CN115986201B - 一种电池和电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电池和电池制备方法，涉及电池技术领域，该电池包括电芯和电解液，所述电芯包括正极极片、负极极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极极片和所述负极极片之间，所述正极极片、所述负极极片和所述隔膜卷绕或堆叠形成所述电芯，其中，所述负极极片的表面附着固体电解质膜，所述固体电解质膜包括氯化锂；所述固体电解质膜通过如下方式得到：将四氯乙烯溶液纯化并搅拌；将纯化并搅拌后的所述四氯乙烯溶液进行超声处理；将超声处理后的所述四氯乙烯溶液置于所述负极极片两侧进行加热反应；将加热反应后的所述负极极片置于所述电解液中，所述电解液用于与所述负极极片表面的四氯乙烯反应生成所述固体电解质膜。本发明能提高电池的容量。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种电池和电池制备方法。
背景技术
锂负极因具有高理论比容量和低还原电位，能匹配多种正极材料制备为锂电池，被广泛应用于电池领域。相关技术中，锂电池在使用过程中表面生成固体电解质膜，将锂负极与电解液隔开，阻止电子从阳极转移到电解液，从而抑制溶剂分子和盐阴离子与锂负极反应。但相关技术中，在电池使用过程中固体电解质膜不断地镀锂和剥锂，由于高表面扩散势垒，锂倾向于一维沉积，在镀锂过程中，固体电解质膜表面形成尖锐的枝晶，枝晶团聚成块，使得固体电解质膜表面更加不平整，导致在剥锂的过程中，枝晶脱离后极易形成死锂，致使活性物质减少，导致电池的容量下降。
可见，相关技术中存在着电池的容量较低的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种电池和电池制备方法，以解决相关技术中存在着电池的容量较低的问题。
为解决上述问题，本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种电池，包括电芯和电解液，所述电芯包括正极极片、负极极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极极片和所述负极极片之间，所述正极极片、所述负极极片和所述隔膜卷绕或堆叠形成所述电芯，其中，
所述负极极片的表面附着固体电解质膜，所述固体电解质膜包括氯化锂；
所述固体电解质膜通过如下方式得到：
将四氯乙烯溶液纯化并搅拌；
将纯化并搅拌后的所述四氯乙烯溶液进行超声处理；
将超声处理后的所述四氯乙烯溶液置于所述负极极片两侧进行加热反应；
将加热反应后的所述负极极片置于所述电解液中，所述电解液用于与所述负极极片表面的四氯乙烯反应生成所述固体电解质膜。
可选的，所述四氯乙烯溶液通过分子筛进行纯化，其中，
所述分子筛的浓度为1g/mL至10g/mL。
可选的，将纯化并搅拌后的所述四氯乙烯溶液进行超声处理的超声功率为1W/cm2至5W/cm2。
可选的，在所述负极极片与所述四氯乙烯溶液进行加热反应过程中，所述负极极片的表面与所述四氯乙烯溶液的距离为2cm至10cm，加热温度为40℃至80℃。
可选的，所述电解液包括1,3二氧戊环、乙二醇二甲醚、双三氟甲磺酰亚胺锂和硝酸锂，其中，
所述1,3二氧戊环的质量与所述乙二醇二甲醚的质量比值为1:1；
所述双三氟甲磺酰亚胺锂的含量为1mol/L;
所述硝酸锂的含量为2wt%。
可选的，所述隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或聚乙烯隔/聚丙烯隔混合隔膜中的一种。
第二方面，本发明实施例还提供一种电池制备方法，包括：
将四氯乙烯溶液进行纯化并搅拌，得到第一中间溶液；
将所述第一中间溶液进行超声处理，得到第二中间溶液；
将所述第二中间溶液置于负极极片的两侧进行加热反应，得到第一处理极片;
将所述第一处理极片置于电解液中静置，并在设定时间后烘干，得到附着固体电解质膜的负极极片，所述固体电解质膜包括氯化锂；
将正极极片、负极极片和隔膜堆叠或卷积，得到电芯；
根据所述电芯和电解液，制备得到所述电池。
可选的，所述将四氯乙烯溶液进行纯化并搅拌，得到第一中间溶液，包括：
利用分子筛将所述四氯乙烯溶液进行纯化并搅拌，得到所述第一中间溶液，其中，所述分子筛的浓度为1g/mL至10g/mL。
可选的，所述将所述第一中间溶液进行超声处理的超声功率为1W/cm2至5W/cm2。
可选的，在所述负极极片与所述第二中间溶液进行加热反应的过程中，所述负极极片的表面与所述第二中间溶液的距离为2cm至10cm，加热温度的为40℃至80℃。
在本发明实施例中，将四氯乙烯溶液纯化并搅拌，再将纯化并搅拌后的所述四氯乙烯溶液进行超声处理，将超声处理后的所述四氯乙烯溶液置于所述负极极片两侧进行加热反应，将加热反应后的所述负极极片置于所述电解液中，从而在负极极片的表面生成包括氯化锂的固体电解质膜，氯化锂具有较高的机械强度和较低的锂离子扩散能垒，能有效阻碍电解质侵蚀负极极片，促进锂离子的均匀沉积，抑制不规则的锂枝晶生长，实现稳定的长循环锂金属电池，提高电池的容量。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种电池的结构图；
图2是本发明实施例提供的X射线光电子能谱分析图；
图3是本发明实施例提供的一种电池制备方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的充放电测试图；
图5是本发明实施例提供的循环测试图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种电池的结构图，如图1所示，电池包括电芯10和电解液20，所述电芯10包括正极极片101、负极极片102和隔膜103，所述隔膜103位于所述正极极片101和所述负极极片102之间，所述正极极片101、所述负极极片102和所述隔膜103卷绕或堆叠形成所述电芯10，其中，
所述负极极片102的表面附着固体电解质膜，所述固体电解质膜包括氯化锂（LiCl）；
所述固体电解质膜通过如下方式得到：
将四氯乙烯溶液纯化并搅拌；
将纯化并搅拌后的所述四氯乙烯溶液进行超声处理；
将超声处理后的所述四氯乙烯溶液置于所述负极极片102两侧进行加热反应；
将加热反应后的所述负极极片102置于所述电解液20中，所述电解液20用于与所述负极极片102表面的四氯乙烯反应生成所述固体电解质膜。
上述固体电解质膜为初次电循环后在负极极片102的表面生成的涂层，能传递离子但阻碍电子通过，用于将负极极片102与电解液20隔开，阻止电子从阳极转移到电解液20，并抑制溶剂分子和盐阴离子与锂片反应。
应理解，在电循环过程中，锂离子不断地与固体电解质膜反应，不断消耗锂离子在固体电解质膜的表面的锂（即剥锂），以及不断在固体电解质膜的表面生成锂（即镀锂）。在镀锂过程中，由于高表面扩散势垒，锂离子倾向于一维沉积，形成尖锐的枝晶，枝晶在剥锂过程中脱离形成死锂，造成电池的能量密度下降。而通过将负极极片102与四氯乙烯溶液反应，生成包括氯化锂的固体电解质膜，氯化锂具有较高的机械强度（6.5GPa），又有低的锂离子扩的散能垒（0.05eV），有利于锂离子的均匀沉积，减少枝晶的出现。
示例性的，将上述方式处理得到的负极极片102与未经处理的负极极片102进行X射线光电子能谱分析，得到如图2所示的图谱，其中，峰1（颜色较深）为处理后的负极极片102，峰2（颜色较浅）为处理前的负极极片102，课件处理后的固体电解质膜包括较多LiCl，能有效提高电池容量。
进一步地，固体电解质膜中氯化锂的含量与加热反应的时间正相关，在将超声处理后的四氯乙烯溶液置于负极极片102两侧进行加热反应时，通过控制加热反应时间，进而调整固体电解质膜中氯化锂的含量。
应理解，通过上述方式制得的固体电解质膜包括氯化锂的负极极片102适用于任意锂金属电池负极，具备优良的兼容性。
在本发明实施例中，将四氯乙烯溶液纯化并搅拌，再将纯化并搅拌后的所述四氯乙烯溶液进行超声处理，将超声处理后的所述四氯乙烯溶液置于所述负极极片102两侧进行加热反应，将加热反应后的所述负极极片102置于所述电解液20中，从而在负极极片102的表面生成包括氯化锂的固体电解质膜，氯化锂具有较高的机械强度和较低的锂离子扩散能垒，能有效阻碍电解质侵蚀负极极片102，促进锂离子的均匀沉积，抑制不规则的锂枝晶生长，实现稳定的长循环锂金属电池，提高电池的容量。
在一个实施例中，所述四氯乙烯溶液通过分子筛进行纯化，其中，
所述分子筛的浓度为1g/mL至10g/mL。
应理解，分子筛具有大小均匀的微孔结构，对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力，通过分子筛对四氯乙烯溶液进行纯化，能剔除溶液中的杂质，提高四氯乙烯溶液的纯度。
其中，分子筛为3A分子筛。通过3A分子筛对四氯乙烯溶液纯化并搅拌的过程中需要在氩气等惰性气体的保护下进行机械搅拌，避免混入空气导致后续反应时发生副反应。
其中，分子筛的浓度为1g/mL至10g/mL，分子筛的浓度根据溶液的情况进行调整，在溶液杂质较多时分子筛的浓度较高，在溶液杂质较少时分子筛的浓度较低。
在本发明实施例中，通过分子筛对四氯乙烯溶液进行纯化，吸附极性分子和不饱和分子，剔除溶液的杂质，从而提高四氯乙烯溶液的纯度。
在一个实施例中，将纯化并搅拌后的所述四氯乙烯溶液进行超声处理的超声功率为1W/cm2至5W/cm2。
应理解，在四氯乙烯溶液与负极极片102加热反应之前，需要对四氯乙烯溶液进行超声，使得四氯乙烯的分子均匀的分布在溶液中，进而在四氯乙烯溶液与负极极片102加热反应时，四氯乙烯的分子能均匀分布在负极极片102的表面，从而反应生成氯化锂。
其中，超声处理的超声功率为1W/cm2至5W/cm2，超声处理的超声功率根据四氯乙烯溶液的容量决定，在四氯乙烯溶液的容量较高时，超声功率较高；在四氯乙烯溶液的容量较低时，超声功率较低。
在本发明实施例中，将纯化并搅拌后的所述四氯乙烯溶液进行超声处理的超声功率为1W/cm2至5W/cm2，使得四氯乙烯的分子均匀的分布在溶液中，进而在四氯乙烯溶液与负极极片102加热反应时，四氯乙烯的分子能均匀分布在负极极片102的表面，从而反应生成氯化锂。
在一个实施例中，在所述负极极片102与所述四氯乙烯溶液进行加热反应过程中，所述负极极片102的表面与所述四氯乙烯溶液的距离为2cm至10cm，加热温度为40℃至80℃。
应理解，在电池中负极极片102和正极极片101为堆叠或卷绕结构，负极极片102的两侧表面均存在电解液20，为隔绝负极极片102和电解液20，需要在负极极片102的两侧均设置四氯乙烯溶液，使得负极极片102的两侧表面均与四氯乙烯溶液发生反应，以使得后续生成氯化锂。
其中，负极极片102的表面与四氯乙烯溶液的距离为2cm至10cm，在需要LiCl的含量提高时，在距离范围内控制四氯乙烯靠近负极极片102的表面；在需要LiCl的含量降低时，在距离范围内控制四氯乙烯远离负极极片102的表面。
其中，加热温度为40℃至80℃，在该温度范围四氯乙烯能在负极极片102反应，其中，反应速度与加热温度正相关。
在本发明实施例中，在负极极片102与四氯乙烯溶液进行加热反应过程中，将负极极片102的表面与四氯乙烯溶液的距离设为2cm至10cm，加热温度设为40℃至80℃，以使得负极极片102的两侧表面均与四氯乙烯溶液发生反应，以使得后续生成氯化锂。
在一个实施例中，所述电解液20包括1,3二氧戊环、乙二醇二甲醚、双三氟甲磺酰亚胺锂和硝酸锂，其中，
所述1,3二氧戊环的质量与所述乙二醇二甲醚的质量比值为1:1；
所述双三氟甲磺酰亚胺锂的含量为1mol/L;
所述硝酸锂的含量为2wt%。
上述电解液20用于传输锂离子，完成电循环，同时，还与加热处理后的负极极片102反应，生产包括氯化锂的固体电解质膜，故电解液20中具有较多的锂离子。在本实施例中由双三氟甲磺酰亚胺锂和硝酸锂提供锂离子，同时1,3二氧戊环、乙二醇二甲醚作为溶剂能高效传输锂离子，使电池具有较高的电循环性能。
其中，1,3二氧戊环的质量与乙二醇二甲醚的质量比值为1:1，双三氟甲磺酰亚胺锂的含量为1mol/L，硝酸锂的含量为0.2wt%，使得电解液20在含有较多锂离子的同时能快速传导锂离子，使电池维持在较高的电循环性能水平。
在一个实施例中，所述隔膜103为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或聚乙烯隔/聚丙烯隔混合隔膜中的一种。
应理解，隔膜103位于正极极片101和负极极片102之间，在电池循环过程中，锂离子需要穿过隔膜103进行电循环，故隔膜103本身需要具有良好的传导锂离子的性能。将隔膜103设为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或聚乙烯隔/聚丙烯隔混合隔膜中的一种，使得电池在电循环过程中锂离子能较高速度穿过，电池的能量密度维持在较高水平。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种电池制备方法的流程图，如图3所示，该方法包括：
将四氯乙烯溶液进行纯化并搅拌，得到第一中间溶液；
将所述第一中间溶液进行超声处理，得到第二中间溶液；
将所述第二中间溶液置于负极极片的两侧进行加热反应，得到第一处理极片；
将所述第一处理极片置于电解液中静置，并在设定时间后烘干，得到附着固体电解质膜的负极极片，所述固体电解质膜包括氯化锂；
将正极极片、负极极片和隔膜堆叠或卷积，得到电芯；
根据所述电芯和电解液，制备得到所述电池。
在一个实施例中，所述将四氯乙烯溶液进行纯化并搅拌，得到第一中间溶液，包括：
利用分子筛将所述四氯乙烯溶液进行纯化并搅拌，得到所述第一中间溶液，其中，所述分子筛的浓度为1g/mL至10g/mL。
在一个实施例中，所述将所述第一中间溶液进行超声处理的超声功率为1W/cm2至5W/cm2。
在一个实施例中，在所述负极极片与所述第二中间溶液进行加热反应的过程中，所述负极极片的表面与所述第二中间溶液的距离为2cm至10cm，加热温度的为40℃至80℃。
通过上述方法可以制备不同的实施例进行对比，以体现对电池的容量的改进。具体步骤如下：
制备实施例1的电池：
步骤1：首先利用3A分子筛对四氯乙烯溶液进行纯化。其中，在氩气保护下对四氯乙烯容易进行机械搅拌，纯化时间控制在6h，分子筛的添加量为5g/mL；
步骤2：对纯化后的四氯乙烯溶液进行超声处理。其中，超声功率3W/cm2，时间40min；
步骤3：将超声处理后的四氯乙烯溶液置于负极极片的两侧，并加热四氯乙烯溶液。其中，加热温度控制在50℃，四氯乙烯和负极极片的表面直线距离控制在3cm；处理时间控制在4h；
步骤4：将加热处理后的负极极片置于锂硫电解液中。其中，锂硫电解液为1,3二氧戊环：乙二醇二甲醚为1:1，1mol/L的双三氟甲磺酰亚胺锂，0.2wt%的硝酸锂，静置12h；
步骤5：对静置后的负极极片烘干，并将烘干后的负极极片、正极极片、隔膜和电解液组成实施例1对应的电池。
制备实施例2的电池：
首先利用3A分子筛对四氯乙烯溶液进行纯化。其中，在氩气保护下对四氯乙烯容易进行机械搅拌，纯化时间控制在6h，分子筛的添加量为5g/mL；
对纯化后的四氯乙烯溶液进行超声处理。其中，超声功率3W/cm2，时间40min；
将超声处理后的四氯乙烯溶液置于负极极片的两侧，并加热四氯乙烯溶液。其中，加热温度控制在40℃，四氯乙烯和负极极片的表面直线距离控制在6cm；处理时间控制在5h；
将加热处理后的负极极片置于锂硫电解液中。其中，锂硫电解液为1,3二氧戊环：乙二醇二甲醚为1:1，1mol/L的双三氟甲磺酰亚胺锂，0.2wt%的硝酸锂，静置12h；
对静置后的负极极片烘干，并将烘干后的负极极片、正极极片、隔膜和电解液组成实施例2对应的电池。
制备实施例2的电池：
首先利用3A分子筛对四氯乙烯溶液进行纯化。其中，在氩气保护下对四氯乙烯容易进行机械搅拌，纯化时间控制在6h，分子筛的添加量为5g/mL；
对纯化后的四氯乙烯溶液进行超声处理。其中，超声功率3W/cm2，时间40min；
将超声处理后的四氯乙烯溶液置于负极极片的两侧，并加热四氯乙烯溶液。其中，加热温度控制在40℃，四氯乙烯和负极极片的表面直线距离控制在6cm；处理时间控制在5h；
将加热处理后的负极极片置于锂硫电解液中。其中，锂硫电解液为1,3二氧戊环：乙二醇二甲醚为1:1，1mol/L的双三氟甲磺酰亚胺锂，0.2wt%的硝酸锂，静置12h；
对静置后的负极极片烘干，并将烘干后的负极极片、正极极片、隔膜和电解液组成实施例2对应的电池。
制备实施例3的电池：
首先利用3A分子筛对四氯乙烯溶液进行纯化。其中，在氩气保护下对四氯乙烯容易进行机械搅拌，纯化时间控制在8h，分子筛的添加量为8g/mL；
对纯化后的四氯乙烯溶液进行超声处理。其中，超声功率2W/cm2，时间80min；
将超声处理后的四氯乙烯溶液置于负极极片的两侧，并加热四氯乙烯溶液。其中，加热温度控制在80℃，四氯乙烯和负极极片的表面直线距离控制在10cm；处理时间控制在5h；
将加热处理后的负极极片置于锂硫电解液中。其中，锂硫电解液为1,3二氧戊环：乙二醇二甲醚为1:1，1mol/L的双三氟甲磺酰亚胺锂，0.2wt%的硝酸锂，静置15h；
对静置后的负极极片烘干，并将烘干后的负极极片、正极极片、隔膜和电解液组成实施例3对应的电池。
对实施例1的电池进行充放电测试，得到如图4所示的测试结果，从图4可知，在充放电电流密度为1mA/cm2以及容量为1mAh/cm2的情况下，相比于未处理的锂负极，由本发明实施例1的电池可以实现稳定循环1800h以上，有效延长电池循环次数。
对实施例1、实施例2和实施例3进行循环测试，得到如图5所示的测试结果，从图5可知，在充放电电流密度为1mA/cm2以及容量为1mAh/cm2的情况下，可以实现450次以上的稳定循环，表明改性后的电解液能够生成一层机械强度高并且锂离子扩散能垒低的富含LiCl的固体电解质膜，提高了电池长循环稳定性，提高了电池的容量。
综上可以确认通过本发明实施例得到的包括LiCl的负极极片制成的电池具有更好的电池循环性能，有效提高了电池的容量。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种电池制备方法，其特征在于，包括：
将四氯乙烯溶液进行纯化并搅拌，得到第一中间溶液；
将所述第一中间溶液进行超声处理，得到第二中间溶液；
将所述第二中间溶液置于负极极片的两侧进行加热反应，得到第一处理极片；
将所述第一处理极片置于电解液中静置，并在设定时间后烘干，得到附着固体电解质膜的负极极片，所述固体电解质膜包括氯化锂；
将正极极片、负极极片和隔膜堆叠或卷积，得到电芯；
根据所述电芯和电解液，制备得到所述电池。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将四氯乙烯溶液进行纯化并搅拌，得到第一中间溶液，包括：
利用分子筛将所述四氯乙烯溶液进行纯化并搅拌，得到所述第一中间溶液，其中，所述分子筛的浓度为1g/mL至10g/mL。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一中间溶液进行超声处理的超声功率为1W/cm2至5W/cm2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述负极极片与所述第二中间溶液进行加热反应的过程中，所述负极极片的表面与所述第二中间溶液的距离为2cm至10cm，加热温度的为40℃至80℃。
5.一种电池，由权利要求1所述的方法制作而成，其特征在于，包括电芯和电解液，所述电芯包括正极极片、负极极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极极片和所述负极极片之间，所述正极极片、所述负极极片和所述隔膜卷绕或堆叠形成所述电芯，其中，
所述负极极片的表面附着固体电解质膜，所述固体电解质膜包括氯化锂；
所述固体电解质膜通过如下方式得到：
将四氯乙烯溶液纯化并搅拌；
将纯化并搅拌后的所述四氯乙烯溶液进行超声处理；
将超声处理后的所述四氯乙烯溶液置于所述负极极片两侧进行加热反应；
将加热反应后的所述负极极片置于所述电解液中，所述电解液用于与所述负极极片表面的四氯乙烯反应生成所述固体电解质膜。
6.根据权利要求5所述的电池，其特征在于，所述四氯乙烯溶液通过分子筛进行纯化，其中，
所述分子筛的浓度为1g/mL至10g/mL。
7.根据权利要求5所述的电池，其特征在于，将纯化并搅拌后的所述四氯乙烯溶液进行超声处理的超声功率为1W/cm2至5W/cm2。
8.根据权利要求5所述的电池，其特征在于，在所述负极极片与所述四氯乙烯溶液进行加热反应过程中，所述负极极片的表面与所述四氯乙烯溶液的距离为2cm至10cm，加热温度为40℃至80℃。
9.根据权利要求5所述的电池，其特征在于，所述电解液包括1,3二氧戊环、乙二醇二甲醚、双三氟甲磺酰亚胺锂和硝酸锂，其中，
所述1,3二氧戊环的质量与所述乙二醇二甲醚的质量比值为1:1；
所述双三氟甲磺酰亚胺锂的含量为1mol/L；
所述硝酸锂的含量为2wt％。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的电池，其特征在于，所述隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或聚乙烯隔/聚丙烯隔混合隔膜中的一种。
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| CN202310244192.XA CN115986201B (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 一种电池和电池制备方法 |
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