CN114005960B - 一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂电池技术领域，尤其涉及一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材。本发明通过先将金属基材和锂金属层复合，再在其上开设通孔，接着在通孔内设置复合碳纤维管，最后涂覆形成含有金属微球的、穿过通孔的整体式锂合金层的方式，有效制得锂金属复合带材，保证该锂电池负极自身具有抑制枝晶生长的作用，而且还能有效进行电池间电荷脉冲转移的枝晶生长抑制方法。本发明具有以下优点：第一、锂金属复合带材上的锂合金层，是枝晶的直接生长部位，其具有抑制枝晶生长的作用；第二、锂合金层在整个锂金属复合带材上的附着结构稳定性高、强度大，运行电荷脉冲转移的枝晶生长抑制方法时，也不容易出现整个掉落或成片脱落的现象。
Description
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，尤其涉及一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材。
背景技术
锂电池枝晶生长，指的是锂电池在充电即将结束时，负极上的金属锂快速堆积、延伸，努力与电解液中的锂离子进行汇合的一种有害现象。枝晶生长的危害是直接使得电解液中的锂离子发生不可逆的沉积，然后可能发生隔膜被刺穿、电池内部短接，甚至是电池爆炸等危险事故。
现有的抑制锂电池枝晶生长的方法，主要有以下三种：第一、电池间电荷脉冲转移；第二、充电保护；第三、负极材料改进。
例如，专利公开号为CN112447978A，公开日为2021.03.05的中国发明专利公开了一种抑制枝晶生长的锂金属复合带材，包括锂金属带材，所述锂金属带材包括锂金属层，所述锂金属层上设有用于抑制锂枝晶的锂合金层。
该发明专利中，带材表面是锂金属层，锂金属层再上面是锂合金层，该三层结构样式的复合带材用于制作锂电池的电极时，虽然可以通过自身特性和结构的改进，达到一定的抑制锂电池枝晶生长的作用。
但是，当上述第一种方法，即电池间电荷脉冲转移方法再同时引入时，锂合金层就容易出现部分脱落的有害情况。上述第一种方法中，采用大功率脉冲在高容量与低容量电芯之间进行随机电荷转移，此时锂金属层上面的锂合金层，就会由于涂覆结构连接强度差的问题，出现结构分离的危险现象。
所以综上所述，现在急需对现有的锂金属复合带材进行结构和组分上的改进，以保证其能同时进行上述第一种和第三种的枝晶生长抑制方法。
发明内容
本发明提供一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，其能通过先将金属基材和锂金属层复合，再在其上开设通孔，接着在通孔内设置复合碳纤维管，最后涂覆形成含有金属微球的、穿过通孔的整体式锂合金层的方式，有效制得锂金属复合带材，以用于制作锂电池的负极，保证该锂电池负极自身具有抑制枝晶生长的作用，而且还能有效进行电池间电荷脉冲转移的枝晶生长抑制方法。
本发明解决上述问题采用的技术方案是：一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，包括金属基材，设置在所述金属基材上的锂金属层，以及设置在所述锂金属层上的锂合金层，还包括设置在所述金属基材和所述锂金属层上的通孔，设置在所述通孔内的复合碳纤维管，以及设置在所述锂合金层内的金属微球，所述金属基材的两侧均设有所述锂金属层，所述锂合金层穿过所述通孔后形成所述锂金属复合带材的两个侧面。
在本发明中，所述通孔具有以下两种作用：第一、将原本两侧各为一层的所述锂合金层结合连接在一起，形成一个整体，保证所述锂合金层在所述锂金属层上具有基础的、相对较大的固定强度；第二、所述锂金属复合带材制得的负极，在进行电池间电荷脉冲转移操作时，所述通孔还可以成为电荷的快速移动通道。
此外，所述复合碳纤维管设置在所述通孔上，其主要作用是给电荷的转移动作提供导向和附着效果，相较于现有的负极上电荷在两个侧面之间的外侧面移动方式，所述复合碳纤维管提供了更加短的路径，大大提高了电荷脉冲转移方法的枝晶抑制效果。
而所述复合碳纤维管的次要作用，则是支撑所述通孔内的所述锂合金层部分，因为所述锂合金层在所述通孔处的局部厚度较大，没有一个支撑骨架，则该处的所述锂合金层则容易出现塌陷、收缩等变形情况，会大大降低锂金属复合带材的结构强度。
最后是所述金属微球，其作用就是降低所述锂合金层的密度，且提高其自身结构强度。
进一步优选的技术方案在于：所述通孔的孔径为220-450μm，穿透外侧的两个所述锂金属层和中部的金属基材。
在本发明中，所述通孔的孔径如果过大，则会降低所述金属基材的结构完整度，降低其结构强度，而如果孔径过小，而容易卡断、折断所述复合碳纤维管。
进一步优选的技术方案在于：所述金属基材上设有外侧留白区，所述通孔在所述锂金属层上的开孔密度为0.3个/mm2。
在本发明中，所述锂金属层、锂合金层在所述金属基材上成型时，所述外侧留白区就是所述金属基材的夹持固定部位。
进一步优选的技术方案在于：所述复合碳纤维管为碳纤维和铝锡合金的复合材料。
在本发明中，碳纤维和铝锡合金复合的纤维材料，具有以下几个优点：1、熔点高，熔融状态的所述锂合金层不至于熔化所述纤维材料；2、具有导电性，保证电荷可以在其上移动；3、具有适当的韧性，保证可以卡在所述通孔上，实现自身的固定防掉落效果。
进一步优选的技术方案在于：所述复合碳纤维管的形状为圆形，圆形外径为管体截面外径的700-850倍，所述复合碳纤维管卡在所述通孔上后形成两个放大状端头，以用于在所述锂金属复合带材的两侧之间进行电荷转移。
在本发明中，所述复合碳纤维管是真空的，且为圆环状，以保证其具有弯曲变形不易折断的优点，而卡在所述通孔上后，形成“两端大、中间细”的双环结构，该结构还有一个突出优点，即：两端较大，可以接触、接收更多的待转移电荷。
进一步优选的技术方案在于：所述金属微球的材质为金属钨、金属铁或金属镍中的任意一种或几种混合物。
在本发明中，金属钨、金属铁或金属镍具有熔点相对较高，至少高于所述锂合金层的特点。
进一步优选的技术方案在于：所述金属微球为多孔微球，开孔率为40.5-55.0%。
在本发明中，多孔结构可以保证所述金属微球自身先具有相对较小的重量，而所述金属微球的球体支撑结构，相较于实心的、易塌陷的所述锂合金层结构，则具有更大的结构强度和结构稳定性。
进一步优选的技术方案在于：所述锂合金层的材质为金属铅、金属锡、金属银或金属镁中的任意一种或几种混合物，所述锂合金层的熔点低于所述金属微球，所述锂合金层以液态方式在所述锂金属层上涂覆添加。
在本发明中，所述锂合金层涂覆时需要优先保证熔融金属材料通过、注入所述通孔内，所述锂合金层可以先在所述通孔内固定成型后，再在所述锂金属层的外侧不断涂覆，以增加至所需厚度。
进一步优选的技术方案在于：所述锂合金层在所述锂金属层上的凸出厚度为1.2-2.5mm。
在本发明中，上述1.2-2.5mm的厚度，指的是所述锂合金层外侧面与所述锂金属层外侧面之间的距离。
进一步优选的技术方案在于：所述金属基材的材质为金属铝或者金属铜；所述锂金属复合带材用于制作锂电池的负极。
现有技术中，枝晶生长一般都发生在锂电池的负极，因此将所述锂金属复合带材用于制作锂电池负极的收益更大。
本发明具有以下优点：第一、锂金属复合带材上的锂合金层，是枝晶的直接生长部位，其具有抑制枝晶生长的作用；第二、锂合金层在整个锂金属复合带材上的附着结构稳定性高、强度大，运行电荷脉冲转移的枝晶生长抑制方法时，也不容易出现整个掉落或成片脱落的现象；第三、锂金属复合带材制成的负极在进行电荷脉冲转移时，具有内部电荷通道，相较于负极表面电荷转移的方式，具有更快的速度和更大的转移率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件如下：金属基材1、锂金属层2、锂合金层3、通孔4、复合碳纤维管5、金属微球6。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的范围进行限定。
实施例1
如附图1所示，一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，包括金属基材1，设置在所述金属基材1上的锂金属层2，以及设置在所述锂金属层2上的锂合金层3，还包括设置在所述金属基材1和所述锂金属层2上的通孔4，设置在所述通孔4内的复合碳纤维管5，以及设置在所述锂合金层3内的金属微球6，所述金属基材1的两侧均设有所述锂金属层2，所述锂合金层3穿过所述通孔4后形成所述锂金属复合带材的两个侧面。
所述通孔4的孔径为240μm，穿透外侧的两个所述锂金属层2和中部的金属基材1。
所述金属基材1上设有外侧留白区，所述通孔4在所述锂金属层2上的开孔密度为0.3个/mm2。
所述复合碳纤维管5为碳纤维和铝锡合金的复合材料。所述复合碳纤维管5的形状为圆形，圆形外径为管体截面外径的720倍，所述复合碳纤维管5卡在所述通孔4上后形成两个放大状端头，以用于在所述锂金属复合带材的两侧之间进行电荷转移。
所述金属微球6的材质为金属钨。
所述金属微球6为多孔微球，开孔率为42.0%。
所述锂合金层3的材质为金属铅、金属锡以及金属银的混合物，所述锂合金层3的熔点低于所述金属微球6，所述锂合金层3以液态方式在所述锂金属层2上涂覆添加。
所述锂合金层3在所述锂金属层2上的凸出厚度为1.3mm。
所述金属基材1的材质为金属铝；所述锂金属复合带材用于制作锂电池的负极。
最后，本实施例中的所述锂金属复合带材制得的锂电池负极，其具有较好的枝晶生长抑制效果，而且在配合电池间电荷脉冲转移方法时，抑制效果更加突出，两种抑制方法都进行时，最外侧的锂合金层还不容易脱落或分片掉落，保证锂电池可以长期安全使用。
实施例2
如附图1所示，一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，包括金属基材1，设置在所述金属基材1上的锂金属层2，以及设置在所述锂金属层2上的锂合金层3，还包括设置在所述金属基材1和所述锂金属层2上的通孔4，设置在所述通孔4内的复合碳纤维管5，以及设置在所述锂合金层3内的金属微球6，所述金属基材1的两侧均设有所述锂金属层2，所述锂合金层3穿过所述通孔4后形成所述锂金属复合带材的两个侧面。
所述通孔4的孔径为320μm，穿透外侧的两个所述锂金属层2和中部的金属基材1。
所述金属基材1上设有外侧留白区，所述通孔4在所述锂金属层2上的开孔密度为0.3个/mm2。
所述复合碳纤维管5为碳纤维和铝锡合金的复合材料。所述复合碳纤维管5的形状为圆形，圆形外径为管体截面外径的800倍，所述复合碳纤维管5卡在所述通孔4上后形成两个放大状端头，以用于在所述锂金属复合带材的两侧之间进行电荷转移。
所述金属微球6的材质为金属铁和金属镍的混合物。
所述金属微球6为多孔微球，开孔率为45.8%。
所述锂合金层3的材质为金属银以及金属镁的混合物，所述锂合金层3的熔点低于所述金属微球6，所述锂合金层3以液态方式在所述锂金属层2上涂覆添加。
所述锂合金层3在所述锂金属层2上的凸出厚度为1.6mm。
所述金属基材1的材质为金属铜；所述锂金属复合带材用于制作锂电池的负极。
最后，本实施例中的所述锂金属复合带材制得的锂电池负极，其具有较好的枝晶生长抑制效果，而且在配合电池间电荷脉冲转移方法时，抑制效果更加突出，两种抑制方法都进行时，最外侧的锂合金层还不容易脱落或分片掉落，保证锂电池可以长期安全使用。
实施例3
如附图1所示，一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，包括金属基材1，设置在所述金属基材1上的锂金属层2，以及设置在所述锂金属层2上的锂合金层3，还包括设置在所述金属基材1和所述锂金属层2上的通孔4，设置在所述通孔4内的复合碳纤维管5，以及设置在所述锂合金层3内的金属微球6，所述金属基材1的两侧均设有所述锂金属层2，所述锂合金层3穿过所述通孔4后形成所述锂金属复合带材的两个侧面。
所述通孔4的孔径为440μm，穿透外侧的两个所述锂金属层2和中部的金属基材1。
所述金属基材1上设有外侧留白区，所述通孔4在所述锂金属层2上的开孔密度为0.3个/mm2。
所述复合碳纤维管5为碳纤维和铝锡合金的复合材料。所述复合碳纤维管5的形状为圆形，圆形外径为管体截面外径的850倍，所述复合碳纤维管5卡在所述通孔4上后形成两个放大状端头，以用于在所述锂金属复合带材的两侧之间进行电荷转移。
所述金属微球6的材质为金属钨和金属镍的混合物。
所述金属微球6为多孔微球，开孔率为50.0%。
所述锂合金层3的材质为金属铅、金属锡、金属银以及金属镁的混合物，所述锂合金层3的熔点低于所述金属微球6，所述锂合金层3以液态方式在所述锂金属层2上涂覆添加。
所述锂合金层3在所述锂金属层2上的凸出厚度为2.0mm。
所述金属基材1的材质为金属铜；所述锂金属复合带材用于制作锂电池的负极。
最后，本实施例中的所述锂金属复合带材制得的锂电池负极，其具有较好的枝晶生长抑制效果，而且在配合电池间电荷脉冲转移方法时，抑制效果更加突出，两种抑制方法都进行时，最外侧的锂合金层还不容易脱落或分片掉落，保证锂电池可以长期安全使用。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种修改。这些都是不具有创造性的修改，只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，包括金属基材（1），设置在所述金属基材（1）上的锂金属层（2），以及设置在所述锂金属层（2）上的锂合金层（3），其特征在于：还包括设置在所述金属基材（1）和所述锂金属层（2）上的通孔（4），设置在所述通孔（4）内的复合碳纤维管（5），以及设置在所述锂合金层（3）内的金属微球（6），所述金属基材（1）的两侧均设有所述锂金属层（2），所述锂合金层（3）穿过所述通孔（4）后形成所述锂金属复合带材的两个侧面，
所述复合碳纤维管（5）为碳纤维和铝锡合金的复合材料，
所述复合碳纤维管（5）的形状为圆形，圆形外径为管体截面外径的700-850倍，所述复合碳纤维管（5）卡在所述通孔（4）上后形成两个放大状端头，以用于在所述锂金属复合带材的两侧之间进行电荷转移，
所述金属微球（6）的材质为金属钨、金属铁或金属镍中的任意一种或几种混合物。
2.根据权利要求1所述的一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述通孔（4）的孔径为220-450μm，穿透外侧的两个所述锂金属层（2）和中部的金属基材（1）。
3.根据权利要求1所述的一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述金属基材（1）上设有外侧留白区，所述通孔（4）在所述锂金属层（2）上的开孔密度为0.3个/mm2。
4.根据权利要求1所述的一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述金属微球（6）为多孔微球，开孔率为40.5-55.0%。
5.根据权利要求1所述的一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述锂合金层（3）的材质为金属铅、金属锡、金属银或金属镁中的任意一种或几种混合物，所述锂合金层（3）的熔点低于所述金属微球（6），所述锂合金层（3）以液态方式在所述锂金属层（2）上涂覆添加。
6.根据权利要求5所述的一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述锂合金层（3）在所述锂金属层（2）上的凸出厚度为1.2-2.5mm。
7.根据权利要求5所述的一种可以抑制锂电池枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述金属基材（1）的材质为金属铝或者金属铜；所述锂金属复合带材用于制作锂电池的负极。
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