CN111193004B - 一种复合镍极耳及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合镍极耳，其包括镍金属基体，所述镍金属基体的两个侧面上沉积有二元氮化物层；所述二元氮化物层由氮化铁钽、氮化铁铝、氮化铁钛、氮化铁铜、氮化铁锆和氮化锆铜中的至少一种构成。本发明的复合镍极耳对金属锂具有良好的润湿性，焊接时能与锂金属熔体完全融合，并表现出良好的结合力，有效避免了因结合力差而产生的界面阻抗大的问题，最终实现锂金属电池优良的电化学性能。

Description

一种复合镍极耳及其应用
技术领域
本发明涉及二次电池技术领域，尤其涉及一种复合镍极耳及其应用。
背景技术
金属锂拥有高的理论比容量(3860mAh/g)，是传统石墨负极理论比容量的十倍以上。因而，以金属锂为负极的锂金属电池受到工业界和学术界的广泛关注。同时，将金属锂与廉价的硫磺匹配组成的锂硫电池呈现超高的能量密度(2600Wh/kg)，被认为是下一代最有前途的储能器件。
目前，商业化锂电池的负极极耳通常为镍或铜镀镍极耳。由于铜、镍与锂金属的润湿性很差，采用常规的直流电焊或超声焊接的方式很难将锂负极与镍或铜镀镍极耳焊接在一起，这使得锂金属负极极耳焊接成为制约锂金属电池发展的一个关键瓶颈。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种复合镍极耳及其应用。
为实现其目的，本发明采取的技术方案包括以下几方面：
第一方面，本发明提供了一种复合镍极耳，其包括镍金属基体，所述镍金属基体的两个侧面上沉积有二元氮化物层；所述二元氮化物层由氮化铁钽、氮化铁铝、氮化铁钛、氮化铁铜、氮化铁锆和氮化锆铜中的至少一种构成。焊接时，本发明的二元氮化物可与锂金属发生化学反应，反应过程如下：M1M2N3+Li＝M1+M2+LiN3。反应生成的LiN3紧密附着在金属锂上，从而提高锂金属与极耳之间的润湿性和结合力，有效避免了金属锂负极与传统镍极耳焊接过程中存在的结合力差及界面阻抗大的问题，提升了锂金属电池的电化学性能。
优选地，所述二元氮化物层由磁控溅射和/或化学气相沉积的方法沉积而成。
优选地，所述镍金属基体的厚度为3～600μm。进一步优选地，所述镍金属基体的厚度为10～250μm。再进一步优选地，所述镍金属基体的厚度为15～50μm。镍金属基体太薄，在溅射或沉积过程中会容易变形。镍金属基体太厚，会容易导致极耳过重，不利于电池能量密度的发挥，同时溅射或沉积过程中产生的热量容易在基体上累积，使溅射或沉积不均匀。而厚度为15～50μm的镍金属基体具有较好的使用效果，不会导致极耳过重，不易变形，且能使氮化物层溅射或沉积均匀。
优选地，所述二元氮化物层的厚度为50nm～10μm。进一步优选地，所述二元氮化物层的厚度为0.1～10μm。再进一步优选地，所述二元氮化物层的厚度为0.5～5μm。二元氮化物层太薄会导致与锂的反应层较薄，润湿效果不明显。二元氮化物层太厚会造成比较费时的同时又容易脱落，造成结合力差。而厚度为0.5～5μm的二元氮化物层在溅射或沉积形成时所需耗费的时间较短，且其对金属锂具有较好的润湿效果，能与锂完全融合，结合力强，不易脱落。
第二方面，本发明提供了所述复合镍极耳的应用，具体是所述复合镍极耳在含锂金属负极的电池中的应用。
第三方面，本发明提供了一种电池，其包括锂金属负极，还包括本发明所述的复合镍极耳。
优选地，所述复合镍极耳通过直流点焊机与所述锂金属负极进行焊接。具体为：以所述复合镍极耳的所述二元氮化物层为焊接面，通过直流点焊机将其与锂金属负极进行焊接。焊接时，焊接处的二元氮化物与锂金属发生化学反应生成镍氮锂复合物层，提高了锂金属与极耳之间的润湿性和结合力，而且所发生的化学反应为吸热反应，在反应过程中会不断吸收热量，可防止锂金属局部高温，从而防止了因锂金属局部区域瞬时高温熔化而出现的熔体飞溅现象。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的复合镍极耳对金属锂具有良好的润湿性，焊接时能与锂金属熔体完全融合，并表现出良好的结合力，有效避免了因结合力差而产生的界面阻抗大的问题，最终实现锂金属电池优良的电化学性能。
附图说明
图1为本发明所述复合镍极耳的结构示意图。
图中，二元氮化物层1、镍金属基体2。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，本发明通过下列实施例进一步说明。显然，下列实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种复合镍极耳，如图1所示，其包括镍金属基体2和沉积于镍金属基体2两侧的二元氮化物层1。镍金属基体2的厚度为3～600μm，优选为10～250μm，进一步优选为15～50μm。二元氮化物层1的厚度为50nm～10μm，优选为0.1～10μm，进一步优选为0.5～5μm。二元氮化物层1由氮化铁钽、氮化铁铝、氮化铁钛、氮化铁铜、氮化铁锆和氮化锆铜中的至少一种构成。二元氮化物层1由磁控溅射和/或化学气相沉积的方法沉积而成。
实施例中采用的原料来源如下：氮化铁钽(NFETA，工业级)、氮化铁铝(NFEAL，工业级)、氮化铁钛(NFETI，工业级)、氮化铁铜(NFECU，工业级)、氮化铁锆(NFEZR，工业级)、氮化锆铜(NZRCU，工业级)；这些靶材购置于中诺新材科技有限公司。
实施例1
制备复合镍极耳：通过磁控溅射系统在16μm厚的镍金属基体的两侧分别溅射一层厚度为500nm的二元氮化物层。该二元氮化物层分别为氮化铁钽层、氮化铁铝层、氮化铁钛层、氮化铁铜层、氮化铁锆层或氮化锆铜层。
将250℃下熔融的金属锂滴加在复合镍极耳的二元氮化物层上，观察金属锂与极耳之间的接触角。以复合镍极耳的二元氮化物层为焊接面，通过直流点焊机将复合镍极耳与锂金属进行直流焊接，测试焊接后两者的结合力。结果如表1所示。
对比例1
将250℃下熔融的金属锂直接滴加在16μm厚的镍金属基体上，观察金属锂与镍金属基体之间的接触角。通过直流点焊机将镍金属基体与锂金属进行直流焊接，测试焊接后两者的结合力。结果如表1所示。
表1
润湿角/° 能否焊接 焊点结合力/N
氮化铁钽 6.2 能 44.9
氮化铁铝 5.5 能 46.7
氮化铁钛 8.7 能 41.2
氮化铁铜 7.4 能 42.3
氮化铁锆 6.8 能 43.2
氮化锆铜 6.9 能 43.1
对比例1 32.6 否 0.5
从表1的结果可看出，经本发明的二元氮化物修饰后，复合镍极耳对金属锂有良好的润湿性和结合力。且氮化铁铝修饰的镍极耳对金属锂的润湿性和结合力最佳。
实施例2
制备复合镍极耳：通过磁控溅射系统在厚度分别为1μm，7μm，13μm，32μm，124μm，420μm和650μm的镍金属基体的两侧分别溅射一层厚度为1μm的氮化铁铝层。
将250℃下熔融的金属锂滴加在复合镍极耳的氮化铁铝层上，观察金属锂与极耳之间的接触角。以复合镍极耳的氮化铁铝层为焊接面，通过直流点焊机将复合镍极耳与锂金属进行直流焊接，测试焊接后两者的结合力。结果如表2所示。
表2
润湿角/° 能否焊接 焊点结合力/N
1μm 6.1 否 0.9
7μm 5.9 能 42.7
13μm 5.7 能 44.2
32μm 5.4 能 47.3
124μm 5.8 能 44.5
420μm 5.9 能 42.1
650μm 6.4 否 0.7
从表2的结果可看出，镍金属基体的厚度对极耳的性能具有重要影响，太薄或太厚都会影响极耳与金属锂的焊接效果。而采用本发明所述厚度范围3～600μm的镍金属基体得到的复合镍极耳与锂金属具有较好的焊接效果，尤其是以厚度为15～50μm的镍金属基材得到的复合镍极耳对金属锂的润湿性和结合力最佳。
实施例3
制备复合镍极耳：通过磁控溅射系统在厚度为20μm的镍金属基体的两侧分别溅射一层厚度分别为0.04μm，0.08μm，0.4μm，2.8μm，6.9μm和12μm的氮化铁铝层。
将250℃下熔融的金属锂滴加在复合镍极耳的氮化铁铝层上，观察金属锂与极耳之间的接触角。以复合镍极耳的氮化铁铝层为焊接面，通过直流点焊机将复合镍极耳与锂金属进行直流焊接，测试焊接后两者的结合力。结果如表3所示。
表3
Figure BDA0002358303880000051
Figure BDA0002358303880000061
从表3的结果可看出，二元氮化物层的厚度会显著影响极耳与金属锂的焊接，而具有50nm～10μm厚的二元氮化物层的极耳与金属锂具有较好的焊接效果，润湿性和结合力佳。尤其是氮化铁铝层在0.5～5μm厚度范围内得到的复合镍极耳对金属锂的润湿性和结合力最佳。
实施例4
将实施例1的氮化铁铝修饰的镍极耳作为2Ah软包锂硫电池的极耳，然后在0.2C倍率下进行充放电循环测试。结果如表4所示。
对比例2
将镍金属集流体直接与锂捏合作为2Ah软包锂硫电池的极耳，然后在0.2C倍率下进行充放电循环测试。结果如表4所示。
表4
首次放电容量(Ah) 容量低于80％时的循环圈数
实施例4 1.98 244
对比例2 1.93 28
从表4的结果可看出，使用经本发明所述二元氮化物修饰后的极耳的锂硫电池具有优良的电化学性能。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种电池，其包括锂金属负极和焊接在锂金属负极上的复合镍极耳，其特征在于，所述复合镍极耳包括镍金属基体，所述镍金属基体的两个侧面上沉积有二元氮化物层；所述二元氮化物层由氮化铁钽、氮化铁铝、氮化铁钛、氮化铁铜、氮化铁锆和氮化锆铜中的至少一种构成；所述镍金属基体的厚度为3~600 µm；其中，以复合镍极耳的二元氮化物层为焊接面。
2.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述镍金属基体的厚度为10~250 µm。
3.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述镍金属基体的厚度为5~50 µm。
4.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述二元氮化物层的厚度为50 nm ~10 µm。
5.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述二元氮化物层的厚度为0.1~10 µm。
6.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述二元氮化物层的厚度为0.5~5 µm。
7.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述二元氮化物层由磁控溅射和/或化学气相沉积的方法沉积而成。
8.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述复合镍极耳通过直流点焊机与所述锂金属负极进行焊接。
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