CN110335990B - 一种锂电池用铜箔电极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂电池用铜箔电极，所述铜箔电极包括集流体多孔铜箔、负极活性物质与阻挡层；其中负极活性物质负载于集流体多孔铜箔的一侧；集流体多孔铜箔的另一侧、即与集流体多孔铜箔负载活性物质一侧的相对面，阻挡层紧密贴合于集流体多孔铜箔；阻挡层为石墨烯。集流体多孔铜箔通过孔的存在，有效的提高了集流体的表面积，也降低了电池的总质量，从而可以降低电流密度，抑制锂枝晶的生长，同时孔的部分也可以为锂的沉积生长提供空间。本发明将阻挡层紧密贴合在多孔铜箔背离隔膜的一侧，一定程度上解决了由于集流体多孔铜箔孔的存在、在使用过程中会有一定的锂离子穿过孔从而放电沉积在电池壳上，使电池有效容量下降的技术问题。

Description

一种锂电池用铜箔电极
技术领域
本发明属于锂电池领域，具体涉及到一种新型的锂电池用铜箔电极。
背景技术
目前商业锂电池大致可分为两类： 锂离子电池和锂金属电池。
锂离子电池是主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池由正极、负极、隔膜、电解液组成，锂离子以电解液为介质在正负极之间运动，实现电池的充放电。其中负极的性能是决定锂离子电池优良的关键。锂离子电池的负极由负极活性物质、粘合剂和添加剂混合形成胶合剂涂抹于集流体铜箔上，经干燥、滚压而成。由于多孔铜箔质量更小，减轻了电池本身的质量；且多孔铜箔可以负载更多的负极材料，因此在锂离子电池中，多孔铜箔作为集流体的应用会越来越广泛。
锂金属电池以金属锂为负极活性物质，金属锂被称为是电池界的“圣杯”负极。在上世纪九十年代，随着石墨负极的成功商用推广，金属锂负极被搁置。但是，随着近些年高能量密度锂硫和锂氧电池的巨大潜力，锂金属电池重新受到了人们的关注。但是锂金属电池的负极在应用时，往往会在充放电过程中产生锂枝晶，刺穿隔膜造成电池短路，从而使使用寿命降低，严重时可能会引发爆炸；另外，锂枝晶的生长会导致库伦效率下降，形成所谓的“死锂”。因此锂金属电池中，如何抑制锂枝晶的形成是相当重要的研究课题。在过去的四十年里，人们对金属锂的形核和沉积模型认识不断加深，人们开发了多种策略来抑制枝晶生长。其中负极集流体采用多孔铜箔就是抑制枝晶生长的方法之一，多孔结构可以负载更多的负极材料金属锂，还可调节锂离子沉积过程中的分布情况，使其均匀分布，在抑制枝晶的生长同时，多孔结构还能够缓解在充放电过程中的体积膨胀问题，从而在嵌锂的过程中保持良好的尺寸和机械稳定性。
然而在实际应用中，多孔铜箔作为集流体，孔的存在会使锂穿越铜箔，在铜箔背面沉积形成死锂，降低容量。因此需要解决多孔铜箔的锂穿越问题。
发明内容
本发明提供了一种新型的锂电池用铜箔电极，可以较好地解决多孔铜箔的锂穿越问题，提高电池有效容量。
一种锂电池用铜箔电极，包括集流体多孔铜箔、负极活性物质与阻挡层；其中活性物质负载于集流体多孔铜箔的一侧；集流体多孔铜箔的另一侧，即与集流体多孔铜箔负载活性物质一侧的相对面，阻挡层紧密贴合于集流体多孔铜箔；阻挡层为石墨烯；作为优选，石墨烯的层数在1~5层之间。作为优选，集流体多孔铜箔的厚度在8μm-20μm之间，且分布有直径为50μm-500μm的圆孔。
在上述极片中，集流体多孔铜箔通过孔的存在，有效的提高了集流体的表面积，也降低了电池的总质量，从而可以降低电流密度，抑制锂枝晶的生长，同时孔的部分也可以为锂的沉积生长提供空间。本发明的技术方案将阻挡层紧密贴合在多孔铜箔背离隔膜的一侧，一定程度上解决了由于集流体多孔铜箔孔的存在、在使用过程中会有一定的锂离子穿过孔从而放电沉积在电池壳上，使电池有效容量下降的技术问题。本发明之所以选择石墨烯作为阻挡层是基于如下3点考虑：
1、石墨烯非常薄，且密度低，即使是5层厚度的石墨烯也仅1nm厚，几乎不增加极片总厚度和总质量，因此对电池的装填密度不产生降低效果；
2、石墨烯导电性非常高，使得铜箔收集的电子很容易穿越阻挡层传导至电池壳体，不增加电池内阻；
3、石墨烯导热性非常好，其热导率甚至高于纯铜，因此虽然比常规电池增加了一个阻挡层，但是并不降低电池整体热传导性能。在充放电过程中产生的热量能够迅速导出到电池壳体。
本发明的优点在于：
较好的解决了在使用多孔铜箔时产生的锂离子穿过现象，一定程度阻止了电池容量的下降。
附图说明
图1为使用本发明的铜箔电极的锂电池核心结构示意图。其中 1为本发明提供的正极极片，2为隔膜，3为负极活性物质，4为集流体多孔铜箔，5为阻挡层。
图2为实施例1和实施例2的电池放电容量随循环次数的变化曲线。
具体实施方式
如图1所示，为使用本发明铜箔电极的锂电池核心结构示意图。可以看到，本发明的负极极片，包括集流体多孔铜箔4、负载于集流体多孔铜箔一侧的负极活性物质3、与紧密贴合在集流体多孔铜箔另一侧的阻挡层5。将本发明的锂电池负极极片用于锂电池时，如图1中，按正极极片1--隔膜2--负极极片自上而下的顺序，其中负极极片的集流体多孔铜箔负载活性物质的一侧与隔膜贴合。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
将锂锰氧活性材料与粘结剂混合调浆，涂覆于常规铜箔并自然晾干获得正极片。选用市场上厚度为8微米的无孔铜箔，采用皮秒激光打孔方式将无孔铜箔加工为含有孔径500微米的多孔铜箔，之后采用石墨烯胶带，将单层石墨烯压覆贴合在多孔铜箔的背面作为阻挡层。将正极片和上述含有石墨烯阻挡层的多孔铜箔置于切片机上，制成直径为12mm 的圆片，装在自封袋中，转移到手套箱里，留待组装电池。测试全电池结构采用扣式锂离子电池，在真空手套箱中组装。扣式电池按照负极壳、弹片（支撑片）、垫片、含有石墨烯阻挡层的多孔铜箔、锂片、隔膜、正极片、正极壳的顺序进行组装，并在隔膜两侧各滴加20μL 电解液。其中多孔铜箔的阻挡层与负极壳接触，多孔铜箔正面与锂片接触。装配电池过程中手套箱内的水含量＜0.1ppm，氧含量＜0.1ppm。组装完成后用封口机封口，从手套箱中取出进行电池性能测试。电池测试采用恒流充放电法，使用新威尔公司的CT-400 电池测试系统来测定铜箔的充放电曲线、库伦效率等基本特征参数，进而分析集流体铜箔的性能。
实施例2
具体实验过程与实施例1类似，但是所用多孔铜箔不含有石墨烯阻挡层。
实施例3
具体实验过程与实施例1类似，但是所用石墨烯平均层数为5层。
实施例4
具体实验过程与实施例1类似，但是所用石墨烯平均层数为10层。
实施例5
具体实验过程与实施例1类似，但是所用铜箔厚度为20微米，激光打孔孔径为50微米。
实施例6
具体实验过程与实施例1类似，但是所用铜箔厚度为100微米，激光打孔孔径为1000微米。
实施例1和实施例2的放电容量随循环次数的变化曲线如附图2所示，可见实施例1的放电容量高于实施例2，验证了本发明提出的“解决了在使用多孔铜箔时产生的锂离子穿过现象，一定程度阻止了电池容量的下降。”的思路。当循环次数为40次时，实施例1的电池放电容量为1689mAh/g，而实施例2的放电容量为1495mAh/g。
表1列出了上述实施例的电池循环到第40次时的电池放电容量数据，通过实施例1，实施例2的对比，可以看出具有阻挡层的新型电极结构的电池容量高于无阻挡层电极的电池容量。表1 各实施例中电池在第40次循环的电池放电容量
实施例 第40次循环的电池放电容量(mAh/g)
1 1689
2 1495
3 1697
4 1612
5 1680
6 1487
通过实施例1，实施例3和实施例4的对比，可以看出石墨烯层数在1~5层范围时，电池性能相对较优。
通过实施例1，实施例5和实施例6的对比，可以看出铜箔厚度在8~20微米，孔径在50~500微米范围时，电池性能相对较优。

Claims (3)

1.一种锂电池用铜箔电极，其特征在于：所述铜箔电极包括集流体多孔铜箔、负极活性物质与阻挡层；其中负极活性物质负载于集流体多孔铜箔的一侧；集流体多孔铜箔的另一侧、即与集流体多孔铜箔负载活性物质一侧的相对面，阻挡层紧密贴合于集流体多孔铜箔；阻挡层为石墨烯；
所述铜箔电极作为负极极片用于锂电池，安装时按正极极片--隔膜--负极极片自上而下的顺序，其中负极极片的集流体多孔铜箔负载活性物质的一侧与隔膜贴合。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池用铜箔电极，其特征在于：所述阻挡层石墨烯的层数在1～5层之间。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池用铜箔电极，其特征在于：集流体多孔铜箔的厚度为8μm-20μm，且分布有直径为50μm-500μm的圆孔。
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