CN112038577A - 一种负极预锂电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负极预锂电极，包括：金属集流体和依次包覆在金属集流体表面的活性物质层、补锂层和功能性聚合物薄膜保护层；所述功能性聚合物是含有亲锂极性官能团的聚合物。本发明公开了上述负极预锂电极的制备方法，包括以下步骤：S1、将活性物质涂布于金属集流体表面，然后进行预锂处理得到中间电极；S2、将功能性聚合物与有机溶剂混合搅拌6‑10h后，静置12‑24h，取上清液均匀涂覆于中间电极表面，然后于45‑85℃真空干燥得到负极预锂电极。本发明可有效降低预锂电极的补锂层被氧化的风险，提升锂离子电池首次效率、能量密度、循环稳定性和安全性能。

Description

一种负极预锂电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种负极预锂电极及其制备方法。
背景技术
近年来随着锂离子二次电池的快速发展以及国家政策对于锂离子电池类的新能源汽车补贴标准要求逐渐严格，传统正负极材料的锂离子电池体系的能量密度已经濒临上限，需求更高能量密度的电池制造工艺已迫在眉睫。预锂化技术的开展具有在相同情况下提升锂离子单体电池容量的优势，逐渐引起科研技术人员的广泛关注。
目前在预锂化技术的辅助下，常用的石墨负极、硅基负极锂离子单体电池容量均有显著提升。但在负极片或负极材料预锂后，极片表面或匀浆材料内部锂的活性较高，致使对生产环境要求更加苛刻。预锂电极在普通环境中极易与水和空气发生化学反应，从而降低极片加工性能和安全性能。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种负极预锂电极及其制备方法，本发明可有效降低预锂电极的补锂层被氧化的风险，提升锂离子电池首次效率、能量密度、循环稳定性和安全性能。
本发明提出的一种负极预锂电极，包括：金属集流体和依次包覆在金属集流体表面的活性物质层、补锂层和功能性聚合物薄膜保护层；所述功能性聚合物是含有亲锂极性官能团的聚合物。
上述活性物质层、补锂层和功能性聚合物薄膜保护层可以依次包覆在金属集流体一面，也可以依次包覆在金属集流体的两面。
优选地，功能性聚合物为丝胶、聚乙烯醇中的至少一种。
优选地，活性物质层的厚度≥100μm，补锂层的厚度为1-3μm，功能性聚合物薄膜保护层的厚度为1-5μm。
优选地，活性物质层的原料包括：负极活性材料、粘结剂和导电剂。
优选地，负极活性材料为石墨、硅基负极材料、锡基负极材料中的至少一种。
优选地，金属集流体为铜箔、铜网、镍箔、镍网、钛箔、钛网中的至少一种。
本发明还提出了上述负极预锂电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、将活性物质涂布于金属集流体表面，然后进行预锂处理得到中间电极；
S2、将功能性聚合物与有机溶剂混合搅拌6-10h后，静置12-24h，取上清液均匀涂覆于中间电极表面，然后于45-85℃真空干燥得到负极预锂电极。
优选地，在S1中，预锂处理的方法为：锂箔压延、真空蒸镀、电化学沉积中的至少一种。
优选地，在S1中，预锂处理中的锂源为纯锂、钝化锂、锂化合物中的至少一种。
上述锂源的形态为带状或块状。
上述S1中涂布方式为转移式涂布或挤压式涂布等。
优选地，在S2中，于60-100℃搅拌6-10h。
优选地，在S2中，真空干燥的真空度≤-99kPa，真空干燥的时间为24-72h。
优选地，在S2中，有机溶剂为二甲基亚砜、四氢呋喃、丙酮中的至少一种。
优选地，在S2中，涂覆方式为高压无空气喷涂法或静电喷涂法。
相比现有的技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明通过在预锂电极表面涂覆功能性聚合物薄膜保护层，有效降低预锂电极补锂层被氧化的风险，提升锂离子电池首次效率、能量密度、循环稳定性和安全性能。
通过预锂化技术对负极材料进行补锂，抵消形成SEI膜造成的不可逆锂损耗，以提高电池的总容量和能量密度；聚合物薄膜保护层的存在可有效防止锂离子电池预锂层被氧化，在后续组装过程中提高安全性能、降低加工难度、降低生产环境要求；通过与锂离子间具有强结合能的功能性聚合物涂层来调控电解液/预锂界面处的锂离子迁移行为，进而缓解锂离子向基质表面突起处聚集的趋势，从而均匀化锂离子束流，降低电池析锂风险；同时在电池循环过程中，减小预锂电极危险系数，有效提升循环稳定性和安全性。
附图说明
图1为实施例2中负极预锂电极、中间电极、负极卷作为负极电极分别组装的三种全电池的常温循环曲线图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种负极预锂电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、将负极活性材料(氧化亚硅复合材料，其中，SiO和石墨的重量比为1:4)、粘结剂、导电剂匀浆后涂布于铜箔表面，制成负极卷(包覆有活性物质层的铜箔)备用，活性物质层的厚度为103μm；
然后在干燥房内将纯锂带、PET膜依次穿过压延机各放卷导辊以使金属锂转移到PET膜上，接着将负极卷、含有金属锂的PET膜分别穿过复合设备各放卷导辊，进行压延完成预锂处理得到包覆有预锂层的中间电极，其中，通过调节设备快慢辊速比为0.1来控制预锂层的厚度为3μm；
S2、将丝胶粉末沉浸于二甲基亚砜溶液中，其中，丝胶蛋白质量为二甲基亚砜质量的5％，然后在70℃下磁力搅拌10h后，静置12h，取上清液利用高压无空气喷涂法涂覆在中间电极表面，然后调节真空度≤-99kPa，于85℃真空干燥24h得到负极预锂电极，其中，功能性聚合物薄膜保护层的厚度为1μm。
实施例2
一种负极预锂电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、将负极活性材料(石墨)、粘结剂、导电剂匀浆后涂布于铜箔表面，制成负极卷(包覆有活性物质层的铜箔)备用，活性物质层的厚度为120μm；
将负极卷放在真空镀膜机腔体上部并固定，将待沉积金属锂锭置于真空镀膜机腔体下部并固定，利用真空蒸镀法进行预锂处理在负极卷表面沉积一层金属锂得到包覆有预锂层的中间电极，其中，预锂层的厚度为1μm；
S2、将聚乙烯醇沉浸于二甲基亚砜溶液中，其中，聚乙烯醇质量为二甲基亚砜质量的0.8％，然后在60℃下磁力搅拌6h后，静置14h，取上清液利用静电喷涂法涂覆在中间电极表面，然后调节真空度≤-99kPa，于45℃真空干燥48h得到负极预锂电极，其中，功能性聚合物薄膜保护层的厚度为3μm。
实施例3
一种负极预锂电极的制备方法，包括以下步骤：
S1、将负极活性材料(二氧化锡复合材料，其中，SnO2和石墨的重量比为1:4)、粘结剂、导电剂匀浆后涂布于钛箔表面，制成负极卷(包覆有活性物质层的钛箔)备用，活性物质层的厚度为108μm；
将纯锂条与负极卷相连后，置于锂盐溶液中，采用电化学沉积法进行预锂处理得到包覆有预锂层的中间电极，其中，预锂层的厚度为2μm；
S2、将丝胶粉末沉浸于四氢呋喃溶液中，其中，丝胶质量为四氢呋喃质量的6％，然后在80℃下磁力搅拌8h后，静置18h，取上清液利用高压无空气喷涂法涂覆在中间电极表面，然后调节真空度≤-99kPa，于50℃真空干燥72h得到负极预锂电极，其中，功能性聚合物薄膜保护层的厚度为5μm。
试验例
分别以实施例2中的负极预锂电极、中间电极、负极卷作为负极电极，在干燥房内进行电池组装，得到三组不同的锂离子全电池(电池额定容量为6.6Ah)，然后在Ar气氛中进行电芯烘烤24h，取出电芯进行电性能测试，其中，负极预锂电极、中间电极、负极卷对应的全电池的编号分别为Y1、Y2、Y3。
在30℃环境下，检测Y1-Y3全电池的容量，并计算电池的首次库伦效率；在25℃环境下检测Y1-Y3全电池的常温1C循环性能，结果如下表和图1所示：
图1为实施例2中负极预锂电极、中间电极、负极卷作为负极电极分别组装的三种全电池的常温循环曲线图。
全电池编号 首次库伦效率 首圈放电容量/Ah 容量保持率 循环圈数/周
Y1 92％ 6.42 98％ 600
Y2 90％ 6.26 94％ 600
Y3 88％ 6.13 93％ 600
由表1可知，全电池Y1的首次库伦效率＞全电池Y2＞全电池Y3，全电池Y1的首圈放电容量＞全电池Y2＞全电池Y3，在同等循环圈数条件下(600周)，全电池Y1的容量保持率仍有98％(图1显示)；以上结果表明，使用本发明(带有功能性聚合物薄膜保护层的预锂电极)作为负极电极组装成的电池，其SEI膜生成时不会大量消耗活性锂离子，可脱出更多Li+，本发明可有效提高锂离子电池首次充放电效率，同时薄膜保护层的存在不会影响负极预锂电极的容量发挥，更能提高循环稳定性；
且由于功能性聚合物薄膜保护层的存在预锂电极可在普通电池装配车间中进行后续的电池组装工艺，降低了预锂电极的加工难度，也降低了预锂电极组装过程中安全性的问题，节约了工厂建设和能耗资本，同时提高了预锂电池安全性和产能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负极预锂电极，其特征在于，包括：金属集流体和依次包覆在金属集流体表面的活性物质层、补锂层和功能性聚合物薄膜保护层；所述功能性聚合物是含有亲锂极性官能团的聚合物。
2.根据权利要求1所述负极预锂电极，其特征在于，功能性聚合物为丝胶、聚乙烯醇中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述负极预锂电极，其特征在于，活性物质层的厚度≥100μm，补锂层的厚度为1-3μm，功能性聚合物薄膜保护层的厚度为1-5μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述负极预锂电极，其特征在于，活性物质层的原料包括：负极活性材料、粘结剂和导电剂；优选地，负极活性材料为石墨、硅基负极材料、锡基负极材料中的至少一种。
5.根据权利要求1-4任一项所述负极预锂电极，其特征在于，金属集流体为铜箔、铜网、镍箔、镍网、钛箔、钛网中的至少一种。
6.一种如权利要求1-5任一项所述负极预锂电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将活性物质涂布于金属集流体表面，然后进行预锂处理得到中间电极；
S2、将功能性聚合物与有机溶剂混合搅拌6-10h后，静置12-24h，取上清液均匀涂覆于中间电极表面，然后于45-85℃真空干燥得到负极预锂电极。
7.根据权利要求6所述负极预锂电极的制备方法，其特征在于，在S1中，预锂处理的方法为：锂箔压延、真空蒸镀、电化学沉积中的至少一种；优选地，在S1中，预锂处理中的锂源为纯锂、钝化锂、锂化合物中的至少一种。
8.根据权利要求6或7所述负极预锂电极的制备方法，其特征在于，在S2中，于60-100℃搅拌6-10h；优选地，在S2中，真空干燥的真空度≤-99kPa，真空干燥的时间为24-72h。
9.根据权利要求6-8任一项所述负极预锂电极的制备方法，其特征在于，在S2中，有机溶剂为二甲基亚砜、四氢呋喃、丙酮中的至少一种。
10.根据权利要求6-9任一项所述负极预锂电极的制备方法，其特征在于，在S2中，涂覆方式为高压无空气喷涂法或静电喷涂法。
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