CN117613402A - 一种可补锂的无负极锂金属电池及其补锂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种可补锂的无负极锂金属电池及其补锂方法,属于锂电池的技术领域,用以解决无负极锂金属电池循环寿命短的技术问题。本发明无负极锂金属电池,包括正极、负极和隔膜,所述正极依次包括补锂层、正极集流体和活性层,所述活性层位于靠近负极的一侧。本发明无负极锂金属电池在工作倍率循环充放电工作一定圈数后,进行至少一次0.002‑0.02C倍率活化充放电。本发明复合在铝箔第二表面的补锂层可有效补充复合在铝箔第一表面的活性层中损失的活性物。因此,这种无负极锂金属电池有效缓解了常规无负极锂金属电池容量衰减过快的难题,提升电池的循环寿命。

Description

一种可补锂的无负极锂金属电池及其补锂方法
技术领域
本发明属于锂电池的技术领域,尤其涉及一种可补锂的无负极锂金属电池及其补锂方法。
背景技术
锂离子电池作为一种高效的储能器件,已经被广泛应用于电动汽车、储能电网等领域。但是当前锂离子电池的负极材料主要为石墨,其理论比容量为372mAh/g,且实际开发的石墨负极比容量已经接近理论值,无法满足人们对更高能量密度的需求。在这一背景下,金属锂凭借超高的理论比容量(3860mAh/g)和最低的电极电位(-3.04V),被誉为是最为理想的二次电池用的负极材料。而且,近年来科研工作者提出系列有效措施来解决锂枝晶生长难题,已经取得了十分可喜的成绩。然而,锂金属电池中的锂含量通常超过实际循环容量的10倍。例如当使用厚度为100μm的金属锂片作为负极,面积容量为2mAh/cm2磷酸铁锂极片为正极时,金属锂过量为100/4.85/2=10.3倍。因此金属锂的比容量将由3860mAh/g降低至3860/(10+1)=341.6mAh/g,略低于石墨负极的理论比容量,不能充分发挥金属锂负极的优势。因而,限制电池中金属锂的过量十分必要。采用无负极锂金属电池,在电池组装过程中,直接使用负极集流体作为负极,没有活性物质,可有效提升电池的能量密度。同时,由于组装过程不存在金属锂,因此装配安全性大幅度提升。无负极锂金属电池在第一次充电过程中,锂离子从正极材料脱出,随后直接沉积在负极集流体上。由于没有过剩的锂存在,使得电池容量衰减过快,寿命过短。因此,对无负极锂金属电池有效补锂,提升电池循环寿命是无负极锂金属电池实用化的关键。
专利公开号CN106384808A公开了一种锂离子电池正极片,包括第一集流体、补锂层和正极活性层;所述补锂层位于所述正极活性层和所述第一集流体之间;所述补锂层中包括还原性锂化合物,所述还原性锂化合物包括L-抗坏血酸锂、D-异抗坏血酸锂、焦亚硫酸锂、亚硫酸锂和植酸锂中的一种或者多种。该方案减少了首次充放电过程中正极活性层的锂损失,提高了电池的能量密度。但是,正极活性层中锂的损失并非仅发生在首次充放电过程中,在长期充放电循环使用中,锂损失持续发生,导致锂离子电池容量逐步恶化,电池循环寿命仍然较短。
发明内容
针对无负极锂金属电池循环寿命短的技术问题,本发明提出一种可补锂的无负极锂金属电池及其补锂方法,当电池在小倍率充放电时,补锂层中释放的活性锂可以补充活性层损失的活性锂,从而大幅度延长无负极锂金属电池的寿命。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种可补锂的无负极锂金属电池,包括正极、负极和隔膜,所述正极依次包括补锂层、正极集流体和活性层,所述活性层位于靠近负极的一侧。
所述活性层包括以下原料:活性材料、第一导电剂和第一胶粘剂,其中活性材料占比为60-98wt%,第一导电剂含量不低于1wt%,第一胶粘剂含量不低于1wt%。
所述补锂层包括以下原料:补锂材料、第二导电剂和第二胶粘剂,其中补锂材料占比为80-98%wt,第二导电剂含量不低于1wt%,第二胶粘剂含量不低于1wt%。
所述的活性材料为LiFePO4、LiMn2O4和LiNixCoyMn1-x-yO2中的任意一种,LiNixCoyMn1-x-yO2中0≤x≤1、0≤y≤1。
所述的补锂材料为LiFePO4、LiMn2O4、LiNixCoyMn1-x-yO2、Li2NiO2、Li6CoO4、Li5FeO4、Li2O或Li2S任意一种或两种以上,LiNixCoyMn1-x-yO2中0≤x≤1、0≤y≤1。
所述的第一导电剂和第二导电剂分别独立的为炭黑、碳纳米管、碳纤维或科琴黑中的任意一种。
所述的第一胶粘剂和第二胶粘剂分别独立的为聚偏氟乙烯,聚四氟乙烯,聚酰亚胺中的任意一种。
所述的负极为铜箔、不锈钢箔、钛箔中的任意一种;所述正极集流体为铝箔。
上述无负极锂金属电池的补锂方法,无负极锂金属电池在工作倍率循环充放电工作一定圈数后,进行至少一次0.002-0.02C倍率活化充放电。
所述工作倍率为0.1-1C,无负极锂金属电池在进行5-20圈工作倍率循环充放电后进行一次活化。
本发明的有益效果:本发明复合在铝箔第二表面的补锂层可有效补充复合在铝箔第一表面的活性层中损失的活性物。同时,正极材料层与补锂层并不接触,不会在首次充放电中消耗掉补锂层中的活性物质。并且本发明通过调节充电过程中的倍率来释放正极材料层损失的锂,补锂过程可控。在锂电池工作一定周期,电池容量明显下降后,可进行一次补锂,恢复电池容量。因此,这种无负极锂金属电池有效缓解了常规无负极锂金属电池容量衰减过快的难题,提升的电池的循环寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术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的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为无负极锂金属电池的结构示意图,图中,1、负极;2、隔膜;3、活性层;4、正极集流体;5、补锂层。
图2为无负极锂金属电池首圈充放电图。
图3为无负极锂金属电池第11圈充放电图。
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,所描述的实施例仅仅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付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。
实施例1
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiFePO4、炭黑、聚偏氟乙烯按照质量比94:3:3在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。待活性层干燥后在铝箔第二表面涂覆相同的浆料形成补锂层(图1)。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及铜箔组成可补锂的无负极锂金属电池。
对可补锂的无负极锂金属电池进行充放电测试。电池每在0.1C循环10圈后,再以0.01C活化1圈。电池的首圈容量为141.9mAh/g(图2),第11圈的容量为135.8mAh/g(图3),循环112圈之后容量保持率低于60%。
对比例1
将实施例1制备的可补锂的无负极锂金属电池在0.1C充放电循环。电池的首圈容量为141.9mAh/g(图2),第11圈的容量仅为117.7mAh/g(图3),循环47圈之后容量保持率低于60%。
对比例2
一种可补锂的无负极锂金属电池,包括正极、负极和隔膜,制备方法为将LiFePO4、炭黑、聚偏氟乙烯按照质量比94:3:3在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将涂覆有活性层的铝箔、含电解液隔膜以及铜箔组成无负极电池。
对无负极电池进行充放电测试。电池每在0.1C循环10圈后,再以0.01C活化1圈。电池的首圈容量为142.9mAh/g(图2),第11圈的容量仅为112.6mAh/g(图3),循环35圈之后容量保持率低于60%。结合实施例1和对比例1可知,补锂层对锂电池的首圈容量并不会产生影响,但是,在循环一定圈数后采用低倍率循环补锂,可显著恢复电池容量。采用该补锂方法,可提升电池的循环寿命。
实施例2
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiCoO2、科琴黑、聚偏氟乙烯按照质量比90:5:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将LiCoO2、Li6CoO4、炭黑、聚四氟乙烯按照质量比45:45:5:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料的涂覆在铝箔第二表面。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及铜箔组成无负极电池进行充放电测试。电池每在0.1C循环10圈后,再以0.01C活化1圈,相应的结果示于表1。
实施例3
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiCoO2、科琴黑、聚偏氟乙烯按照质量比90:5:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将LiCoO2、Li6CoO4、炭黑、聚四氟乙烯按照质量比45:45:5:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料的涂覆在铝箔第二表面。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及不锈钢箔组成无负极电池进行充放电测试。电池每在0.1C循环10圈后,再以0.01C活化1圈,相应的结果示于表1。
实施例4
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiCoO2、科琴黑、聚偏氟乙烯按照质量比90:5:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将LiCoO2、Li6CoO4、炭黑、聚四氟乙烯按照质量比45:45:5:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料的涂覆在铝箔第二表面。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及钛箔组成无负极电池进行充放电测试。电池每在0.1C循环10圈后,再以0.01C活化1圈,相应的结果示于表1。
表1不同负极集流体制备无负极电池的循环性能
由表1可知,无论采用何种材料的负极集流体,在首次活化后容量能够重回首圈容量附近,电池的循环寿命优异。此外,负极集流体采用铜箔时,电池的循环性能最佳。
实施例5
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比70:20:10在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将LiCoO2、Li2S、炭黑、聚四氟乙烯按照质量比40:45:10:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料的涂覆在铝箔第二表面。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及铜箔组成无负极电池进行充放电测试。电池分别在0.05C、0.1C、0.5C、1C和2C下循环10圈后,再以0.005C活化1圈,相应的结果示于表2。
表2不同循环倍率下无负极锂金属电池的循环性能
由表2可知,采用本发明的补锂方法,在不同的工作倍率使用均具有较好的循环性能,特别是在0.1-1C的循环倍率范围内,无负极锂金属电池的循环性能最佳。
实施例6
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiMn2O4、碳纳米管、聚四氟乙烯按照质量比85:10:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将Li5FeO4、Li2O、炭黑、聚四氟乙烯按照质量比48:45:4:3在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料的涂覆在铝箔第二表面。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及铜箔组成无负极电池进行充放电测试。电池在0.2C下循环10圈后,再分别以0.001C、0.002、008C、0.02C和0.05C活化1圈,相应的结果示于表3。
表3不同活化倍率下无负极电池的循环性能
由表3可知,采用本发明的补锂方法,不同的补锂倍率均具有较好的补锂效果,特别是在0.002-0.02C的活化倍率下,无负极锂金属电池的循环性能最佳。
实施例7
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiFePO4、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比60:20:20在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将Li5FeO4、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比90:5:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料的涂覆在铝箔第二表面。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及铜箔组成无负极电池进行充放电测试。电池在0.2C下循环10圈后,再以0.005C活化1圈,相应的结果示于表4。
实施例8
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiFePO4、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比80:10:10在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将Li5FeO4、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比90:5:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料的涂覆在铝箔第二表面。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及铜箔组成无负极电池进行充放电测试。电池在0.2C下循环10圈后,再以0.005C活化1圈,相应的结果示于表4。
实施例9
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiFePO4、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比98:1:1在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将Li5FeO4、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比90:5:5在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料的涂覆在铝箔第二表面。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及铜箔组成无负极电池进行充放电测试。电池在0.2C下循环10圈后,再以0.005C活化1圈,相应的结果示于表4。
实施例10
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiFePO4、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比80:10:10在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将Li5FeO4、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比80:10:10在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料的涂覆在铝箔第二表面。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及铜箔组成无负极电池进行充放电测试。电池在0.2C下循环10圈后,再以0.005C活化1圈,相应的结果示于表4。
实施例11
一种可补锂的无负极锂金属电池,如图1所示,包括正极、负极1和隔膜2,所述正极依次包括补锂层5、正极集流体4和活性层3,所述活性层3位于靠近负极1的一侧。
制备方法为:将LiFePO4、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比80:10:10在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料,随后铝箔第一表面涂覆形成活性层。然后将Li5FeO4、科琴黑、聚四氟乙烯按照质量比98:1:1在N-甲基吡咯烷酮均匀混合形成浆料的涂覆在铝箔第二表面。然后将涂覆有活性层及补锂层的铝箔、含电解液隔膜以及铜箔组成无负极电池进行充放电测试。电池在0.2C下循环10圈后,再以0.005C活化1圈,相应的结果示于表4。
表4不同活性物质和补锂材料占比的无负极电池的循环性能
由表4可知,采用本发明的补锂方法,最佳的活性物质占比和补锂材料占比具有较好的补锂效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,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 (10)

1.一种可补锂的无负极锂金属电池,包括正极、负极和隔膜,其特征在于,所述正极依次包括补锂层、正极集流体和活性层,所述活性层位于靠近负极的一侧。
2.根据权利要求1所述的可补锂的无负极锂金属电池,其特征在于,所述活性层包括以下原料:活性材料、第一导电剂和第一胶粘剂,其中活性材料占比为60-98wt%。
3.根据权利要求2所述的可补锂的无负极锂金属电池,其特征在于,所述补锂层包括以下原料:补锂材料、第二导电剂和第二胶粘剂,其中补锂材料占比为80-98%wt。
4.根据权利要求3所述的可补锂的无负极锂金属电池,其特征在于,所述的活性材料为LiFePO4、LiMn2O4和LiNixCoyMn1-x-yO2中的任意一种,LiNixCoyMn1-x-yO2中0≤x≤1、0≤y≤1。
5.根据权利要求4所述的可补锂的无负极锂金属电池,其特征在于,所述的补锂材料为LiFePO4、LiMn2O4、LiNixCoyMn1-x-yO2、Li2NiO2、Li6CoO4、Li5FeO4、Li2O或Li2S任意一种或两种以上,LiNixCoyMn1-x-yO2中0≤x≤1、0≤y≤1。
6.根据权利要求5所述的可补锂的无负极锂金属电池,其特征在于,所述的第一导电剂和第二导电剂分别独立的为炭黑、碳纳米管、碳纤维或科琴黑中的任意一种。
7.根据权利要求6所述的可补锂的无负极锂金属电池,其特征在于,所述的第一胶粘剂和第二胶粘剂分别独立的为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚酰亚胺中的任意一种。
8.根据权利要求7所述的可补锂的无负极锂金属电池,其特征在于,所述负极为铜箔、不锈钢箔、钛箔中的任意一种;所述正极集流体为铝箔。
9.权利要求1-8任一项所述无负极锂金属电池的补锂方法,其特征在于,无负极锂金属电池在工作倍率循环充放电工作一定圈数后,进行至少一次0.002-0.02C倍率活化充放电。
10.根据权利要求9所述的无负极锂金属电池的补锂方法,其特征在于,所述工作倍率为0.1-1C,无负极锂金属电池在进行5-20圈工作倍率循环充放电后进行一次活化。
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