CN202259535U - 金属锂复合结构负极与锂盐类正极匹配的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及金属锂复合结构负极与锂盐类正极匹配的锂离子电池，其特征在于：1)正极采用锂离子电池所用的锂盐正极材料制备的薄板；2)采用金属锂片作为锂离子电池负极核心材料，在金属锂片与离子膜相对的外表面包覆有阻隔锂枝晶朝阻隔层方向长大、防止刺穿离子膜作用的阻隔层，在阻隔层中设有能导通电解液的孔洞，在负极金属锂片上开设有孔洞，该孔洞用于容纳首次充电时从正极转移过来的锂；3)正极与负极重叠在一起，之间设有离子膜。本实用新型能大幅度提高锂离子电池容量。

Description

金属锂复合结构负极与锂盐类正极匹配的锂离子电池
技术领域
本实用新型涉及锂离子电池，具体地说涉及一种金属锂复合结构负极与锂盐类正极匹配的锂离子电池。
背景技术
锂盐类正极材料，如钴酸锂、磷酸亚铁锂、锰酸锂、钴镍锰酸锂等，是当前锂离子电池常用的正极材料，尤其是前两者，使用量很大。然而这些正极材料容量密度都比较低，而且匹配的负极材料——石墨球的容量密度，尤其是体积容量密度更低，使得整个锂离子电池容量比较低。有很多学者正在研究大容量的负极材料，希望借此提高整个电池的容量。其中比较典型的是锡及锡基负极材料。但是由于锂在锡基材料中扩散效率比在石墨中扩散效率低，因此也降低了电池的大电流性能。其次，锡基材料插锂时膨胀严重，降低循环寿命，尤其是采用涂覆法时，寿命很短。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种具有大容量的金属锂复合结构负极与锂盐正极匹配的锂离子电池。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：金属锂复合结构负极与锂盐正极匹配的锂离子电池，其特征在于：
1)正极采用锂离子电池所用的常规锂盐正极材料制备的薄板；
2)采用金属锂片作为锂离子电池负极核心材料，在金属锂片与离子膜相对的外表面包覆有阻隔锂枝晶朝阻隔层方向长大、防止刺穿离子膜作用的阻隔层，在阻隔层中设有能导通电解液的孔洞。
3)正极与负极重叠在一起，之间设有离子膜。
优选地，所述正极薄板是以导电耐腐蚀金属网为骨架，将锂盐与粘结剂混均后，附着在骨架上形成的。
优选地，所述正极薄板还可以是在铝箔上涂覆一层锂盐形成的。
优选地，所述负极金属锂片上开设有用于接收正极充出锂的孔洞或凹槽。
优选地，所述阻隔层与负极金属锂片之间设有用于接收正极充出锂的间隙。
优选地，所述负极金属锂片质量要求其容量大于正极总容量30-50％，以保持电池工作中负极金属锂片不被消耗尽。
优选地，所述负极采用两片阻隔层夹住金属锂片的结构，该负极被两层正极夹在中间，形成一负极两正极排列方式。
在上述方案中，所述正极采用锂离子电池所用的锂盐正极材料最好为锰酸锂、钴酸锂或磷酸亚铁锂。
本实用新型采用大容量的金属锂复合结构负极，这种负极的核心材料是金属锂，具有超大容量，采用常规锂离子电池所用的锂盐(如钴酸锂、磷酸亚铁锂、锰酸锂、钴镍锰酸锂等)作为正极材料。以锰酸锂作为正极材料的电池为例，现有锰酸锂电池(石墨球负极)工作平台为4V(参见图8、图9)。本实用新型由于负极核心材料为金属锂，可以提供多余的锂供给锰酸锂正极，以插锂/脱插的方式进入到锰酸锂中。由于锰酸锂中氧化锰固有特性，除了有4V工作平台外，还会形成一个2.8V的工作平台。此平台即为插锂/脱插平台(4V平台为常规的嵌锂/脱嵌平台)，而且此平台放出的能量约为4V平台的1.0倍左右。结果本实用新型使锰酸锂正极容量增加1.0倍左右。参见图6、图7
本实用新型所述金属锂复合结构负极可以两面使用，即一层负极匹配两层正极。这种负极其整体容量(主要指体积容量)密度很大；而且金属锂不存在插锂/脱插过程(此过程中，锂扩散受到材料晶格中原子作用力阻碍)，其大电流性能也达到最佳，因此可有效提高电池容量。经申请人测试，与上述现有锰酸锂电池相比，本实用新型所述的锰酸锂电池容量可提高280％左右。
以下结合附图所示实施例详细描述本实用新型，以便本领域技术人员理解。
附图说明
图1是本实用新型所述电池结构示意图；
图2是本实用新型所述电池内部截面示意图；
图3是图2的俯视解剖示意图；
图4是本实用新型所述负极金属锂片示意图；
图5是本实用新型所述负极截面图；
图6是本实用新型所述锰酸锂电池的充放电第一循环曲线图；
图7是本实用新型所述锰酸锂电池的充放电两次循环曲线图；
图8是现有锰酸锂电池的充放电第一循环曲线图；
图9是现有锰酸锂电池的充放电两次循环曲线图。
在图中，1-正极，2-离子膜，3-阻隔层，4-金属锂，5-孔洞。
具体实施方式
实施例1：金属锂复合结构负极与磷酸亚铁锂配合的锂离子电池
参见图1至图5，制造要点：
1)负极核心材料金属锂4先做成薄片(0.1cm厚)，薄片面积与正极相同(5×3cm)，在薄片上冲孔，孔洞5的面积占薄片总面积的70％。在金属锂片与离子膜相对的外表面包覆有阻隔锂枝晶朝阻隔层方向长大、防止刺穿离子膜作用的阻隔层3，阻隔层为铜网，用碳黑加2-5％重量的粘结剂调制成糊状，在铜网上涂挂一层，渗入网孔(要保证每个网孔都被填充)。阻隔层厚度为0.01cm，其长宽尺寸大于金属锂片长宽尺寸。两层阻隔层包住带孔的金属锂片，其边缘连接在一起，即制成复合结构板状负极。
2)正极1采用磷酸亚铁锂材料制备，磷酸亚铁锂与4-5％重量PVDF粘结剂混均后，以镍网或不锈钢网为骨架，压成板状正极。板状正极尺寸为5×3×0.2cm；两层正极总容量为500×2＝1000mAh。
3)两层正极板之间夹一层负极板，每一块正极板与负极板之间设有一层离子膜，如图1。装入电池壳体内，灌电解液、封装。
本实施例所述锂离子电池体积为5.1×3.1×0.65cm，电池总容量为1000mAh。对比采用石墨球负极的锂离子电池，同样体积电池容量为650mAh左右。前者比后者增加约54％。
实施例2：金属锂复合结构负极与钴酸锂配合的锂离子电池
参见图1至图5，制造要点：
1)负极核心材料金属锂先做成薄片(0.123cm厚)，面积与正极相同(5×3cm)，在薄片上冲孔，孔的面积占总面积的70％。在金属锂片与离子膜相对的外表面包覆有阻隔锂枝晶朝阻隔层方向长大、防止刺穿离子膜作用的阻隔层，阻隔层为铜网，用碳黑加2-5％重量的粘结剂调制成糊状，在铜网上涂挂一层，渗入网孔(要保证每个网孔都被填充)。阻隔层厚度为0.01cm，其长宽尺寸大于金属锂片材长宽尺寸。两层阻隔层包住带孔的金属锂片，其边缘连接在一起，即制成复合结构板状负极。
2)正极采用钴酸锂材料制备，钴酸锂与4-5％重量PVDF粘结剂混均后，以镍网或不锈钢网为骨架，压成板状正极。板状正极尺寸也为5×3×0.2cm；正极容量为620×2＝1240mAh。
3)两层正极板之间夹一层负极板，每一块正极板与负极板之间设有一层离子膜，装入电池壳体内，灌电解液、封装。
本实施例所述锂离子电池体积为5.1×3.1×0.67cm，电池总容量为1240mAh。对比采用石墨球负极的锂离子电池，同样体积电池容量为800mAh左右。前者比后者增加约54％。
实施例3：金属锂复合结构负极与锰酸锂配合的锂离子电池
参见图1至图5，制造要点：
1)负极结构与实施例2基本相同，不同之处在于金属锂片厚0.12cm，孔洞面积占40％。
2)正极采用锰酸锂材料制备，锰酸锂与4-5％重量PVDF粘结剂混均后，以镍网或不锈钢网为骨架，压成板状正极。板状正极尺寸也为5×3×0.2cm；正极容量为600×2×2＝2400mAh。
3)两层正极板之间夹一层负极板，每一块正极板与负极板之间设有一层离子膜，如图2。装入电池壳体内，灌电解液、封装。
本实施例所述锂离子电池体积为5.1×3.1×0.7cm，电池总容量为2400Ah。对比采用石墨球负极的锂离子电池，同样体积电池容量为630mAh左右。前者比后者增加约281％。
综上所述，本实用新型能大幅度提高锂离子电池容量。
尽管上述实施例对本实用新型做出了详尽的描述，但本领域普通技术人员还可以对其作出不偏离中心思想的修改，如采用其他锂盐作为正极材料，或者一层负极配一层正极，这些修改都属于本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (8)

1.金属锂复合结构负极与锂盐类正极匹配的锂离子电池，其特征在于：
1)正极采用锂离子电池所用的锂盐正极材料制备的薄板；
2)采用金属锂片作为锂离子电池负极核心材料，在金属锂片与离子膜相对的外表面包覆有阻隔锂枝晶朝阻隔层方向长大、防止刺穿离子膜作用的阻隔层，在阻隔层中设有能导通电解液的孔洞，在负极金属锂片上开设有孔洞，该孔洞用于容纳首次充电时从正极转移过来的锂；
3)正极与负极重叠在一起，之间设有离子膜。
2.根据权利要求1所述的金属锂复合结构负极与锂盐正极匹配的锂离子电池，其特征在于：所述正极薄板是以导电耐腐蚀金属网为骨架，将锂盐附着在骨架上形成的。
3.根据权利要求1所述的金属锂复合结构负极与锂盐正极匹配的锂离子电池，其特征在于：所述正极薄板是在铝箔上涂覆一层锂盐。
4.根据权利要求1所述的金属锂复合结构负极与锂盐正极匹配的锂离子电池，其特征在于：所述负极金属锂片表面开设有用于接收正极充出锂的孔洞或凹槽。 
5.根据权利要求1所述的金属锂复合结构负极与锂盐正极匹配的锂离子电池，其特征在于：所述阻隔层与负极金属锂片之间设有用于接收正极充出锂的间隙。
6.根据权利要求1所述的金属锂复合结构负极与锂盐正极匹配的锂离子电池，其特征在于：所述负极金属锂片质量要求其容量大于正极总容量30-50％。
7.根据权利要求1所述的金属锂复合结构负极与锂盐正极匹配的锂离子电池，其特征在于：所述负极采用两片阻隔层夹住金属锂片的结构，该负极被两层正极夹在中间，形成一负极两正极排列方式。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的金属锂复合结构负极与锂盐正极匹配的锂离子电池，其特征在于：所述正极采用锂离子电池所用的锂盐正极材料为锰酸锂、钴酸锂、钴镍锰酸锂或磷酸亚铁锂。 
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