CN113328211A - 一种高能量密度锂一次电池负极板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本方案公开了锂一次电池技术领域的一种高能量密度锂一次电池负极板，所述负极板为极耳‑锂带‑极耳依次叠加后于一定压力下压制而成，在两层所述极耳的表面存在凹凸压痕。本方案中极耳作为集流体，极耳表面的凹凸压痕是采用具有凹凸纹路的压条压制而形成的，而本方案采用具有凹凸纹路的压条压制负极板的目的是，可采用薄型材质的极耳，根据减小受力面积会使得压力增大的原理，压条凸出位置的极耳与锂带接触更加紧密，这样避免了在制作负极板过程中，极耳和锂带整体承受的压力过大而导致锂带延展变形、或压力不足极耳和锂带又存在接触不良的问题。

Description

一种高能量密度锂一次电池负极板及其制备方法
技术领域
本发明属于锂一次电池技术领域，特别涉及一种高能量密度锂一次电池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，金属锂在作为集流体的同时又作为负极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，同时造成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负极极耳或锂带厚度来防止断裂的技术，但是这些技术又带来了新的问题。
如公开号为CN105655534的一种卷绕式锂一次电池负极结构，包括极耳和锂带；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的锂带仍有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。该专利只是公开了一种卷绕式锂一次电池负极结构，并没有明确负极板的制备方法。而且该种结构很显然地造成了负极板的厚度明显增厚，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来说，对电池的外形影响非常大。
再如公开号为CN109546068A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，同样存在正、负极厚度差异大的问题，对电池的外形影响非常大。此外，该专利单纯采用压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，压力不足又会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厚度的情况下，还能够防止锂带消耗变薄而断裂的高能量密度锂一次电池负极板。
本方案中的一种高能量密度锂一次电池负极板，所述负极板为极耳-锂带-极耳依次叠加后于一定压力下压制而成，在两层所述极耳的表面存在凹凸压痕。
本方案的工作原理是：本方案中极耳作为集流体，极耳表面的凹凸压痕是采用具有凹凸纹路的压条压制而形成的，而本方案采用具有凹凸纹路的压条压制负极板的目的是：在这样的情况下，可采用薄型材质的极耳，根据减小受力面积会使得压力增大的原理，压条凸出位置的极耳与锂带接触更加紧密，这样避免了在制作负极板过程中，极耳和锂带整体承受的压力过大而导致锂带延展变形、或压力不足极耳和锂带又存在接触不良的问题。
本方案的有益技术效果有：
电池放电时，因锂带有部分被极耳覆盖，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，所以无需增加锂带的厚度，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。
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高能量密度锂一次电池负极板的制备方法，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，极耳的长度为a，宽度为b；
步骤三、裁切一定长度和宽度的非金属材质的压条，压条的长度大于锂带的宽度，压条的宽度小于等于极耳的宽度；所述压条的表面具有凹凸纹路；
步骤四、将上述步骤中准备的压条—极耳—锂带—极耳—压条依次叠加，采用压力机在一定压力下压制一定时间后取下压条，即得所述负极板。
该方法的原理及效果是：本发明在负极板制备过程中，增加了具有凹凸纹路的压条，由于压条的表面具有凹凸纹路，将压条、极耳、锂带、极耳和压条依次叠加后，在压力机施加的一定压力作用下，因压条的凸纹会减小极耳的受力面积，而增大极耳在凸纹处承受的压力，而凹纹处的受力则较小。这样的方式压合极耳和锂带，当取掉压条则极耳表面出现凹凸纹路的压痕，使得极耳与锂带的接触更加紧密，避免了整体承受的压力过大，造成锂带变形延展或极耳与锂带接触不良的问题。
进一步，所述压条的长度为A，且0.85a≤A≤0.95a；压条的宽度为B，且0.9b≤B≤1.0b。
进一步，所述压条的材质为纸板或帆布。纸板和帆布都是容易购买且成本较低的材料，而且满足表面有凹凸纹路和非金属的条件。
进一步，所述压力机为液压机或油压机。
进一步，所述压力为0.2MPa～5MPa；压制时间为2s～5s。实施本申请提供的方法，只需要在0.2MPa～5MPa的压力下压制2s～5s就能够确保极耳与锂带紧密接触，且不会造成锂带变形。
附图说明
图1为本发明一种高能量密度锂一次电池负极板的结构示意图；
图2为采用本发明负极板制备的电池和常规负极板制备的电池的放电曲线图。
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：凹凸压痕1、极耳2、锂带3。
一种高能量密度锂一次电池负极板的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、裁切一定长度的锂带3，锂带3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2，极耳2的长度为a，且1.5N≤a≤2N；极耳2的宽度为b，且4mm≤b≤15mm；
步骤三、准备表面密集有凹凸纹路的帆布或纸板，将其裁切成长度为A，宽度为B的压条，且0.85a≤A≤0.95a；压条宽度为：0.9b≤B≤1.0b；
步骤四、将上述准备的压条—极耳2—锂带3—极耳2—压条依次叠加，采用液压机或油压机在0.2MPa～5MPa下压制2s～5s后取下压条，即得如图1所示的高能量密度锂一次电池负极板，该负极板的两层极耳2的表面存在凹凸压痕1。
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，锂带和极耳的长度、宽度，以及极耳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3的宽度N为125mm，锂带3的长度为660mm，极耳2的厚度为9μm，极耳2的长度a为190mm，极耳2的宽度b为15mm，压条的长度A为172mm，压条的宽度B为14mm的条件下，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。
对比例1：采用常规技术制备负极板，即锂带-极耳-锂带叠加后单纯的采用压力机(即不使用带有凹凸纹路的压条相配合)压制而成负极板，该负极板的锂带表面则不具有凹凸压痕1。
在正极边厚度为2.9mm的条件下，采用上述实施例和对比例的得到的负极板制备规格为3.0mm×68mm×145mm的方形软包电池，具体的参数如下表1所示。
表1：3.0mm×68mm×145mm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
对比例1：锂带+极耳+锂带 2.9mm 3.1mm 6.22Ah
实施例1：极耳+锂带+极耳 2.9mm 2.9mm 6.58Ah
采用本发明负极板制备的电池和常规负极板(即表1中的两种负极板)制备的电池在30A、30s，5A放电至1.5V的条件下，放电曲线如图2所示。结合表1及图2可知，采用本申请方法得到的负极板用于制备电池，电池的容量也比较高，且放电过程中电压更平稳。

Claims (9)

1.一种高能量密度锂一次电池负极板，其特征在于：所述负极板为极耳-锂带-极耳依次叠加后于一定压力下压制而成，在两层所述极耳的表面存在凹凸压痕。
2.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂一次电池负极板，其特征在于：所述极耳的厚度为6μm～15μm。
3.根据权利要求2所述的一种高能量密度锂一次电池负极板，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任一项所述的一种高能量密度锂一次电池负极板，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所述的一种高能量密度锂一次电池负极板的制备方法，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，极耳的长度为a，宽度为b；
步骤三、裁切一定长度和宽度的非金属材质的压条，压条的长度大于锂带的宽度，压条的宽度小于等于极耳的宽度；所述压条的表面具有凹凸纹路；
步骤四、将上述步骤中准备的压条—极耳—锂带—极耳—压条依次叠加，采用压力机在一定压力下压制一定时间后取下压条，即得所述负极板。
6.根据权利要求5所述的一种高能量密度锂一次电池负极板的制备方法，其特征在于：所述压条的长度为A，且0.85a≤A≤0.95a；压条的宽度为B，且0.9b≤B≤1.0b。
7.根据权利要求5所述的一种高能量密度锂一次电池负极板的制备方法，其特征在于：所述压条的材质为纸板或帆布。
8.根据权利要求5所述的一种高能量密度锂一次电池负极板的制备方法，其特征在于：所述压力机为液压机或油压机。
9.根据权利要求5所述的一种高能量密度锂一次电池负极板的制备方法，其特征在于：所述压力为0.2MPa～5MPa；压制时间为2s～5s。
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