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一种锂电池锂金属负极板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本方案公开了锂电池技术领域的一种锂电池锂金属负极板，所述负极板为极耳‑锂带‑极耳依次叠加后相互焊接而成。极耳和锂带之间通过焊接的方式连接，这样的连接方式下极耳可采用薄型材质来制作，将极耳、锂带、极耳焊接在一起，使得极耳与锂带接触更加紧密，两者的连接处更稳固，这样避免了采用压机压制的方式制作负极板时，压力过大锂带延展变形、压力不足极耳与锂带接触不良的问题。

Description

一种锂电池锂金属负极板及其制备方法
技术领域
本发明属锂电池技术领域，特别涉及一种锂电池锂金属负极板及其制备方法。
背景技术
现有的锂一次电池负极板采用金属锂或其合金为活性物质制备的，放电过程中，金属锂(或称锂带)作为集流体，同时又作为负极而容易被氧化成锂离子与正极反应从而被消耗。因此，在放电后期，锂带因消耗而变薄易产生断裂，进而造成集流中断致使正极容量不能完全发挥，且通常先发生在负极极耳与锂带压接边缘处，同时也造成了放电后期放电电压出现明显的波动。为了解决该问题，目前也有一些通过增加极耳厚度来防止锂带断裂的技术，但是这些技术又带来了新的问题。
如：现有锂二次电池(包括锂硫和液态锂金属电池)的负极板采用金属锂或其合金为活性物质制备的，为了保证锂二次电池的循环性能，通常负极锂金属要过量50％～100％，这样使得负极极耳处的厚度要明显大于正极极耳处的厚度，影响了软包电池的外形尺寸；对于金属壳体电池来说，正、负极的极耳处厚度不一致将导致单体电池空间利用率偏低，降低了电池的比能量。
再如公开号为CN105655534的专利公开了一种卷绕式锂一次电池负极结构，包括极耳和锂带；其特征在于：还包括锂条；所述锂条的宽度为极耳宽度的N倍；4＜N＜5；所述锂条、极耳、锂带依次叠加后卷绕而成锂一次电池负极结构；其中，锂带位于外侧；所述锂条和极耳的厚度相同。电池放电时，极耳处双面均有锂带，金属锂厚度增加一倍，因此当其他位置锂带消耗变薄几近断裂时极耳处得锂带仍有100％的冗余，因此仍具有一定的厚度，可有效起到集流作用从而防止极耳与锂带压接边缘处断裂；采用极耳处锂带增厚的办法，未对放电过程产生任何影响，放电反应更加均匀，防止了局部反应过度而造成的锂带断裂。
然而，该专利只是公开了一种卷绕式锂一次电池负极结构，该种结构很明显地造成了负极极耳处的厚度明显增厚，导致电池负极边的厚度明显大于正极边，尤其是对于大容量多电芯的电池，对电池的外形影响非常大。
再如公开号为CN109546068A的专利公开了一种锂电池负极和锂电池负极集流方法。所述锂电池负极包括极耳、金属负极；所述锂电池负极集流的步骤包括：将所述极耳放置于所述金属负极的一侧，其中所述极耳被所述金属负极包裹，使用压力机在一定压力下将所述极耳被所述金属负极包裹的部分压平，以得到所述负极，所述极耳厚度为0.05mm～0.15mm。
该专利极耳厚度较厚，其中的金属负极采用的材料是金属锂或含锂合金(统称锂带)，同时极耳处锂带的厚度增加了一倍，导致电池负极边的厚度明显大于正极边，尤其是对于大容量多电芯的电池，对电池的外形影响非常大。此外，该专利只是采用压力机在一定的压力下进行压制，为了使极耳和锂带紧密接触，所以压力要足够大，即方案中的2MPa～15MPa，而在该压力下采用该专利方法易造成锂带延展变形，压力不足易使得极耳与锂带接触不良，造成放电过程中电压出现波动，尤其是放电后期电压波动明显。
发明内容
本发明意在提供一种在不增加负极极耳处的厚度的情况下，还能够防止锂带消耗变薄而断裂的锂电池锂金属负极板。
本方案中的一种锂电池锂金属负极板，所述负极板为极耳-锂带-极耳依次叠加后超声波焊接而成。
本方案的工作原理是：极耳和锂带之间通过焊接的方式连接，这样的连接方式下极耳可采用薄型材质来制作，将极耳、锂带、极耳焊接在一起，使得极耳与锂带接触更加紧密，两者的连接处更稳固，这样避免了采用压机压制的方式制作负极板时，压力过大锂带延展变形、压力不足极耳与锂带接触不良的问题。
本方案的有益技术效果有：
1、电池放电时，因锂带被极耳覆盖，阻挡了锂带与氧气的接触，所以负极极耳处的锂带将不会被氧化成锂离子参与反应而被消耗，进而杜绝了极耳处锂带消耗变薄导致极耳与锂带压接边缘处断裂的问题，提高了集流的可靠性，以确保正极容量最大化输出，且放电后期的电压不会出现明显波动。
2、本方案在不增加负极极耳处的厚度的情况下，就能够防止锂带消耗变薄而断裂，确保电池性能不受影响的同时，对电池的外形尺寸也不会有影响。
进一步，所述极耳的厚度为6μm～15μm。相对于现有技术采用将极耳增厚的方法来说，本申请由于极耳厚度仅为6～15μm，采用薄型化的极耳，有效地解决了负极极耳处厚度明显大于正极极耳处厚度的问题，使得正负极极耳处厚度相差不大，甚至几乎一致，使得单体电池空间利用率升高，提高了电池比能量。
进一步，所述极耳的宽度为4～15mm，极耳的长度为锂带宽度的1.5～2倍。在确保通过本方案得到的负极板不影响锂一次电池性能正常发挥，外形尺寸不受影响的情况下，采用该优化方案，能够避免造成材料的浪费。
进一步，所述极耳的材质为铜箔或镍箔。采用铜箔或镍箔作为极耳的材料，铜箔或镍箔包裹住锂带，不会对放电过程产生任何影响，即不会对正极容量的发挥和放电后期的电压产生影响，使得放电反应更加均匀，更好的杜绝了锂带断裂的可能性。
同时，本申请还提供了所述的一种锂电池锂金属负极板的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、裁切一定长度和宽度的锂带；
步骤二、裁切一定长度、宽度和厚度的极耳；
步骤三、将上述步骤中准备的极耳和锂带按照极耳—锂带—极耳依次叠加，在一定的焊接时间和保压时间下，采用超声波焊接的方式将极耳与锂带焊接紧密，即得所述的锂金属负极板。
该方法的原理及效果是：超声波焊接原理是使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间熔合，利用超声频率的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的。金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升.接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现固态焊接。
采用超声波焊接的方式将极耳与锂带焊接，可以避免焊接过程中出现氧化现象，基于此也可以采用薄型材质的极耳，将极耳、锂带、极耳依次焊接在一起，使得极耳与锂带接触更加紧密和稳固，相比于现有技术本方案则能够完全避免受过大压力而延展变形或接触不良的问题出现。
进一步，所述焊接时间为0.05s～0.15s。焊接时间控制在这样的范围内，能够更好的掌控焊接操作的过程，避免因焊接时间过长而出现锂带变形，也能够避免焊接时间过短而焊接不牢固的问题发生。
进一步，所述保压时间为0.05s～0.09s。保压时间控制在这样的范围内，能够更进一步的掌控焊接操作的过程，避免保压时间过短而焊接不牢固的问题发生，而继续延长保压时间也不会明显增强连接的牢固性，因此还能够提高工作效率。
附图说明
图1为本发明本发明一种锂电池锂金属负极板的结构示意图；
图2为方形铝壳电池放电曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：锂带1、焊点2、极耳3。
一种锂电池锂金属负极板的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、裁切一定长度的锂带1，锂带1的宽度为N；
步骤二、准备厚度为6μm～15μm的铜箔或镍箔，将其裁切成极耳3，极耳3的长度为a，且1.5N≤a≤2N；极耳3的宽度为b，且4mm≤b≤15mm；
步骤三、将上述步骤中准备的极耳和锂带按照极耳3—锂带1—极耳3依次叠加，极耳的长边与锂带的宽边平行，在0.05s～0.15s的焊接时间和0.05s～0.09s的保压时间下，采用超声波焊接的方式将极耳3与锂带1焊接紧密，即得如图1所示的锂金属负极板，该锂金属负极板的极耳3与锂带1重叠处有焊点2。
实际情况下，锂电池及其负极板的大小规格是可以视用途或使用场所而调整的，没有严格限定的规格，所以实施本方案时，锂带1和极耳3的长度、宽度，以及极耳3的厚度也视具体情况而定，只要符合上述要求即可得到本发明所述的高能量密度锂一次电池负极板。
实施例1：下面以锂带1的宽度N为135mm，锂带1的长度为1410mm，极耳3的厚度为9μm，极耳3的长度a为205mm，极耳3的宽度b为15mm，焊接时间0.06s，保压时间0.06s。采用本发明方法得到的负极板为例，对其用于制备锂电池后的电池容量和放电性能进行测评。
使用上述实施例1制备得到锂电池锂金属负极板，将此锂电池锂金属负极板和现有技术采用锂带+极耳+锂带(锂条)方式制作的负极板(极耳与锂带采用压制的方式连接在一起，则重叠处无焊点)，分别制作规格为25mm×161mm×147mm的方形铝壳电池，两种负极板的厚度均为22.4mm，具体的参数如下表1所示。
表1：25mm×161mm×147mm方形软包电池的参数
负极板的方式 正极边厚度 负极边厚度 电池容量
现有技术：锂带+极耳+锂带(锂条) 20.8mm 22.4mm 146.6Ah
实施例1：极耳+锂带+极耳 22.4mm 22.4mm 160Ah
从如表1和图2中可以得出，将上述两种不同种类负极板的方形铝壳电池进行放电试验，通过对比可以得出，本申请中的锂电池锂金属负极板放电过程中电压较为平稳，且具有更高的电池容量达到了160Ah，而采用现有技术制作的负极板，其放电过程中电压不平稳，且电池容量只有146.6Ah。因此从上述对比可以分析出，本申请中的锂电池锂金属负极板放电过程中电压不会波动，且提高了电池的容量。

Claims (7)

1.一种锂电池锂金属负极板，其特征在于：所述负极板为极耳-锂带-极耳依次叠加后超声波焊接而成。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池锂金属负极板，其特征在于：所述极耳的厚度为6μm～15μm。
3.根据权利要求2所述的一种锂电池锂金属负极板，其特征在于：所述极耳的宽度为4～15mm，极耳的长度为锂带宽度的1.5～2倍。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种锂电池锂金属负极板，其特征在于：所述极耳的材质为铜箔或镍箔。
5.根据权利要求4所述的一种锂电池锂金属负极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、裁切一定长度和宽度的锂带；
步骤二、裁切一定长度、宽度和厚度的极耳；
步骤三、将上述步骤中准备的极耳—锂带—极耳依次叠加，在一定的焊接时间和保压时间下，采用超声波焊接的方式将极耳与锂带焊接紧密，即得所述的锂金属负极板。
6.根据权利要求5所述的一种锂电池锂金属负极板的制备方法，其特征在于：所述焊接时间为0.05s～0.15s。
7.根据权利要求6所述的一种锂电池锂金属负极板的制备方法，其特征在于：所述保压时间为0.05s～0.09s。
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