CN107665977B - 一种高安全型锂金属负极电池 - Google Patents

一种高安全型锂金属负极电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，公开了一种高安全型锂金属负极电池，包括正极、负极、隔膜和电解液。所述负极包括铜集流体和涂覆于所述铜集流体表面的锂金属复合负极浆料；所述锂金属复合负极浆料的制备方法如下：将锂金属与烃油混合并加热熔融，将熔融后的锂金属与具有正温度系数的导电聚合物混合并分散均匀，洗去烃油，干燥后制得导电聚合物包覆的锂金属粉末，将导电聚合物包覆的锂金属粉末与粘结剂复配并添加到有机溶剂中。本发明的电池的锂金属负极稳定性好，能量密度高，且安全性高，不易发生起火爆炸。

Description

一种高安全型锂金属负极电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种高安全型锂金属负极电池。
背景技术
锂离子电池具有无污染、能量密度功率密度高、电压高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应等优点，已经被广泛用于手机、相机、笔记本电脑等数码产品，并且随着电动汽车的发展，锂电池也已被广泛作为车用动力电池。随着科技的进步，人们迫切需要一种高能量密度的锂离子电池来满足各种电器的小型化、轻薄化的发展趋势，以及电动汽车亟待提升的续航里程。所以当下各大电池制造厂商都在想尽一切办法提高电池的能量密度，然而现在商用的锂电池负极材料石墨的理论容量只有372mAh/g,且第一次充放电循环又会产生很大的不可逆容量损失,所以它已经无法满足高能量密度电池的需求了，硅负极虽然具有很高的理论比容量4200mAh/g，但是由于其充放电过程中的体积膨胀问题，目前还没办法大规模应用，而金属锂的理论比容量达3860mAh/g,且锂电极的交换电流密度大、极化小,是最理想的电极材料。但是，锂金属极其活泼，会与空气中的氧、水反应，因此锂金属作为负极十分不稳定，对锂离子电池安全性不好，在热失控的情况下易发生起火爆炸。
针对锂金属不稳定的问题，有专利提出了将锂金属粉末化提高其稳定性，但是得到的稳定化的锂金属粉末储存时间较短，只能在低湿低氧的环境下使用，且这种稳定化的锂金属粉末并未直接用作锂离子电池负极。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高安全型锂金属负极电池。本发明的电池的锂金属负极稳定性好，能量密度高，且安全性高，不易发生起火爆炸。
本发明的具体技术方案为：一种高安全型锂金属负极电池，包括正极、负极、隔膜和电解液。所述负极包括铜集流体和涂覆于所述铜集流体表面的锂金属复合负极浆料；所述锂金属复合负极浆料的制备方法如下：将锂金属与烃油混合并加热熔融，将熔融后的锂金属与具有正温度系数的导电聚合物混合并分散均匀，洗去烃油，干燥后制得导电聚合物包覆的锂金属粉末，将导电聚合物包覆的锂金属粉末与粘结剂复配并添加到有机溶剂中。
在本发明的技术方案中，使用一层包覆材料包覆锂金属粉末，使得化学性质活泼的锂金属能够在常规环境下使用；该包覆材料是导电聚合物，保护锂金属的同时并不影响其导电性；且该包覆材料具有特殊的正温度系数效应，能起到超温保护作用。
作为优选，所述导电聚合物包覆的锂金属粉末的制备方法如下：
将锂金属在室温、恒定的干氩气流条件下加入反应器中，向反应器中添加锂金属质量2.5-3.5倍的烃油，然后将该反应器加热至185-195℃，在300-600r/min转速下搅拌至锂金属完全熔融；接着以5000-7000r/min的转速继续搅拌 2-5min；然后停止搅拌，冷却至38-42℃，将预先熔融在烃油中的导电聚合物添加到该反应器中，导电聚合物的质量为锂金属质量的3-4%，在1000-1500r/min转速下搅拌分散15-30min；然后将反应产物取出，在氩气氛围下进行过滤，先后用己烷、正戊烷洗去固体物质上的烃油，然后干燥去除剩余烃油，制得导电聚合物包覆的锂金属粉末。
上述方法制得的导电聚合物包覆的锂金属粉末，包覆效果适中，常温下导电性好，在有机溶剂中分散性好，特别适和用作锂离子电池负极。
作为优选，所述锂金属复合负极浆料的制备方法如下：将导电聚合物包覆的锂金属粉末与粘结剂按质量比例93-97:3-7混合，添加到NMP中。
作为优选，所述导电聚合物为聚3-甲基噻吩、聚3-癸基噻吩或聚3-丁基噻吩。
作为优选，所述烃油为矿物油、页岩油或石油。
作为优选，所述正极的正极活性物质为能够进行脱锂及嵌锂反应的锂化材料或非锂化材料。
作为优选，所述锂化材料选自磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂中的至少一种；所述非锂化材料选自MnO2、V2O5、MoS2、过渡金属磷酸盐、过渡金属氟化物中的至少一种。
作为优选，所述隔膜为具有多孔结构的薄膜类物质，隔膜材料为聚乙烯、聚丙烯或聚酰亚胺。
作为优选，所述电解液为能内部传到锂离子的锂盐的有机溶液、离子液体或固体电解质。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
1、本发明的对锂金属粉末进行了稳定化处理，作为锂离子电池负极材料可以在常规环境下使用。
2、本发明将锂金属粉末用作锂离子电池负极，显著提高了锂电池的能量密度。
3、本发明的锂金属粉末的外层包覆材料具有PTC效应，其自身内阻在高温下（约100℃）急剧增加，使负极变为绝缘体，阻断了反应的进一步发生，当电池热失控时能自动阻断离子传输和电子传输，保障电池的安全。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种高安全型锂金属负极电池，包括正极、负极、隔膜和电解液。
所述负极包括铜集流体和涂覆于所述铜集流体表面的锂金属复合负极浆料。
所述锂金属复合负极浆料的制备方法如下： 将锂金属切片在室温、恒定的干氩气流条件下加入反应器中，向反应器中添加锂金属质量3倍的矿物油，然后将该反应器加热至190℃，在450r/min转速下搅拌至锂金属完全熔融；接着以6000r/min的转速继续搅拌3.5min；然后停止搅拌，冷却至40℃，将预先熔融在矿物油中的聚3-甲基噻吩添加到该反应器中，导电聚合物的质量为锂金属质量的3.5%，在1300r/min转速下搅拌分散22min；然后将反应产物取出，在氩气氛围下进行过滤，先后用己烷洗涤三次、正戊烷洗涤一次洗去固体物质上的矿物油，然后干燥去除剩余矿物油，制得导电聚合物包覆的锂金属粉末。将导电聚合物包覆的锂金属粉末与粘结剂PVDF按质量比例95:5混合，添加到NMP中。
负极片制备：将上述制得的锂金属复合负极浆料涂覆在铜集流体上，然后将极片进行碾压分切，制成负极片。
正极片制备：选取锰酸锂作为正极材料，按正极活性材料:导电剂:粘结剂PVDF＝90∶5∶5 的质量比例混合正极浆料，均匀涂覆在正极基流体铝箔上。干燥后用碾压机进行碾压，然后分切制成正极极片。
隔膜准备：选取商用聚乙烯隔膜。
电解液准备：选取商用LiPF6溶于有机溶液的电解液。
电池制备：上述正负极片和隔膜通过叠片的方式制得电芯，然后封装在铝塑膜内，注入电解液，密封，化成得到锂金属负极的电池。
实施例2
一种高安全型锂金属负极电池，包括正极、负极、隔膜和电解液。
所述负极包括铜集流体和涂覆于所述铜集流体表面的锂金属复合负极浆料。
所述锂金属复合负极浆料的制备方法如下： 将锂金属在室温、恒定的干氩气流条件下加入反应器中，向反应器中添加锂金属质量2.5倍的页岩油，然后将该反应器加热至185℃，在600r/min转速下搅拌至锂金属完全熔融；接着以5000r/min的转速继续搅拌5min；然后停止搅拌，冷却至38℃，将预先熔融在页岩油中的聚3-癸基噻吩添加到该反应器中，导电聚合物的质量为锂金属质量的3%，在1000r/min转速下搅拌分散30min；然后将反应产物取出，在氩气氛围下进行过滤，先后用己烷洗涤三次、正戊烷洗涤一次洗去固体物质上的页岩油，然后干燥去除剩余页岩油，制得导电聚合物包覆的锂金属粉末。将导电聚合物包覆的锂金属粉末与粘结剂PVDF按质量比例93:7混合，添加到NMP中。
负极片制备：将上述制得的锂金属复合负极浆料涂覆在铜集流体上，然后将极片进行碾压分切，制成负极片。
正极片制备：选取磷酸铁锂作为正极材料，按正极活性材料:导电剂:粘结剂PVDF＝90∶5∶5 的质量比例混合正极浆料，均匀涂覆在正极基流体铝箔上。干燥后用碾压机进行碾压，然后分切制成正极极片。
隔膜准备：选取商用聚丙烯隔膜。
电解液准备：选取商用LiPF6溶于有机溶液的电解液。
电池制备：上述正负极片和隔膜通过叠片的方式制得电芯，然后封装在铝塑膜内，注入电解液，密封，化成得到锂金属负极的电池。
实施例3
一种高安全型锂金属负极电池，包括正极、负极、隔膜和电解液。
所述负极包括铜集流体和涂覆于所述铜集流体表面的锂金属复合负极浆料。
所述锂金属复合负极浆料的制备方法如下： 将锂金属在室温、恒定的干氩气流条件下加入反应器中，向反应器中添加锂金属质量3.5倍的石油，然后将该反应器加热至195℃，在300r/min转速下搅拌至锂金属完全熔融；接着以7000r/min的转速继续搅拌 2min；然后停止搅拌，冷却至42℃，将预先熔融在石油中的聚3-丁基噻吩添加到该反应器中，导电聚合物的质量为锂金属质量的4%，在1500r/min转速下搅拌分散15min；然后将反应产物取出，在氩气氛围下进行过滤，先后用己烷洗涤三次、正戊烷洗涤一次洗去固体物质上的石油，然后干燥去除剩余石油，制得导电聚合物包覆的锂金属粉末。将导电聚合物包覆的锂金属粉末与粘结剂PVDF按质量比例97:3混合，添加到NMP中。
负极片制备：将上述制得的锂金属复合负极浆料涂覆在铜集流体上，然后将极片进行碾压分切，制成负极片。
正极片制备：选取钴酸锂作为正极材料，按正极活性材料:导电剂:粘结剂PVDF＝90∶5∶5 的质量比例混合正极浆料，均匀涂覆在正极基流体铝箔上。干燥后用碾压机进行碾压，然后分切制成正极极片。
隔膜准备：选取商用聚酰亚胺隔膜。
电解液准备：选取商用LiPF6溶于有机溶液的电解液。
电池制备：上述正负极片和隔膜通过叠片的方式制得电芯，然后封装在铝塑膜内，注入电解液，密封，化成得到锂金属负极的电池。
实施例4
一种高安全型锂金属负极电池，包括正极、负极、隔膜和电解液。
所述负极包括铜集流体和涂覆于所述铜集流体表面的锂金属复合负极浆料。
所述锂金属复合负极浆料的制备方法如下： 将锂金属在室温、恒定的干氩气流条件下加入反应器中，向反应器中添加锂金属质量3倍的矿物油，然后将该反应器加热至195℃，在500r/min转速下搅拌至锂金属完全熔融；接着以6500r/min的转速继续搅拌 4min；然后停止搅拌，冷却至40℃，将预先熔融在矿物油中的聚3-甲基噻吩添加到该反应器中，导电聚合物的质量为锂金属质量的3.5%，在1200r/min转速下搅拌分散20min；然后将反应产物取出，在氩气氛围下进行过滤，先后用己烷洗涤三次、正戊烷洗涤一次洗去固体物质上的矿物油，然后干燥去除剩余矿物油，制得导电聚合物包覆的锂金属粉末。将导电聚合物包覆的锂金属粉末与粘结剂PVDF按质量比例96:4混合，添加到NMP中。
负极片制备：将上述制得的锂金属复合负极浆料涂覆在铜集流体上，然后将极片进行碾压分切，制成负极片。
正极片制备：选取MnO2作为正极材料，按正极活性材料:导电剂:粘结剂PVDF＝90∶5∶5 的质量比例混合正极浆料，均匀涂覆在正极基流体铝箔上。干燥后用碾压机进行碾压，然后分切制成正极极片。
隔膜准备：选取商用聚乙烯隔膜。
电解液准备：选取商用LiPF6溶于有机溶液的电解液。
电池制备：上述正负极片和隔膜通过叠片的方式制得电芯，然后封装在铝塑膜内，注入电解液，密封，化成得到锂金属负极的电池。
实施例5
一种高安全型锂金属负极电池，包括正极、负极、隔膜和电解液。
所述负极包括铜集流体和涂覆于所述铜集流体表面的锂金属复合负极浆料。
所述锂金属复合负极浆料的制备方法如下： 将锂金属在室温、恒定的干氩气流条件下加入反应器中，向反应器中添加锂金属质量3倍的页岩油，然后将该反应器加热至190℃，在500r/min转速下搅拌至锂金属完全熔融；接着以5500r/min的转速继续搅拌 4min；然后停止搅拌，冷却至40℃，将预先熔融在页岩油中的聚3-丁基噻吩添加到该反应器中，导电聚合物的质量为锂金属质量的4%，在1400r/min转速下搅拌分散25min；然后将反应产物取出，在氩气氛围下进行过滤，先后用己烷洗涤三次、正戊烷洗涤一次洗去固体物质上的页岩油，然后干燥去除剩余页岩油，制得导电聚合物包覆的锂金属粉末。将导电聚合物包覆的锂金属粉末与粘结剂PVDF按质量比例93-97:3-7混合，添加到NMP中。
负极片制备：将上述制得的锂金属复合负极浆料涂覆在铜集流体上，然后将极片进行碾压分切，制成负极片。
正极片制备：选取MoS2作为正极材料，按正极活性材料:导电剂:粘结剂PVDF＝90∶5∶5 的质量比例混合正极浆料，均匀涂覆在正极基流体铝箔上。干燥后用碾压机进行碾压，然后分切制成正极极片。
隔膜准备：选取商用聚丙烯隔膜。
电解液准备：选取商用LiPF6溶于有机溶液的电解液。
电池制备：上述正负极片和隔膜通过叠片的方式制得电芯，然后封装在铝塑膜内，注入电解液，密封，化成得到锂金属负极的电池。
对实施例1制得的锂离子电池进行测试，该电池的能量密度能达到500Wh/kg且具有较好的循环性能。并且该电池能够通过过充、过放、针刺和挤压等安全测试，说该电池具有非常好的安全性能。
将储存一个月后的导电聚合物包覆的锂金属粉末按照上述方法做成电池，进行测试并与上述电池性能进行对比发现，电池性能并没有差别，说明该种导电聚合物包覆的锂金属粉末具有良好的储存性能。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种高安全型锂金属负极电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，其特征在于：所述负极包括铜集流体和涂覆于所述铜集流体表面的锂金属复合负极浆料；所述锂金属复合负极浆料的制备方法如下：将锂金属与烃油混合并加热熔融，将熔融后的锂金属与具有正温度系数的导电聚合物混合并分散均匀，洗去烃油，干燥后制得导电聚合物包覆的锂金属粉末，将导电聚合物包覆的锂金属粉末与粘结剂复配并添加到有机溶剂中；所述导电聚合物为聚3-甲基噻吩、聚3-癸基噻吩或聚3-丁基噻吩。
2.如权利要求1所述的一种高安全型锂金属负极电池，其特征在于，所述导电聚合物包覆的锂金属粉末的制备方法如下：
将锂金属在室温、恒定的干氩气流条件下加入反应器中，向反应器中添加锂金属质量2.5-3.5倍的烃油，然后将该反应器加热至185-195℃，在300-600r/min转速下搅拌至锂金属完全熔融；接着以5000-7000r/min的转速继续搅拌 2-5min；然后停止搅拌，冷却至38-42℃，将预先熔融在烃油中的导电聚合物添加到该反应器中，导电聚合物的质量为锂金属质量的3-4%，在1000-1500r/min转速下搅拌分散15-30min；然后将反应产物取出，在氩气氛围下进行过滤，先后用己烷、正戊烷洗去固体物质上的烃油，然后干燥去除剩余烃油，制得导电聚合物包覆的锂金属粉末。
3.如权利要求1或2所述的一种高安全型锂金属负极电池，其特征在于，所述锂金属复合负极浆料的制备方法如下：将导电聚合物包覆的锂金属粉末与粘结剂按质量比例93-97:3-7混合，添加到NMP中。
4.如权利要求1或2所述的一种高安全型锂金属负极电池，其特征在于，所述烃油为矿物油、页岩油或石油。
5.如权利要求1或2所述的一种高安全型锂金属负极电池，其特征在于，所述正极的正极活性物质为能够进行脱锂及嵌锂反应的锂化材料或非锂化材料。
6.如权利要求5所述的一种高安全型锂金属负极电池，其特征在于，所述锂化材料选自磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂中的至少一种；所述非锂化材料选自MnO2、V2O5、MoS2、过渡金属磷酸盐、过渡金属氟化物中的至少一种。
7.如权利要求1或2所述的一种高安全型锂金属负极电池，其特征在于，所述隔膜为具有多孔结构的薄膜类物质，隔膜材料为聚乙烯、聚丙烯或聚酰亚胺。
8.如权利要求1或2所述的一种高安全型锂金属负极电池，其特征在于，所述电解液为能内部传到锂离子的锂盐的有机溶液、离子液体或固体电解质。
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