CN112701293A - 锂复合电极及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂复合电极、其制备方法和应用。本发明的锂复合电极包括:由碳纳米管或碳纤维形成的多孔碳薄膜;和压力复合于多孔碳薄膜的两个表面上的金属锂或锂合金层,两个金属锂或锂合金层各自部分嵌入所述多孔碳薄膜中。
Description
技术领域
本发明涉及电化学储能技术领域,特别涉及用于锂离子电池的锂负极及其制备方法和应用。
背景技术
随着社会对于锂离子电池能量密度要求越来越高。首先要采用更高比容量的负极材料,金属锂由于3860mAh/g的容量和-3.04V的低电位,认为是最优的负极材料。其次,要减少非活性物质的质量,例如,降低集流体的重量,不断的减薄铜集流的厚度。最后电池需要一定的倍率性能,需要通过提高负极活性层和集流体之间的接触,保证电池在大电流密度条件下的充放电性能。
目前的锂离子电池的铜箔集流体,已经将厚度从12微米降低至6微米,并且进一步下调,降低至5微米,达到铜箔加工的极限,为了实现界面粘结性以及导电性能,在铜箔表面进行涂炭处理。
另外已提出了通过热熔涂敷或是真空沉积制备金属锂-骨架材料柔性电极的方法。(CN201610252135.6),其中主要是采用热熔涂敷,或是真空沉积,将金属锂填充在三维集流体中。但是,由于金属锂非常活泼,热熔涂敷需要在高纯氩气中进行,不能有效的控制金属锂填充量以及整体电极的厚度。而采用真空沉积的办法,由于集流体是具有三维骨架,比表面积巨大,需要长时间抽真空,才能达到所需要的真空度,生产效率低,另外,金属锂分子很难进入内部的孔隙中,只是沉积在电极表面。
因此,现有技术仍不能满足对锂电池的金属锂负极的要求。
发明内容
本发明提出了一种特殊的锂电极设计,将金属锂层压在多孔碳薄膜的两个表面上,使金属锂层部分嵌入所述多孔碳薄膜中,这样,可以简单高效、低成本的方式获得适用于锂离子电池的金属锂负极。
本发明采用如下技术方案:
本发明的一个方面提供一种锂复合电极,所述锂复合电极包括:由碳纳米管或碳纤维形成的多孔碳薄膜;和压力复合于多孔碳薄膜的两个表面上的金属锂或锂合金层,两个金属锂或锂合金层各自部分嵌入所述多孔碳薄膜中。
根据一个实施方式,金属锂或锂合金层向多孔碳薄膜中的嵌入程度为10-50%。
根据一个实施方式,锂合金包括锂铝、锂镁、锂硼、锂锌或锂铟合金。
根据一个实施方式,锂复合电极的总厚度在20-200微米范围内。
根据一个实施方式,多孔碳薄膜的厚度在10-100微米范围内。
根据一个实施方式,碳纳米管或碳纤维具有3-15纳米的直径和3-100微米的长度。
根据一个实施方式,多孔碳薄膜由所述碳纳米管或碳纤维编织而成。
根据一个实施方式,多孔碳薄膜具有50-2000nm的孔隙孔径。
本发明的另一个方面提供一种制备上述锂复合电极的方法,所述方法包括:通过压力复合,将两个金属锂或锂合金薄膜依次或同时复合于多孔碳薄膜的两个表面上,使得压力复合后的各个金属锂或锂合金层部分嵌入所述多孔碳薄膜中。
根据一个实施方式,所述压力复合采用压力辊、以卷对卷方式进行。
根据一个实施方式,通过更改压力和辊缝间隙,实现金属锂或锂合金部分嵌入多孔碳膜中。
本发明的再一个方面提供上述锂复合电极在锂离子电池中的应用,上述锂复合电极可以用作锂离子电池的负极。
本发明具有以下优点中的至少一种:
(1)本发明克服了金属锂抗拉强度低(抗拉强度11MPa),远远低于目前锂离子电池正极所用集流体的抗拉强度,不利于电池正负卷绕过程中正负极收卷的问题。本发明采用锂/多孔碳膜/锂结构,由于碳膜的抗拉强度可高达100MPa以上,而锂或锂合金也部分嵌入碳膜中(利用多孔碳膜的多孔性),从而极大地改善了其抗拉强度,方便进行高速收放卷。
(2)金属锂或锂合金嵌入碳膜中,具有更好的接触,并且碳膜的电子电导高达105S/cm,形成了三维的电子通路,确保了大电流密度条件下的电化学性能。克服了采用绝缘材料骨架时电极的导电性降低的问题。
(3)在制备过程中,本发明只需要通过压力复合即可,不需要热熔或是高真空,生产成本更低,效率更高。
附图说明
图1为本发明的锂复合电极的一种结构示意图。
图2为本发明的锂复合电极的一个侧截面的SEM图。
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,以下结合附图及实施例,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用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
又及,在如下实施例之中所采用的各种产品结构参数、各种反应参与物及工艺条件均是较为典型的范例,但经过本案发明人大量试验验证,于上文所列出的其它不同结构参数、其它类型的反应参与物及其它工艺条件也均是适用的,并也均可达成本发明所声称的技术效果。
图1所示为本发明的锂复合电极的一种结构示意图。该锂复合电极具有金属锂或锂合金层1-多孔碳薄膜2-金属锂或锂合金层1的叠层结构,两侧的金属锂或锂合金层1部分嵌入多孔碳薄膜2中,形成嵌入部分3。
图2为本发明的锂复合电极的一个侧截面的SEM图,图中可以清楚地看出锂嵌入多孔碳薄膜的部分。
上述锂复合电极中,两侧的金属锂/锂合金为电极的活性物质,由于具有嵌入部分,金属锂/锂合金和多孔碳薄膜(碳膜)具有更加紧密的接触。因此,碳膜不但可以作为集流体使用,同时增强了复合电极的抗拉伸强度。该复合电极可以采用高纯度金属锂,也可以采用锂合金,如锂铝、锂镁、锂硼、锂锌、锂铟。碳膜由碳纳米管或是碳纤维交织形成,具有一定的孔隙,且具有三维传导电子的能力。
上述叠层结构的复合电极可以通过以下方法制备:将锂-碳膜-锂三层依次摆放好,之后通过辊压设备进行压力复合。通过辊隙的大小和辊压力的调节可以实现不同厚度的复合电极,以及锂在碳膜中的嵌入程度。
实施例1
采用10um厚度的碳纳米管薄膜(苏州捷迪纳米科技有限公司;孔径大小:200nm)和厚度为20um的两个金属锂薄膜,控制压力辊的辊隙为40um,压力为1MPa,将两个金属锂薄膜压力复合在多孔碳薄膜的两个表面上,获得厚度为45um的锂复合电极,该锂复合电极的锂金属出现拉伸断裂时的拉伸强度为120MPa。
实施例2
类似于实施例1,将碳纳米管薄膜换成碳纤维薄膜(商品名:北京晶龙特碳科技有限公司;厚度:40um;孔径大小:50nm),和厚度为50微米的两个金属锂薄膜进行复合。控制压力辊的辊隙为85um,压力为1MPa。所得锂复合电极的厚度为90um,锂金属出现拉伸断裂时的拉伸强度为2000MPa。
实施例3
采用实施例1锂复合电极,进行电池正负极卷绕过程,收卷速度为100m/min。观察到锂负极没有拉伸和断裂现象。正极采用镍钴锰酸锂(北京当升科技有限公司),组成成20Ah的软包电池,其能量密度可以达到320wh/kg。0.1C倍率循环200次,没有明显衰减。
应当理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种锂复合电极,其特征在于,所述锂复合电极包括:
由碳纳米管或碳纤维形成的多孔碳薄膜;和
压力复合于多孔碳薄膜的两个表面上的金属锂或锂合金层,两个金属锂或锂合金层各自部分嵌入所述多孔碳薄膜中。
2.根据权利要求1所述的锂复合电极,其特征在于,所述金属锂或锂合金层向多孔碳薄膜中的嵌入程度为10-50%。
3.根据权利要求1所述的锂复合电极,其特征在于,所述锂合金包括锂铝、锂镁、锂硼、锂锌或锂铟合金。
4.根据权利要求1所述的锂复合电极,其特征在于,所述锂复合电极的总厚度在20-200微米范围内。
5.根据权利要求1所述的锂复合电极,其特征在于,所述多孔碳薄膜的厚度在10-100微米范围内。
6.根据权利要求1所述的锂复合电极,其特征在于,所述多孔碳薄膜由所述碳纳米管或碳纤维编织而成,所述碳纳米管或碳纤维具有3-15纳米的直径和3-100微米的长度。
7.根据权利要求1所述的锂复合电极,其特征在于,所述多孔碳薄膜具有50-2000nm的孔隙孔径。
8.一种制备权利要求1-7中任一项所述的锂复合电极的方法,其特征在于,所述方法包括:
通过压力复合,将两个金属锂或锂合金薄膜依次或同时复合于多孔碳薄膜的两个表面上,使得压力复合后的各个金属锂或锂合金层部分嵌入所述多孔碳薄膜中。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述压力复合采用压力辊、以卷对卷方式进行。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的锂复合电极在锂离子电池中的应用。
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