CN108155420A - 一种电芯、电池及电池使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电芯、电池及电池使用方法。所述电芯包括电芯本体和锂源，所述电芯本体包括正极材料层和负极材料层，所述锂源包括锂极材料层，所述锂极材料层的厚度为5‑50μm，所述电芯本体和所述锂源非接触设置。本发明中的电芯、电池及电池使用方法，利用厚度为5‑50μm的锂极材料层为正极材料层或者负极材料层富锂化，即，将锂极材料层分别与正极材料层、负极材料层电连接，使得所述正极材料层和所述负极材料层上形成的SEI膜消耗的锂为所述锂极材料层上的锂，所述电池的电极的锂消耗量减少，进而使得首次充电中的不可逆容量减少，所述电池的容量得到提升。

Description

一种电芯、电池及电池使用方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电芯、电池及电池使用方法。
背景技术
随着电子产品及电动汽车的发展，人们对大容量电池的需求越来越迫切。然而，现有技术锂电池不仅实际容量大小比理论值要小，而且在使用的过程中，电池的容量会进一步减小，这是因为锂电池在首次充放电的过程中，会在所述正极材料层和所述负极材料层形成SEI膜，而SEI膜的形成会消耗电池电极上的部分锂离子，进而使得首次充放电不可逆容量增加，即，降低了电极材料的充放电效率，而且锂电池在使用过程中，负极上SEI膜随电池的循环厚度不断增大，因为这会损失更多的锂离子，并提高电极的阻抗，使电池的内阻增大，导致了容量下降,可充放电次数减少，电池的循环寿命较短。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电芯、电池及电池使用方法，用以解决锂电池中SEI膜形成造成的电池容量减少的问题。
为达到上述目的，一方面，本发明采用以下技术方案：
一种电芯，所述电芯包括电芯本体和锂源，所述电芯本体包括正极材料层和负极材料层，所述锂源包括锂极材料层，所述锂极材料层的厚度为5-50μm，所述电芯本体和所述锂源非接触设置。
由于锂极材料层的厚度为5-50μm，具有较好的柔性，锂极材料层、正极材料层及负极材料层可以一起卷成卷状电芯，当然，也可以直接采用板状电芯，其中，卷状电芯可以根据理论容量，适当增减卷绕圈数，满足实际使用要求。优选地，所述锂极材料层包括金属锂箔或者富锂合金箔。
金属锂箔或者富锂合金箔无需设置在多孔结构的导电集流体上，不仅不会影响导电性，而且锂金属不会因长期浸泡在电解液中而从导电集流体上脱落发生短路甚至爆炸，安全性高。
优选地，所述富锂合金箔包括Li13In3、LiZn、Li3Bi、Li3As中的一种。
所述Li13In3、LiZn、Li3Bi、Li3As增加了所述富锂合金箔的可选择性。
优选地，所述电芯还包括多个隔膜，所述正极材料层与所述负极材料层之间以及所述电芯本体与所述锂源之间均设置有所述隔膜，所述电芯本体上背离所述锂源的表面和/或所述锂源上背离所述电芯本体的表面设置有所述隔膜。
由于锂极材料层的厚度为5-50μm，具有较好的柔性，采用隔膜隔离锂极材料层、正极材料层及负极材料层，不仅极大的增强了安全性，而且减少了电池自身的重量，实用性得到了提高。优选地，所述正极材料层包括正极材料本体及附着在所述正极材料本体表面的石墨烯片或碳材料层。
所述石墨烯片或碳材料层能够增加所述正极材料层的导电性。优选地，所述正极材料层附加活性基团，所述活性基团包括苯环的边缘或苯环表面的官能团或石墨烯表面氧化的碳氧双键；
优选地，所述苯环表面的官能团包括﹥C＝O或-COOH；
优选地，所述正极材料本体包括磷酸铁锂或三元材料。
碳表面氧化后，连接到苯环的边缘或苯环表面的官能团(﹥C＝O或-COOH)或小的石墨烯片表面氧化的碳氧双键(＝C＝O)可以容易地与Li离子反应，生成-C＝O-Li或-COOLi，附加活性基团的正极材料，增加了额外锂离子嵌入，能够有效提升锂电池的能量密度和电池容量。
为达到上述目的，另一方面，本发明还采用以下技术方案：
一种电池，包括外壳和上述电芯，所述电芯位于所述外壳的内腔中。
所述电芯位于所述外壳的内腔中，所述外壳优选为铝壳，所述铝壳不易变形和刺破，满足抗外力强度要求，锂金属与空气接触或者锂金属与电极发生短路的发生率降低，有效避免了燃烧、爆炸等危险。
优选地，所述电池还包括正极耳、负极耳及锂极耳，所述正极材料层的一边与所述正极耳相连，所述负极材料层的一边与所述负极耳相连，所述锂极材料层的一边与所述锂极耳相连。
所述正极耳、负极耳及锂极耳能够提高所述电池的使用安全性。
优选地，所述电池还包括绝缘材质的保护罩，所述保护罩包覆所述锂极耳。
所述电池无需将所述锂极材料层与所述正极材料层或者负极材料层电连接时，需要将所述锂极耳与空气绝缘，以提高安全性能。
为达到上述目的，此外，本发明还采用以下技术方案：
一种电池使用方法，用于上述所述的电池，所述电池使用方法包括：富锂化步骤：通过锂化外部电路将所述正极材料层或者负极材料层与所述锂极材料层电连接；
充电步骤：通过充电外部电路将所述正极材料层与负极材料层电连接，以对所述电池进行充电；
放电步骤：通过放电外部电路将所述正极材料层与负极材料层电连接，以利用所述电池对放电外部电路中的用电设备供电。
所述富锂化步骤可以随时补偿正极材料层和所述负极材料层的锂离子，减缓所述电池的容量衰减。所述充电步骤可以实现对所述电池充电。所述放电步骤可以实现利用所述电池对放电外部电路中的用电设备供电。
优选地，所述富锂化步骤发生在所述电池首次充电之前或者所述电池正常使用之后。
所述富锂化发生在所述电池的首次充电之前，可以减少或消除SEI膜形成所消耗的正极锂离子，所述富锂化发生在所述电池正常使用之后，可以随时补偿正极材料层和所述负极材料层的锂离子，减缓所述电池的容量衰减。
本发明中的电芯、电池及电池使用方法，利用厚度为5-50μm的锂极材料层为正极材料层或者负极材料层富锂化，即，将锂极材料层分别与正极材料层、负极材料层电连接，使得所述正极材料层和所述负极材料层上形成的SEI膜消耗的锂为所述锂极材料层上的锂，所述电池的电极的锂消耗量减少，进而使得首次充电中的不可逆容量减少，所述电池的容量得到提升。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。
图1是本发明具体实施方式中电芯的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式中电池的结构示意图；
图3是本发明具体实施方式中富锂化操作示意图。
图中：
1、正极材料层；
2、负极材料层；
3、锂极材料层；
4、隔膜；
5、正极耳；
6、负极耳；
7、锂极耳；
8、外壳。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
参照图1-图3所示，本发明中的电芯包括电芯本体和锂源，如图1所示，所述电芯本体包括正极材料层1和负极材料层2，所述锂源包括锂极材料层3，所述锂极材料层3的厚度为5-50μm，厚度为5-50μm的锂极材料层3质量较轻，实用性好。所述电芯本体和所述锂源非接触设置，所述锂源可以设置在所述电芯本体的正极一侧，也可以设置所述电芯本体的负极一侧，优选地，所述锂极材料层3和所述电芯本体相对设置，即，所述锂极材料层3和所述电芯本体之间的相对面积为所述锂极材料层3的面积。
本发明中的电芯中，由于锂极材料层3的厚度为5-50μm，具有较好的柔性，锂极材料层3、正极材料层1及负极材料层2可以一起卷成卷状电芯，当然，也可以直接采用板状电芯，其中，卷状电芯可以根据理论容量，适当增减卷绕圈数，满足实际使用要求。
所述锂极材料层3包括金属锂箔或者富锂合金箔，优选地，所述富锂合金箔包括Li13In3、LiZn、Li3Bi、Li3As中的一种，金属锂箔或者富锂合金箔无需设置在多孔结构的导电集流体上，不仅不会影响导电性，而且锂金属不会因长期浸泡在电解液中而从导电集流体上脱落发生短路甚至爆炸，安全性高。
所述电芯还包括多个隔膜4，所述正极材料层1与所述负极材料层2之间以及所述电芯本体与所述锂源之间均设置有所述隔膜4，所述电芯本体上背离所述锂源的表面和/或所述锂源上背离所述电芯本体的表面设置有所述隔膜4。由于锂极材料层3的厚度为5-50μm，具有较好的柔性，采用隔膜4隔离锂极材料层3、正极材料层1及负极材料层2，不仅极大的增强了安全性，而且减少了电池自身的重量，实用性得到了提高。
所述正极材料层1包括正极材料本体及附着在所述正极材料本体表面的石墨烯片或碳材料层。所述正极材料层附加活性基团，所述活性基团包括苯环的边缘或苯环表面的官能团或石墨烯表面氧化的碳氧双键(＝C＝O)，所述苯环表面的官能团例如可以是﹥C＝O或-COOH，优选地，所述正极材料本体包括磷酸铁锂、三元材料等，如此，碳表面氧化后，连接到苯环的边缘或苯环表面的官能团(﹥C＝O或-COOH)或小的石墨烯片表面氧化的碳氧双键(＝C＝O)可以容易地与Li离子反应，生成-C＝O-Li或-COOLi，附加活性基团的正极材料，增加了额外锂离子嵌入，能够有效提升锂电池的能量密度和电池容量。
本发明中的电池，如图2所示，包括上述所述的电芯，所述电芯位于所述外壳8的内腔中，所述外壳8为铝壳，所述铝壳不易变形和刺破，满足抗外力强度要求，锂金属与空气接触或者锂金属与电极发生短路的发生率降低，有效避免了燃烧、爆炸等危险。
所述电池还包括正极耳5、负极耳6及锂极耳7，所述正极材料层1的一边与所述正极耳5相连，所述负极材料层2的一边与所述负极耳6相连，所述锂极材料层3的一边与所述锂极耳7相连。所述铝壳和所述锂极耳7非接触焊接，起到了很好的焊接密封性，有效隔绝了锂极材料层3与空气接触，安全性得到了提高。所述正极耳5、所述负极耳6及所述锂极耳7可以分布在所述电池的一端，也可以分布在所述电芯的两端。当所述正极耳5、所述负极耳6及所述锂极耳7分布在所述电池的一端时，所述锂极耳7优选位于所述正极耳5和所述负极耳6之间。
当电池无需将所述锂极材料层3与所述正极材料层1或者负极材料层2电连接时，需要将所述锂极耳7与空气绝缘，以提高安全性能。故此，所述电池还包括保护罩，所述保护罩包覆所述锂极耳7，所述保护罩为绝缘材质，此时，所述电池只有正极耳5和负极耳6露于外部，和传统的电池使用方法一样，当需要将所述锂极材料层3与所述正极材料层1或者负极材料层2电连接时，将所述保护罩摘除即可。
本发明中的电池使用方法，用于含有锂极材料层3的电池，所述电池使用方法包括：
富锂化步骤：通过锂化外部电路将所述正极材料层或者负极材料层与所述锂极材料层电连接；
充电步骤：通过充电外部电路将所述正极材料层与负极材料层电连接，以对所述电池进行充电；
放电步骤：通过放电外部电路将所述正极材料层与负极材料层电连接，以利用所述电池对放电外部电路中的用电设备供电。
所述富锂化步骤可以发生在所述电池首次充电之前或者所述电池正常使用之后，所述富锂化发生在所述电池的首次充电之前，可以减少或消除SEI膜形成所消耗的正极锂离子，所述富锂化发生在所述电池正常使用之后，可以随时补偿正极材料层1和所述负极材料层2的锂离子，减缓所述电池的容量衰减。
如图3所示，正极富锂化：正极富锂化形成SEI膜或为表面官能团提供额外锂离子，将正极耳5和锂极耳7进行放电，放电电压2.5-0V,放电时间0-30分钟，此时，正极耳5作为放电正极，锂极耳7作为放电负极；负极富锂化：负极富锂化形成SEI膜，将负极耳6和锂极耳7进行放电，放电例如可以采用蓝电电池测试系统或增加负载进行放电，放电电压1.5-0V，放电时间0-30分钟，此时，负极耳6作为放电正极，锂极耳7作为放电负极。值得说明的是，正极富锂化和负极富锂化是利用额外的锂源，减少或者消除对正极和负极上的锂的消耗，由于电极材料的不同，使用条件可能不同，正极富锂化和负极富锂化中，上述放电时间和放电电压会有不同。
富锂化完成后，将所述保护罩罩在所述锂极耳7上，暂时不使用，此时，所述电池可按照常规电池使用，进行充电和放电。在所述电池后续使用中，可以随时手动对所述正极材料层1和所述负极材料层2进行补偿，减缓电池容量衰减，增加锂电池使用寿命。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电芯，其特征在于，所述电芯包括电芯本体和锂源，所述电芯本体包括正极材料层和负极材料层，所述锂源包括锂极材料层，所述锂极材料层的厚度为5-50μm，所述电芯本体和所述锂源非接触设置。
2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述锂极材料层包括金属锂箔或者富锂合金箔。
3.根据权利要求2所述的电芯，其特征在于，所述富锂合金箔包括Li13In3、LiZn、Li3Bi、Li3As中的一种。
4.根据权利要求1-3之一所述的电芯，其特征在于，所述电芯还包括多个隔膜，所述正极材料层与所述负极材料层之间以及所述电芯本体与所述锂源之间均设置有所述隔膜，所述电芯本体上背离所述锂源的表面和/或所述锂源上背离所述电芯本体的表面设置有所述隔膜。
5.根据权利要求4所述的电芯，其特征在于，所述正极材料层包括正极材料本体及附着在所述正极材料本体表面的石墨烯片或碳材料层。
6.根据权利要求4所述的电芯，其特征在于，所述正极材料层附加活性基团，所述活性基团包括苯环的边缘或苯环表面的官能团或石墨烯表面氧化的碳氧双键；
优选地，所述苯环表面的官能团包括﹥C＝O或-COOH；
优选地，所述正极材料本体包括磷酸铁锂或三元材料。
7.一种电池，其特征在于，包括外壳和如权利要求1-6之一所述的电芯，所述电芯位于所述外壳的内腔中。
8.根据权利要求7所述的电池，其特征在于，所述电池还包括正极耳、负极耳及锂极耳，所述正极材料层的一边与所述正极耳相连，所述负极材料层的一边与所述负极耳相连，所述锂极材料层的一边与所述锂极耳相连。
9.根据权利要求8所述的电池，其特征在于，所述电池还包括绝缘材质的保护罩，所述保护罩包覆所述锂极耳。
10.一种电池使用方法，其特征在于，用于如权利要求7-9之一所述的电池，所述电池使用方法包括：
富锂化步骤：通过锂化外部电路将所述正极材料层或者负极材料层与所述锂极材料层电连接；
充电步骤：通过充电外部电路将所述正极材料层与负极材料层电连接，以对所述电池进行充电；
放电步骤：通过放电外部电路将所述正极材料层与负极材料层电连接，以利用所述电池对放电外部电路中的用电设备供电。
11.根据权利要求10所述的电池使用方法，其特征在于，所述富锂化步骤发生在所述电池首次充电之前或者所述电池正常使用之后。
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