CN111952571A - 用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极、制备方法及电池 - Google Patents

用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极、制备方法及电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极、制备方法及电池，所述的锂为金属锂箔，所述的锂合金为锂合金粉末，所述的复合负极包含：两层金属锂箔、以及作为中间层的锂合金；所述的锂合金设于两层所述的金属锂箔之间；所述的复合负极通过将所述的金属锂箔与所述的锂合金一起轧制后得到。所述的锂合金包含：LiSi合金、LiAl合金、LiSn合金及LiGe合金中的一种或两种以上。本发明的一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极，通过在常温下简单的机械辊压的方式，制备锂/锂合金负极，成功搭建了金属锂箔电极内部载流子快速扩散通道，在提高锂金属表面利用率的同时，极大提高了电极倍率性能。

Description

用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极、制备方法及电池
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极、制备方法及电池。
背景技术
一次电池是指在使用后不能通过充电反复使用的电池，包括人们熟悉的碳性锌锰电池、碱性锌锰电池、锂锰电池、锌空电池、锌银电池和锂亚硫酰氯电池等，标称电压从1.4V到3.6V再到9V。其中，锂一次电池是以金属锂或锂合金为负极的，具有比能量大(超过200Wh/kg和400Wh/L)、工作电压高、平稳的放电性能(放电过程中的大部分时间内电压和电阻保持不变)、工作温度范围宽(-40～70℃)、储存性能优越(自放电小)、使用携带便利，可通过串并联组合形成各种电池组，是军事和民用装备的首选电源之一。
然而，以金属锂为负极时，由于其高的反应活性，容易与电解液发生副反应，消耗大量的电解液，导致生成厚的钝化膜，电压滞后现象明显，同时也造成锂箔的利用率低、界面稳定性差。此外，在电池放电过程中，金属锂表面的不均性导致电流分散不均匀，锂的溶解过程也表现出不均匀，电池的倍率性能降低。虽然LiSi合金、LiAl合金、LiSn合金及LiGe合金等锂金属合金可以一定程度避免金属锂所面临界面不稳定的问题，但锂合金的理论容量低于锂金属、电压高于锂金属负极，这就造成电池的比能量降低，不满足产品需求。在保证电池足够比能量的同时，为了提高电池的功率性能，开发一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极及其制备方法就成为了一项非常具有实际意义的工作。
目前，国内专利CN 201336331Y公开报道了一次电池用锂合金带，在锂铝合金中镶嵌不参加反应的金属箔网，提高了电池反应中后期的放电性能。授权号CN 201845824 U公开了复合型锂原电池阳极及锂原电池，在集流基材两面复合纯锂箔或锂合金箔，提高了电极的机械强度和抗冲击震动的能力，保证一次电池在高温、较强冲击、震动等恶劣条件下使用。此外，他们在授权号CN 101976733 A也公开了该复合型锂原电池阳极的制备方法。这些专利并没有改善锂负极的界面，也没有意在提高锂一次电池的功率性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极，在保证电池足够比能量的同时，提高电池的功率性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极，所述的锂为金属锂箔，所述的锂合金为锂合金粉末，所述的复合负极包含：两层金属锂箔、以及作为中间层的锂合金；所述的锂合金设于两层所述的金属锂箔之间；所述的复合负极通过将所述的金属锂箔与所述的锂合金一起轧制后得到。
较佳地，所述的锂合金包含：LiSi合金、LiAl合金、LiSn合金或LiGe合金中的一种或两种以上。
较佳地，所述的锂合金在所述的复合负极中的质量百分比为10～50％。
较佳地，所述的复合负极为经轧制后得到复合负极带材，厚度小于0.5mm。
本发明还提供了一种高功率一次电池，其包含上述的用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极。
本发明还提供了上述的用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极的制备方法，其包含以下步骤：
步骤1：取金属锂箔，并称取锂合金粉末；
步骤2：将锂合金粉末平铺在两层金属锂箔中间，将锂合金粉末与金属锂复合轧制在一起，获得厚度均匀的复合负极带材；
步骤3：将得到的复合负极带材用裁切机裁剪成所需的尺寸，得到所述的复合负极。
较佳地，采用辊压机将锂合金粉末与金属锂复合轧制在一起，轧制的次数为5～10次。
较佳地，所述的复合负极带材的厚度小于0.5mm。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)锂合金高的锂离子扩散系数和强的亲锂性及与金属锂之间丰富的接触界面有助于实现锂离子在整个复合负极内部的快速传输；
(2)锂合金与金属锂之间合理的电势差(LiSi～0.1V，LiSn～0.3V，LiAl～0.3V，LiGe～0.4V)可以作为锂离子在电极内部传输的驱动力，加快离子的扩散，提高电极的倍率性能；
(3)与金属锂相比，锂合金电化学反应电势较高，与电解液的副反应较少，复合锂合金后一定程度避免了高反应活性的锂金属表面与电解液的直接接触，降低放电过程中负极对电解液的消耗；
(4)锂合金的复合显著抑制正极溶解的Fe、Co离子与锂金属之间的副反应，有效增强负极界面稳定性；
(5)锂合金构筑的导离子过渡层可以担当均匀离子通道的作用，使得锂金属可以均匀的溶解；
(6)锂合金搭建的网络框架在放电过程中可以作为锂的脱出的稳定基体，提高锂金属电极的表面利用效率，使得溶解电流更加分散、电子传导更加均匀，同时也减少放电过程中电极体积变化；
(7)复合负极在室温下通过简单的辊压工艺制备，可大规模生产。
具体实施方式
以下实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本发明所制备的一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极由锂金属箔材和LiSi合金粉末组成，其中LiSi合金粉末的添加量占复合负极的10wt％。具体制备过程：称取11.9g的LiSi合金粉末，然后将该粉末平铺在两层尺寸为10*50*0.4cm的锂金属箔材中间，采用对辊压机，控制辊距，将LiSi合金粉末与金属锂复合轧制在一起，经过反复轧制，轧制的次数为5次，最终获得厚度为0.4mm的均匀复合负极带材。将复合负极带材裁剪成直径15mm的圆片，以CoS2为正极，电解液采用1M LiBF4/PC:DME(1:1)，组装成2032纽扣电池，测试其放电性能，结果显示室温下该纽扣电池的放电比功率相比以锂片为负极的纽扣电池提高了5％。
实施例2
本发明所制备的一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极由锂金属箔材和LiAl合金粉末组成，其中LiAl合金粉末的添加量占复合负极的10wt％。具体制备过程：称取11.9g的LiAl合金粉末，然后将该粉末平铺在两层尺寸为10*50*0.4cm的锂金属箔材中间，采用对辊压机，控制辊距，将LiAl合金粉末与金属锂复合轧制在一起，经过反复轧制，轧制的次数为5次，最终获得厚度为0.4mm的均匀复合负极带材。将复合负极带材裁剪成直径15mm的圆片，以CoS2为正极，电解液采用1M LiBF4/PC:DME(1:1)，组装成2032纽扣电池，测试其放电性能，结果显示室温下该纽扣电池的放电比功率相比以锂片为负极的纽扣电池提高了5％。
实施例3
本发明所制备的一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极由锂金属箔材和LiSi合金粉末组成，其中LiSi合金粉末的添加量占复合负极的50wt％。具体制备过程：称取11.9g的LiSi合金粉末，然后将该粉末平铺在两层尺寸为10*50*0.4cm的锂金属箔材中间，采用对辊压机，控制辊距，将LiSi合金粉末与金属锂复合轧制在一起，经过反复轧制，轧制的次数为5次，最终获得厚度为0.4mm的均匀复合负极带材。将复合负极带材裁剪成直径15mm的圆片，以CoS2为正极，电解液采用1M LiBF4/PC:DME(1:1)，组装成2032纽扣电池，测试其放电性能，结果显示室温下该纽扣电池的放电比功率相比以锂片为负极的纽扣电池提高了10％。
实施例4
本发明所制备的一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极由锂金属箔材和LiSn合金粉末组成，其中LiSn合金粉末的添加量占复合负极的10wt％。具体制备过程：称取11.9g的LiSn合金粉末，然后将该粉末平铺在两层尺寸为10*50*0.4cm的锂金属箔材中间，采用对辊压机，控制辊距，将LiSn合金粉末与金属锂复合轧制在一起，经过反复轧制，轧制的次数为5次，最终获得厚度为0.4mm的均匀复合负极带材。将复合负极带材裁剪成直径15mm的圆片，以CoS2为正极，电解液采用1M LiBF4/PC:DME(1:1)，组装成2032纽扣电池，测试其放电性能，结果显示室温下该纽扣电池的放电比功率相比以锂片为负极的纽扣电池提高了5％。
实施例5
本发明所制备的一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极由锂金属箔材和LiGe合金粉末组成，其中LiGe合金粉末的添加量占复合负极的10wt％。具体制备过程：称取11.9g的LiGe合金粉末，然后将该粉末平铺在两层尺寸为10*50*0.4cm的锂金属箔材中间，采用对辊压机，控制辊距，将LiGe合金粉末与金属锂复合轧制在一起，经过反复轧制，轧制的次数为5次，最终获得厚度为0.4mm的均匀复合负极带材。将复合负极带材裁剪成直径15mm的圆片，以CoS2为正极，电解液采用1M LiBF4/PC:DME(1:1)，组装成2032纽扣电池，测试其放电性能，结果显示室温下该纽扣电池的放电比功率相比以锂片为负极的纽扣电池提高了5％。
综上所述，本发明的一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极，通过在常温下简单的机械辊压的方式，制备锂/锂合金负极，成功搭建了金属锂箔电极内部载流子快速扩散通道，在提高锂金属表面利用率的同时，极大提高了电极倍率性能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极，其特征在于，所述的锂为金属锂箔，所述的锂合金为锂合金粉末，所述的复合负极包含：两层金属锂箔、以及作为中间层的锂合金；所述的锂合金设于两层所述的金属锂箔之间；所述的复合负极通过将所述的金属锂箔与所述的锂合金一起轧制后得到。
2.根据权利要求1所述的用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极，其特征在于，所述的锂合金包含：LiSi合金、LiAl合金、LiSn合金或LiGe合金中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极，其特征在于，所述的锂合金在所述的复合负极中的质量百分比为10～50％。
4.根据权利要求1所述的用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极，其特征在于，所述的复合负极为经轧制后得到复合负极带材，厚度小于0.5mm。
5.一种高功率一次电池，其特征在于，包含权利要求1至4中任意一项所述的用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极。
6.权利要求1至4中任意一项所述的用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：取金属锂箔，并称取锂合金粉末；
步骤2：将锂合金粉末平铺在两层金属锂箔中间，将锂合金粉末与金属锂复合轧制在一起，获得厚度均匀的复合负极带材；
步骤3：将得到的复合负极带材用裁切机裁剪成所需的尺寸，得到所述的复合负极。
7.根据权利要求6所述的用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极的制备方法，其特征在于，采用辊压机将锂合金粉末与金属锂复合轧制在一起，轧制的次数为5～10次。
8.根据权利要求6所述的用于高功率一次电池的锂/锂合金复合负极的制备方法，其特征在于，所述的复合负极带材的厚度小于0.5mm。
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