CN114203972A - 一种用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法 - Google Patents

一种用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法，通过在正极极片制备过程中引入造孔剂S单质，利用其加热升华在厚极片中留下合适孔径的离子通道，该离子通道对于改善电解液的浸润性，提高电池反应中的离子传输效率具有重要作用，作造孔处理后的电极材料会产生较大的比表面积以及合适孔径的孔道，对于电池反应效率有显著的提升。本发明旨在通过使用廉价的造孔材料结合简单的热处理对电池极片进行结构改造，从而显著提升电极中活性物质的利用效率，提高电池总的能量能量密度。

Description

一种用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法
技术领域
本发明涉及一种用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法。
背景技术
以金属锂为负极的电池被称为锂金属电池，相比锂离子电池其在能量密度上优势明显，有较好的应用前景，作为一种典型的锂金属电池，锂-氟化碳电池正极材料的理论质量比容量和理论质量比能量分别达到了865 mAh/g和2189 Wh/kg，远高于商业化的锂离子电池。
锂金属电池理论能量虽高，但想要在单颗电池中发挥出高的实际能量，必须增大正极极片的厚度，从而提高正极活性物质的载量，然而，当正极极片的厚度提升后，电解液的浸润难度就会大幅提升，导致正极的大部分活性物质无法参与放电反应，最终只能获得较低的能量密度，因此，为了提高正极活性物质的利用率，获得具有高能量密度的锂金属电池，就必须在正极电极构建离子通道，增加电极内部活性物质与电解液的反应度。
本专利报道了一种新型的高能量密度锂金属电池正极离子通道的构建方法，使用单质S作为锂金属电池的造孔剂，通过加热使单质S升华，从而在锂金属电池正极构建大量有序的孔道，提升电解液的浸润作用，最终提高锂金属电池的放电性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法，通过在正极极片制备过程中引入造孔剂S单质，利用其加热升华在厚极片中留下合适孔径的离子通道，该离子通道对于改善电解液的浸润性，提高电池反应中的离子传输效率具有重要作用，作造孔处理后的电极材料会产生较大的比表面积以及合适孔径的孔道，对于电池反应效率有显著的提升。本发明旨在通过使用廉价的造孔材料结合简单的热处理对电池极片进行结构改造，从而显著提升电极中活性物质的利用效率，提高电池总的能量能量密度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
一种用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法，包括以下步骤：
1）按照比例将粒径合适的S单质粉末，活性物质，粘结剂（PTFE）搅拌成正极干料并制取成浆料；
2）按照辊压的方法将制取的浆制作成正极极片，将其置于鼓风烘箱中80~100℃干燥6~18小时；
3）将正极极片取出裁片，再将裁好的正极极片继续放置于真空干燥箱中100~130℃继续干燥6~18小时。最后将烘干的正极极片置于管式炉中，通氩气，以5℃/min的速率从室温升温至300~350℃，300~350℃的环境下保温2小时，再自然降温。制取浆料的过程所使用的粘结剂为PTFE。
S粉在正极干料中的比例为0~30wt.%。
正极极片的厚度为500~1000μm。
有益效果：（1）本专利涉及的造孔剂为S单质，此原材料价格低廉且造孔的方法简单，符合大规模生产的基础要求；（2）本专利在厚正极极片制备的锂-氟化碳一次软包电池中的应用可以有效提升电池的比容量，提高了活性物质的利用率；（3）本专利在厚正极极片上所造出的孔道结构有利于电解液的浸润，从而减少电解液的用量以提升电池整体的能量密度，除此之外还可以缩短电池老化所需的时间，从而加快电池的生产效率；（4）本专利制作的多孔正极极片所制备出的软包电池，因为离子传输通道被打开，从而可以提升离子传输的效率，对于软包电池倍率性能的提高也有一定的益处。
附图说明
图1 为以S单质为造孔剂制作锂-氟化碳电池正极极片的工艺流程图。
图2 为未开孔极片极片的扫描电镜图片。
图3为10 wt.%硫开孔极片的扫描电镜图。
图4 为使用本专利方法对正极极片进行造孔处理后的锂-氟化碳电池的放电曲线图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法，所述技术方案如下：
实施例1.以不掺杂单质S作为造孔剂构筑锂-氟化碳电池正极厚极片离子通道的方法。CFx干粉(13.05g）、KB干粉(0.375g）、CNT干粉(0.375g)、称量后放入搅拌机（THINKYMIXER）中，并加入30.36ml的乙醇，称重记录整体重量，在2000r/min的转速下搅拌10min，再进行1min的脱泡；补充乙醇至相同重量后，在2000r/min的转速下搅拌10min，再进行1min的脱泡；再补充乙醇至相同重量后，在2000r/min的转速下搅拌10min，再进行1min的脱泡，在搅拌结束后，制得混合均匀的浆料，加入2g的PTFE混合物（固含量60%，即实际PTFE含量为1.2g），用玻璃棒搅拌成果冻状，开始处理极片前驱体。辊压成形后，用辊压机从2000μm开始辊压至单层极片厚度为500μm。使用厚度为60μm的薄铝带作为集流体，进行双层极片复合辊压至600μm（烘干后实测厚度约为850μm）。
将制成的锂-氟化碳电池正极极片置于鼓风干燥箱80℃预烘干24h，取出裁片。取出极片，置于管式炉中通氩气，以5℃/min的速率从室温升温至300℃，在300℃的环境下保温2小时，再自然降温。再将裁好的极片转入真空干燥箱130℃干燥12h。以上操作便完成了正极极片的制备。
使用实施例1的正极极片组装软包电池完成之后，以0.02C倍率下的恒电流对电池进行电池性能测试，放电曲线表明，未使用造孔剂的正极极片组装的软包电池其容量为719mAh/g。
实施例2. 以掺杂5wt.%单质S作为造孔剂构筑锂-氟化碳电池正极厚极片离子通道的方法。将CFx干粉(13.05g）、KB干粉(0.375g）、CNT干粉(0.375g)、单质S干粉（0.75g）称量后放入THINKY MIXER中，并加入32.01ml的乙醇，称重记录整体重量。在2000r/min的转速下搅拌10min，再进行1min的脱泡；补充乙醇至相同重量后，在2000r/min的转速下搅拌10min，再进行1min的脱泡；再补充乙醇至相同重量后，在2000r/min的转速下搅拌10min，再进行1min的脱泡，在搅拌结束后，制得混合均匀的浆料。加入2g的PTFE混合物（固含量60%，即实际PTFE含量为1.2g），用玻璃棒搅拌成果冻状，开始处理极片前驱体。辊压成形后，用辊压机从2000μm开始辊压至单层极片厚度为500μm。使用厚度为60μm的薄铝带作为集流体，进行双层极片复合辊压至600μm（烘干后实测厚度约为850μm）。
将制成的锂-氟化碳电池正极极片置于鼓风干燥箱80℃预烘干24h，取出裁片。取出极片，置于管式炉中通氩气，以5℃/min的速率从室温升温至300℃，在300℃的环境下保温2小时，再自然降温。再将裁好的极片转入真空干燥箱130℃干燥12h。以上操作便完成了正极极片的制备。
使用实施例2的正极极片组装软包电池完成之后，以0.02C倍率下的恒电流对电池进行电池性能测试，放电曲线表明，未使用造孔剂的正极极片组装的软包电池其容量为784mAh/g。
实施例3. 以掺杂10wt.%单质S作为造孔剂构筑锂-氟化碳电池正极厚极片离子通道的方法。将CFx干粉(13.05g）、KB干粉(0.375g）、CNT干粉(0.375g)、单质S干粉（1.5g）称量后放入THINKY MIXER中，并加入33.66ml的乙醇，称重记录整体重量。在2000r/min的转速下搅拌10min，再进行1min的脱泡；补充乙醇至相同重量后，在2000r/min的转速下搅拌10min，再进行1min的脱泡；再补充乙醇至相同重量后，在2000r/min的转速下搅拌10min，再进行1min的脱泡，在搅拌结束后，制得混合均匀的浆料。加入2g的PTFE混合物（固含量60%，即实际PTFE含量为1.2g），用玻璃棒搅拌成果冻状，开始处理极片前驱体。辊压成形后，用辊压机从2000μm开始辊压至单层极片厚度为500μm。使用厚度为60μm的薄铝带作为集流体，进行双层极片复合辊压至600μm（烘干后实测厚度约为850μm）。
将制成的锂-氟化碳电池正极极片置于鼓风干燥箱80℃预烘干24h，取出裁片。取出极片，置于管式炉中通氩气，以5℃/min的速率从室温升温至300℃，在300℃的环境下保温2小时，再自然降温。再将裁好的极片转入真空干燥箱130℃干燥12h。
使用实施例3的正极极片组装软包电池完成之后，以0.02C倍率下的恒电流对电池进行电池性能测试，放电曲线表明，使用10 wt.%S单质造孔后的正极极片组装而成的电池其放电比容量为774 mAh/g。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：按照比例将粒径合适的S单质粉末，活性物质，粘结剂（PTFE）搅拌成正极干料并制取成浆料；
步骤2：按照辊压的方法将制取的浆制作成正极极片，将其置于鼓风烘箱中80~100℃干燥6~18小时；
步骤3将正极极片取出裁片，再将裁好的正极极片继续放置于真空干燥箱中100~130℃继续干燥6~18小时，最后将烘干的正极极片置于管式炉中，通氩气，以5℃/min的速率从室温升温至300~350℃，300~350℃的环境下保温2小时，再自然降温。
2.根据权利要求1所述的用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法，其特征在于：制取浆料的过程所使用的粘结剂为PTFE。
3.根据权利要求1所述的用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法，其特征在于：S粉在正极干料中的比例为0~30wt.%。
4.根据权利要求1所述的用于锂金属电池正极新型离子通道的构造方法，其特征在于：正极极片的厚度为500~1000μm。
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