CN107425175B - 一种锂金属电池用超薄锂带的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂金属电池用超薄锂片的制备方法。本发明将熔融的锂锭通过流延至超薄铜箔基材上，并辅以双辊冷压，来制备锂金属电池用超薄锂带。相对于传统的市售较厚(大于100µm)的锂带，本发明制备的超薄锂带厚度可控制在10µm‑50µm，从而提升了锂电池的体积能量密度，非常适合制备超薄的锂电池等柔性储能器件，并且可以减少锂的用量，具有较好的实用意义。
Description
技术领域
本发明属于锂金属电池锂负极材料领域，涉及一种超薄锂带的制备方法。
背景技术
锂金属电池由于兼具高比能量和高比功率的显著优势，被认为是最具发展潜力的动力电池体系；随着技术的发展，特别是可穿戴的电子设备的普及和新能源汽车的迅猛发展，要求电池越来越薄的同时，对电池的能量密度提出更高的要求。
锂金属负极材料具备极高的理论容量（3800 mAh/g），是提高电池能量密度的理想选择。在与目前含锂正极材料相匹配的体系中，锂负极必然大大过量，因此降低锂负极的用量，可以减少负极的无效质量，从而进一步提升锂金属电池的质量能量密度。目前但是目前市售的用于锂电池的锂带普遍较厚，厚度均在150µm以上，主要原因是锂金属质软，延展性大并且比强度不高，导致了厚度不够均匀，厚度公差较大，直接影响了锂电池的性能和能量密度。因此，随着对锂金属电池能量密度要求的不断提高，如何实现锂带的超薄化，以及厚度均匀化变得十分重要。此外，目前生产工艺中，在后续的集流体复合过程中，由于工序复杂，锂带与集流体复合强度较差，在充放电过程中易发生脱落。目前大多数的锂带的生产方法涉及的专利主要集中在如何通过挤压的方式提高锂带产能、提高厚度的均匀性方面，宁德新能源通过选用与锂负极吸附能力不同的两种基材进行滚压，调节锂带的厚度及成型过程。天津中能锂业采用真空挤压成型的方法制备锂带，提升了制备工艺的尺寸控制精度。但目前报道的方案，也存在模具因反应损耗大、超薄要求下厚度难以控制等问题。这种传统的或改进的方法均无法实现超薄锂片（几微米或几十微米）的制备。
本发明的目的在于，改变原有锂带挤压成型的传统方式，通过将锂金属熔融，其熔融流体均匀涂覆在导电支撑基材上，然后通过压延机进行二次定型来提高锂与基材的结合强度并进一步提高厚度均匀性。这种方法创新性和实用性在于：
1、锂金属片的熔融流延法替代了传统的冷挤压法，这种熔体流延方法从根本上解决了锂片的薄度和均匀性问题。
2、本发明在熔融制备过程中实现锂金属与超薄导电支撑材料的原位复合，可以获得一体化锂电极，相比锂金属成本更低，并且能提供较高的强度。
发明内容
一种锂金属电池用超薄锂带的制备方法，包括以下步骤：在高纯氩气保护环境中，将锂锭在加热釜中加热至180oC以上，待锂锭完全熔融后，通过狭缝式模具流延至导电基材上，在真空干燥环境或氩气保护下冷却至100oC以下后，通过双辊压片机根据厚度要求进行压延，并用压延覆膜机将高分子无孔薄膜敷于锂带表面。
所述的真空干燥环境的真空度应低于-0.1 MPa，湿度在1 %以下。
所述的加热釜内衬采用锂不敏感材料，锂不敏感材料为聚四氟乙烯或搪瓷。
所述的锂带的厚度为10 µm-50 µm。
所述的导电基材为铜箔、锡箔、导电碳箔或金箔的打孔基材或者网状结构基材。
双辊压延机的辊表面为涂覆锂不敏感材料，不敏感材料为聚四氟乙烯、聚乙烯和聚丙烯中的一种。
所述的高分子无孔薄膜是无孔致密膜，高分子无孔薄膜为聚乙烯、聚丙烯和聚酯类薄膜中的一种。
具体实施方式
实施例1
将10微米厚的铜箔通过流延辊、压延辊安装到卷绕机上，然后控制加热釜和流延压延工作仓的湿度在1%以下，真空度在-0.1MPa，并将加热釜加热至180°C，将锂锭通过过渡舱加入的加热釜中，待锂锭熔化后打开下料口，并利用氩气给加热釜加压(5 MPa)，使熔融锂通过流延模头均匀流延到铜箔上，模头间隙为200微米，控制铜箔的卷绕线速度在10米/分，经过冷却辊后，复合锂带的温度在100°C，调节双辊压延机的间隙在20微米，锂带通过缝隙，通过二次压延后得到总厚度为20微米，锂带的有效厚度为10微米。
实施例2
将12微米厚的铜箔通过流延辊、压延辊安装到卷绕机上，然后控制加热釜和流延压延工作仓的湿度在1%以下，真空度在-0.1MPa以上，并将加热釜加热至180°C，将锂锭通过过渡舱加入的加热釜中，待锂锭熔化后打开下料口，并利用氩气给加热釜加压(5 MPa)，使熔融锂通过流延模头均匀流延到铜箔上，模头间隙为200微米，控制铜箔的卷绕线速度在10米/分，经过冷却辊后，复合锂带的温度控制在100°C，调节双辊压延机的间隙在30微米，锂带通过缝隙，通过二次压延后得到总厚度为30微米。锂带的有效厚度为18微米。将该复合锂带再次通过双辊覆膜机，将聚乙烯薄膜通过压延附于锂带表面，从而有效防止锂带表面氧化和氮化。
实施例3
将40微米厚的激光打孔铜箔通过流延辊、压延辊安装到卷绕机上，然后控制加热釜和流延压延工作仓的湿度在1%以下，真空度在-0.1MPa以上，并将加热釜加热至200°C，将锂锭通过过渡舱加入的加热釜中，待锂锭熔化后打开下料口，并利用氩气给加热釜加压(6MPa)，使熔融锂通过流延模头均匀流延到铜箔上，模头间隙为300微米，控制铜箔的卷绕线速度在12米/分，经过冷却辊后，复合锂带的温度控制在100°C，调节双辊压延机的间隙在90微米，锂带通过缝隙，通过二次压延后得到总厚度为90微米，锂带的有效厚度为50微米，将该复合锂带再次通过双辊覆膜机，将聚乙烯薄膜通过压延附于锂带表面，从而有效防止锂带表面氧化和氮化。
实施例4
将8微米厚的激光打孔铜箔通过流延辊、压延辊安装到卷绕机上，然后控制加热釜和流延压延工作仓的湿度在1%以下，真空度在-0.1MPa以上，并将加热釜加热至200°C，将锂锭通过过渡舱加入的加热釜中，待锂锭熔化后打开下料口，并利用氩气给加热釜加压(5MPa)，使熔融锂通过流延模头均匀流延到铜箔上，模头间隙为100微米，控制铜箔的卷绕线速度在10米/分，经过冷却辊后，复合锂带的温度控制在90°C，调节双辊压延机的间隙在20微米，锂带通过缝隙，通过二次压延后得到总厚度为25微米。锂带的有效厚度为12微米。将该复合锂带再次通过双辊覆膜机，将PET薄膜通过压延附于锂带表面，从而有效防止锂带表面氧化和氮化。
表1 相对于市售锂带的锂金属电池能量密度增大百分比
Claims (6)
1.一种锂金属电池用超薄锂带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在高纯氩气保护环境中，将锂锭在加热釜中加热至180oC以上，待锂锭完全熔融后，通过狭缝式模具流延至导电基材上，且狭缝宽度大小可调，在真空干燥环境或氩气保护下冷却至100oC以下后，通过双辊压延机根据厚度要求进行压延，并用压延覆膜机将高分子无孔薄膜敷于锂带表面，所述锂带的厚度为10 µm-50 µm。
2.如权利要求1所述的一种锂金属电池用超薄锂带的制备方法，所述的真空干燥环境的真空度低于-0.1 MPa，湿度在1 %以下。
3.如权利要求1所述的一种锂金属电池用超薄锂带的制备方法，所述的加热釜内衬采用锂不敏感材料，锂不敏感材料为聚四氟乙烯或搪瓷。
4.如权利要求1所述的一种锂金属电池用超薄锂带的制备方法，所述的导电基材为铜箔、锡箔、导电碳箔或金箔的打孔基材或者网状结构基材。
5.如权利要求1所述的一种锂金属电池用超薄锂带的制备方法，双辊压延机的辊表面为涂覆锂不敏感材料，不敏感材料为聚四氟乙烯、聚乙烯和聚丙烯中的一种。
6.如权利要求1所述的一种锂金属电池用超薄锂带的制备方法，高分子无孔薄膜是无孔致密膜，高分子无孔薄膜为聚乙烯、聚丙烯和聚酯类薄膜中的一种。
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