在步骤S3中，对极片压合之前，还包括将准备好的极片上下分别用聚丙烯膜进行包裹的步骤。
与现有技术相比较，本发明提供的含锂负极片采用了特殊的结构设计和创新的实现方法，获得的极片具有厚度平整、集流和散热效果好、锂带与集流体结合力强等优点，可用于大规模自动化电池生产，非常适合高能量密度电池体系应用，如锂硫电池、全固态锂离子电池、不同体系锂原电池等；提供的极片制备方法简单、可操作性强，适合用于大规模批量生产。
附图说明
图1为本发明所述含锂负极片制作流程示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种含锂负极片的结构及制备流程示意图；
图3为本发明实施例2提供的一种含锂负极片的结构及制备流程示意图；
图4为本发明对比例2提供的一种含锂负极片的结构及制备流程示意图；
图中，1金属箔，2含锂金属带，3集流极耳。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图2-图4所示，本发明提供了一种含锂负极片，包括：含锂的金属带2、金属箔1和集流极耳3，所述金属箔1和含锂金属带2的尺寸相配合使用，所述含锂金属带2为上下两层，金属箔1夹在上下两层含锂金属带2之间，通过压合设备压合，含锂金属带2和金属箔1压合在一起，形成紧密结合体，所述金属箔1具有表面粗糙的特性。
所述金属箔1和含锂金属带2的尺寸近似相同；在优选的实施例中，金属箔1与含锂金属带2的宽度相同，金属箔1的长度比含锂金属带2的长度长。
所述金属箔1为表面粗糙结构，比表面积大；所述粗糙结构微观形貌包括微粒、凸起、沟壑等，纹理包括多方向、同心圆、放射状、无序状等等；所述金属箔1的粗糙度Ra为0.1-1.6μm，Rz为0.1-10μm。
所述金属箔1其材质可以为铜、镍、银、金，以及含有以上金属的合金等，厚度为6μm-50μm，所述金属箔1为密度均匀的连续体和具有平面孔洞的打孔材料。
所述含锂金属带2为纯金属锂或含锂合金，如锂铝合金、锂镁合金等。
所述集流极耳3可以是与所述金属箔1为一体的，也可以是另外引入的金属片；所述金属片材质为铜、镍、铜镍复合材料、含银合金等。
如图1-4所示，本发明提供了一种上述含锂负极片的制备方法，以下结合附图以及实施例对制备方法进行说明：
实施例1：
如图2所示，本实施例所述含锂负极片采用以下方法制备而成：
(1)锂带裁切：将0.05mm厚的锂带裁切成60mm宽*1000mm长。
(2)金属箔裁切：将金属铜箔裁切成62mm宽*1050mm长，铜箔的机械厚度为15μm，铜箔两面均进行氧化粗化处理，粗化后铜箔的比表面积增大100倍左右，表面微观结构为微粒凸起，粗糙度Ra约为1.4μm，Rz约为4.5。
(3)极片压合：采用平面压合设备，上下压合平板的有效尺寸为150mm*200mm，设置设备压力为0.5MPa；以两层锂中间夹一层铜箔的三明治结构进行极片准备，并将准备好的极片上下分别用聚丙烯膜进行包裹(防止锂片与压板粘连)；将三明治结构的极片放在平板压合机上下板之间，进行分段压合，获得紧密结合的极片。
(4)极耳焊接：在压合后的极片的一侧铜箔上焊接镍金属片作为集流极耳，镍金属片尺寸为0.1mm厚*5mm宽*20mm。
实施例2：
如图3所示，本实施例所述含锂负极片采用以下方法制备而成：
(1)锂带裁切：将0.05mm厚的锂带裁切成60mm宽*80mm长。
(2)金属箔裁切：将金属铜箔采用冲切模具和冲切刀加工成不规则的小片，由两个方形组成。大方形尺寸为62mm宽*82mm长(与锂片粘合)；小方形尺寸为15mm*10mm，作为集流的极耳。金属铜箔机械厚度为10μm，铜箔两面均进行氧化粗化处理，粗化后铜箔的比表面积增大100倍左右，表面微观结构为微粒凸起，粗糙度Ra约为1.2μm，Rz约为3.6。
(3)极片压合：采用平面压合设备，上下压合平板的有效尺寸为150mm*200mm，设置设备压力为0.3MPa；以两层锂中间夹一层铜箔的三明治结构进行极片准备，并将准备好的极片上下分别用聚丙烯膜进行包裹(防止锂片与压板粘连)；将三明治结构的极片放在平板压合机上下板之间，一次压合获得紧密结合的极片。
对比例1：
本发明的一种对比，与本发明的实施例2相比们不同之处在于，采用的铜箔为普通电解铜箔，机械厚度10μm，未进行粗化处理，粗糙度Ra约为0.2μm，Rz约为2.0。
对比例2：
如图2所示，本发明的一种对比，将0.1mm厚的锂带裁切成60mm宽*80mm长，在金属锂片上连接一个金属镍条作为极耳，镍条尺寸为0.1mm厚*5mm宽*20mm长，同时在连接镍条的位置补贴一片0.05mm厚的金属锂，将镍条完全盖住。本方法中金属锂片作为活性物质，同时也作为集流体。
编号 粘合效果
实施例1 锂片和铜箔无法手工剥离
实施例2 锂片和铜箔无法手工剥离
对比例1 可手工剥离
表1锂片与铜箔粘合效果对比
将实施例1、2和对比例1制得的极片进行锂片和铜箔的剥离实验，结果如表1。由上述表1可以看出，与对比例相比，本发明制得的含锂负极片活性物质锂与集流体铜箔具有非常好的结合力，锂片和铜箔无法手工剥离。通过极片断面的微观显微照片观察发现：本发明提供的极片中金属锂很好的嵌入到铜箔的粗糙纹理中；而采用普通电解铜箔制备的极片，仅有10％的表面接触良好，90％的表面仅是锂片与铜箔的贴合，很容易分离。
将实施例2和对比例1、2制得的极片分别作为锂硫电池的负极片，正极活性物质为硫碳复合材料，电池采用铝塑膜软包装作为外壳，采用叠片结构(叠片层数为5片正极、6片负极，最外层为负极)，采用聚丙烯隔膜(厚度为20μm)，在电池中注入电解液，其配方为LiTFSI/DOL:DME＝1:1(双三氟甲基磺酰亚胺锂LiTFSI，二甲醚DME，二氧戊烷DOL)，制备获得一款设计容量为6Ah的电池。对比三种电池的厚度如表2，对电池进行充放电测试，对比结果如表3。
项目 实施例2 对比例1 对比例2
极耳处厚度 2.22 2.35 3.23
电池中部厚度 2.23 2.32 2.19
表2电池厚度对比
表3充放电数据对比
由上述表2可以看出，与对比例2相比，采用本发明制得的含锂负极片制备的电池厚度平整；而不采用铜箔作为集流时，极耳的引入将导致电池局部厚度增加，导致电池不平整，在电池中无法实际应用。
由上述表3可以看出，与对比例1、2相比，采用本发明制得的含锂负极片制备的电池充放电效率高，循环性能好。对比例1制备的负极对电池性能的影响主要是由于采用普通电解铜箔制备的极片，由于锂片表面存在必不可少的钝化膜以及光滑平整的表面，二者很难形成紧密的贴合；而本发明采用粗化后的铜箔，具有很大的比表面积和粗糙的纹理，通过外力压合作用，可以将质地柔软的金属锂嵌入粗糙的纹理中，实现二者的紧密结合，达到很好的粘接效果。在多次充放电循环过程中，良好的集流效果是保证电池性能的关键。
通过以上测试结果可以看出，利用本发明方法制备的含锂负极片，解决了以金属锂或含锂金属作为负极时的有效集流和电池平整问题，解决了金属锂与普通铜箔粘合力差的问题，采用本发明提供的负极片制备得到的电池容量稳定、充放电效率高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含锂负极片，其特征在于，包括：含锂的金属带、金属箔和集流极耳，所述金属箔和含锂金属带的尺寸相配合使用，所述含锂金属带为上下两层，金属箔夹在上下两层含锂金属带之间，通过压合设备压合，含锂金属带和金属箔压合在一起，形成紧密结合体，所述金属箔具有表面粗糙的特性。
2.根据权利要求1所述的一种含锂负极片，其特征在于，所述金属箔与含锂金属带的宽度相同，金属箔的长度比含锂金属带的长度长。
3.根据权利要求1或2所述的一种含锂负极片，其特征在于，所述金属箔为表面粗糙结构，比表面积大；所述粗糙结构微观形貌为微粒、凸起或沟壑，纹理为多方向、同心圆或放射状、无序状；所述金属箔的粗糙度Ra为0.1-1.6μm，Rz为0.1-10μm。
4.根据权利要求1所述的一种含锂负极片，其特征在于，所述金属箔的材质为铜、镍或银、金、含有以上金属的合金。
5.根据权利要求1所述的一种含锂负极片，其特征在于，所述金属箔的厚度为6μm-50μm。
6.根据权利要求1所述的一种含锂负极片，其特征在于，所述金属箔为密度均匀的连续体和具有平面孔洞的打孔材料。
7.根据权利要求1所述的一种含锂负极片，其特征在于，所述含锂的金属带为纯金属锂或含锂合金。
8.根据权利要求1所述的一种含锂负极片，其特征在于，所述集流极耳为与所述金属箔一体结构的，或者，与所述金属箔焊接在一起的金属片。
9.一种含锂负极片的制备方法，其特征在于，
步骤S1、含锂金属带裁切：将含锂金属带裁切成一定宽度，必要时裁切成一定的长度；
步骤S2、金属箔裁切：将作为集流体的金属箔剪切成一定宽度，必要时裁切成一定的长度，必要时引入极耳；
步骤S3、极片压合：采用压合方式，以两层含锂金属带中间夹一层金属箔的三明治结构进行极片准备，将准备后的含锂金属片和金属箔压合在一起，形成紧密结合体；
步骤S4、极片再处理：根据要求裁切成一定尺寸，若步骤S2中未引入极耳，则焊接金属带作为极片集流的极耳。
10.根据权利要求4所述的一种含锂负极片的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，对极片压合之前，还包括将准备好的极片上下分别用聚丙烯膜进行包裹的步骤。
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