CN111682163A - 一种锂电池用锂转移式补锂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂电池用锂转移式补锂方法，该补锂方法以基膜‑基底‑锂金属的复合结构为锂转移层，使锂转移层的锂金属侧与电极层补锂工艺面相对，经1‑100kg压力碾压后去除基膜层，形成基底‑锂‑电极结构的补锂电极成品。本发明通过锂转移层补锂，提升工艺安全性的同时，实现了补锂厚度纳米级调控，获得了均匀、连续的补锂层，获得了更加优良的补锂效果；并使用卷绕设备进行锂转移操作，适合规模化生产，该技术适用于现有设备，不需要开发专用设备；由于基底层材料选用了具有高离子电导率的材料，不会对电池性能造成影响。

Description

一种锂电池用锂转移式补锂方法
技术领域
本发明属于电化学储能技术领域，特别是涉及一种锂电池用锂转移式补锂方法。
背景技术
电化学能源的发展与人民生活，国防工业密不可分。生活中使用的消费电子产品、电驱动新能源车、分布式电网都离不开化学储能。随着人们对消费电子产品依赖程度增加，对电子设备待机时间的要求与日俱增。另一方面，目前主流动力电池能量密度大约为250-300Wh/Kg，我国计划电动车用动力电池能量密度2025年实现400Wh/Kg。同时，近年来快速发展的分布式电网系统(特别是分布式光伏发电)在配备了储能部分后，通过调峰输出可以实现经济效益最大化。以上各方面的需求使得对电池能量密度，输出电压等性能提出了更加严峻的挑战。
提高电池能量密度大致可以分为提升材料性能及优化电池结构两条技术路线。为提升材料性能，传统锂粉补锂、含锂溶液补锂可以获得均一化的补锂效果，但以锂粉为锂源时，由于锂的高活性易导致生产事故的发生，含锂溶液的使用造成了大量废弃溶剂的产生，易造成环境污染。锂箔补锂由于锂金属具有极佳的延展性，在碾压至低于85μm左右厚度时，锂箔机械强度已无法支撑其继续减薄，所以在实际的补锂过程中多为斑马纹的锂条式补锂，补锂的均匀化效果差，易造成局部过量或欠锂。且由于存在厚度差，补锂后的压实容易造成电极承受纵向剪切，导致电极脱落、开裂。
发明内容
本发明的目的在于解决目前提升材料性能的问题，从而提出了一种锂电池用锂转移式补锂方法。该方法通过锂转移层补锂，提升安全性的同时，实现了补锂厚度微米级调控，获得了均匀、连续的补锂层，获得了更加优良的补锂效果；并使用卷绕设备进行锂转移操作，适合规模化生产，该技术适用于现有设备，不需要开发专用设备；由于基底层材料选用了具有高离子电导率的材料，不会对电池性能造成影响；对锂金属负极来说通过对基底层赋形，转移后可以获得具有立体表面结构的电沉积表面。
本发明是这样实现的，一种锂电池用锂转移式补锂方法，该补锂方法以基膜-基底-锂金属的复合结构为锂转移层，使锂转移层的锂金属侧与电极层补锂工艺面相对，经1-100kg压力碾压后去除基膜层，形成基底-锂-电极补锂电极成品。
在上述技术方案中，优选的，所述锂转移层厚度小于200μm，其制备方法采用物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、表面熔融、喷涂、3D打印、匀浆、浸渍提拉工艺中的一种方法制备；并通过卷绕设备进行锂转移。
在上述技术方案中，进一步优选的，所述物理气相沉积包括但不限于真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延中的一种。
所述化学气相沉积包括但不限于常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、超高真空化学气相沉积、激光化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积，等离子体增强化学气相沉积中的一种。
在上述技术方案中，优选的，所述基膜层材料包括但不限于金属箔、聚合物中的一种或多种组合。
在上述技术方案中，优选的，所述基膜层的厚度为1-100μm。
在上述技术方案中，进一步优选的，所述金属箔包括但不限于Cu、Al、不锈钢中的一种或多种组合；所述聚合物包括但不限于聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种组合。
在上述技术方案中，优选的，所述基底层材料包括但不限于陶瓷、碳基、聚合物中的一种或多种组合，所述基底层材料为片层状或多孔状材料。
在上述技术方案中，进一步优选的，所述陶瓷包括但不仅限于SnO4、ITO、i·ZnO、AZO、LiPON、P2S5、LLMO、LALMO、LLTO、LLZO、LLZTO、LATP、LAGP、LAPO、LZGO中的一种或者多种组合。
碳基包括但不限于石墨、碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳中的一种或多种组合。
聚合物包括但不限于聚偏氟乙烯、聚醋酸乙烯、丁苯橡胶、聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧丙烷中的一种或多种组合。
在上述技术方案中，优选的，所述基底层可以为单层或多层结构，当基底层为多层结构时，层材料可选用同种材料或不同材料复合；所述基底层厚度控制在0.1-100μm，当基底层为多层时，根据工艺需求对单层厚度进行调节。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.本发明摒弃了传统锂粉、含锂溶液补锂，提升了安全性；不同于锂条补锂，改善了可操作性。
2.本发明的锂金属层通过电化学、物理沉积法等制备，在实现厚度可控的同时保证了锂金属层的厚度均匀性，提升了补锂效果。
3.本发明制备的锂转移带可以使用卷绕设备进行锂转移操作，适合规模化生产。
4.本发明在完成锂转移的同时，由于基层材料选用了具有负极-电解液界面保护作用的材料，因此实现了非原位SEI集成制备，在提升了工艺兼容性的同时，增强了负极的循环稳定性。
5.本发明提供了一种锂转移补锂技术，该技术针对高容量锂二次电池，特别是新一代含硅负极及锂金属负极，但同时也适用于其他需要补锂的材料体系。
6.本发明涉及的锂转移层制备及使用方法适用于现有设备，不需要开发专用设备。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的锂转移层与电极层补锂工艺面相对进行碾压的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的去掉基膜后得到石墨烯-锂-电极补锂电极成品的结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的锂转移层与电极层补锂工艺面相对进行碾压的结构示意图；
图4为本发明实施例2提供的去掉基膜后得到石墨烯-锂-电极补锂电极成品的结构示意图。
图中：1-PET基膜；2-石墨烯基底层；3-锂金属层；4-电极层；5-铜箔基膜；6-LLZTO基底层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的实施例提供一种锂电池用锂转移式补锂方法，该补锂方法以基膜-基底-锂金属的复合结构为锂转移层，使锂转移层的锂金属侧与电极层补锂工艺面相对，经1-100kg压力碾压后去除基膜层，形成基底-锂-电极补锂电极成品。
所述锂转移层厚度小于200μm，其制备方法采用物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、表面熔融、喷涂、3D打印、匀浆、浸渍提拉工艺中的一种方法制备；并通过卷绕设备进行锂转移。
物理气相沉积包括但不限于真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延中的一种。
化学气相沉积包括但不限于常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、超高真空化学气相沉积、激光化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积，等离子体增强化学气相沉积中的一种。
优选的，所述基膜层材料包括但不限于金属箔、聚合物中的一种或多种组合。由于基底材料结构强度差，基膜层材料作为基底材料和锂金属层的承载体。所述基膜层的厚度为1-100μm。
进一步优选的，所述金属箔包括但不限于Cu、Al、不锈钢中的一种或多种组合，所述聚合物包括但不限于聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种组合。
优选的，所述基底层材料包括但不限于陶瓷、碳基、聚合物中的一种或多种组合，所述基底层材料为片层状或多孔状材料，基底层在锂转移过程中起到脱模作用；同时，基底层在组成电芯后循环过程中起到非原位SEI作为，具有稳定负极/电解液界面层、提升电池循环性能的作用。
进一步优选的，所述陶瓷包括但不仅限于SnO4、ITO、i·ZnO、AZO、LiPON、P2S5、LLMO、LALMO、LLTO、LLZO、LLZTO、LATP、LAGP、LAPO、LZGO中的一种或者多种组合。
碳基包括但不限于石墨、碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳中的一种或多种组合。
聚合物包括但不限于聚偏氟乙烯、聚醋酸乙烯、丁苯橡胶、聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧丙烷中的一种或多种组合。
优选的，所述基底层可以为单层或多层结构，当基底层为多层结构时，层材料可选用同种材料或不同材料复合；所述基底层厚度控制在0.1-100μm，当基底层为多层时，根据工艺需求对单层厚度进行调节。同时，通过化学刻蚀、物理刻蚀，可以实现对基底层表面形貌进行微调控，与锂金属负极结合可以实现锂金属负极表面微结构调控。
实施例1
以PET基膜-石墨烯-锂金属为锂转移层进行举例说明，详细说明如下：
请参阅图1和图2，石墨烯基底层2的制备：选用单层石墨烯作为基底材料，将5g石墨烯加入到浓硝酸：水＝N(5＞N＞1)的30ml预制试剂中，搅拌过夜进行表面改性，将表面改性后的石墨烯使用去离子水进行水洗，水洗后的石墨烯经离心法去除溶液相，反复清洗至PH＝6；将清洗后的石墨烯置于真空烘箱中进行真空干燥；对干燥后的石墨烯进行研磨直至达到工艺要求；处理后的石墨烯使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)进行分散匀浆，使用刮涂法将制备好的浆料涂覆于PET基膜1表面，涂覆厚度视具体工艺而定，一般在0.1-100μm范围内；经60℃烘干后完成基底层制备。
PET-石墨烯-锂金属转移层的制备：将制备好的PET-石墨烯膜卷置入卷绕式磁控溅射镀膜设备的真空腔室中；将溅射腔室真空度抽至10-6mbar；调节锂靶位的Ar气流量，溅射参数；打开工艺区间加热器对进入工艺区间的PET-石墨烯膜卷进行加热；依据设计沉积厚度调节走卷速度；点击工艺开始按钮，进行锂金属层3沉积；待工艺停止后充气，将PET-石墨烯-锂金属转移层膜卷由真空腔室取出。
将PET-石墨烯-锂金属转移层膜卷的锂金属侧与电极层4补锂工艺面相对，经1-100kg压力碾压后去除PET基膜层，形成石墨烯-锂-电极补锂电极成品。
实施例2
以铜箔-LLZTO-锂金属为锂转移层进行举例说明，详细说明如下：
铜箔-LLZTO-锂金属转移层的制备：选用铜箔作为基膜材料，将铜箔基膜5膜卷置入卷绕式磁控溅射镀膜设备的真空腔室中；将溅射腔室真空度抽至10-6mbar；分别调节LLZTO及锂靶位的Ar气流量，溅射参数；打开工艺区间加热器对进入工艺区间的铜箔进行加热；依据设计沉积厚度调节走卷速度；点击工艺开始按钮，依次进行LLZTO基底层6及锂金属层3沉积；待工艺停止后充气，将铜箔-LLZTO-锂金属转移层膜卷由真空腔室取出。
将铜箔-LLZTO-锂金属转移层膜卷的锂金属侧与电极层4补锂工艺面相对，经1-100kg压力碾压后去除铜箔基膜层，形成LLZTO-锂-电极补锂电极成品。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种锂电池用锂转移式补锂方法，其特征在于：该补锂方法以基膜-基底-锂金属的复合结构为锂转移层，使锂转移层的锂金属侧与电极层补锂工艺面相对，经1-100kg压力碾压后去除基膜层，形成基底-锂-电极补锂电极成品。
2.根据权利要求1所述的锂电池用锂转移式补锂方法，其特征在于：所述锂转移层厚度小于200μm。
3.根据权利要求1所述的锂电池用锂转移式补锂方法，其特征在于：所述锂转移层的制备方法采用物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、表面熔融、喷涂、3D打印、匀浆、浸渍提拉工艺中的一种方法制备；并通过卷绕设备进行锂转移。
4.根据权利要求3所述的锂电池用锂转移式补锂方法，其特征在于：所述物理气相沉积包括但不限于真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延中的一种；
所述化学气相沉积包括但不限于常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、超高真空化学气相沉积、激光化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积，等离子体增强化学气相沉积中的一种。
5.根据权利要求1所述的锂电池用锂转移式补锂方法，其特征在于：所述基膜层的厚度为1-100μm。
6.根据权利要求1所述的锂电池用锂转移式补锂方法，其特征在于：所述基膜层材料包括但不限于金属箔、聚合物中的一种或多种组合。
7.根据权利要求6所述的锂电池用锂转移式补锂方法，其特征在于：所述金属箔包括但不限于Cu、Al、不锈钢中的一种或多种组合；所述聚合物包括但不限于聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种组合。
8.根据权利要求1所述的锂电池用锂转移式补锂方法，其特征在于：所述基底层材料包括但不限于陶瓷、碳基、聚合物中的一种或多种组合，所述基底层材料为片层状或多孔状材料。
9.根据权利要求8所述的锂电池用锂转移式补锂方法，其特征在于：所述陶瓷包括但不仅限于SnO4、ITO、i·ZnO、AZO、LiPON、P2S5、LLMO、LALMO、LLTO、LLZO、LLZTO、LATP、LAGP、LAPO、LZGO中的一种或者多种组合；
所述碳基包括但不限于石墨、碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳中的一种或多种组合；
所述聚合物包括但不限于聚偏氟乙烯、聚醋酸乙烯、丁苯橡胶、聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧丙烷中的一种或多种组合。
10.根据权利要求1所述的锂电池用锂转移式补锂方法，其特征在于：所述基底层可为单层或多层结构，当基底层为多层结构时，层材料可选用同种材料或不同材料复合；所述基底层厚度控制在0.1-100μm，当基底层为多层时，根据工艺需求对单层厚度进行调节。
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