專利名稱：金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽類正極匹配的鋰離子電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池，具體地說涉及一種金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽類正極匹配的鋰離子電池。
背景技術(shù)：
鋰鹽類正極材料，如鈷酸鋰、磷酸亞鐵鋰、錳酸鋰、鈷鎳錳酸鋰等，是當(dāng)前鋰離子電池常用的正極材料，尤其是前兩者，使用量很大。然而這些正極材料容量密度都比較低，而且匹配的負(fù)極材料——石墨球的容量密度，尤其是體積容量密度更低，使得整個(gè)鋰離子電池容量比較低。有很多學(xué)者正在研究大容量的負(fù)極材料，希望借此提高整個(gè)電池的容量。其中比較典型的是錫及錫基負(fù)極材料。但是由于鋰在錫基材料中擴(kuò)散效率比在石墨中擴(kuò)散效率低，因此也降低了電池的大電流性能。其次，錫基材料插鋰時(shí)膨脹嚴(yán)重，降低循環(huán)壽命，尤其是采用涂覆法時(shí)，壽命很短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述背景技術(shù)存在的不足，提出一種具有大容量的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于1)正極采用鋰離子電池所用的常規(guī)鋰鹽正極材料制備的薄板；2)采用金屬鋰片作為鋰離子電池負(fù)極核心材料，在金屬鋰片與離子膜相對(duì)的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長(zhǎng)大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，在阻隔層中設(shè)有能導(dǎo)通電解液的孔洞。3)正極與負(fù)極重疊在一起，之間設(shè)有離子膜。優(yōu)選地，所述正極薄板是以導(dǎo)電耐腐蝕金屬網(wǎng)為骨架，將鋰鹽與粘結(jié)劑混均后，附著在骨架上形成的。優(yōu)選地，所述正極薄板還可以是在鋁箔上涂覆一層鋰鹽形成的。優(yōu)選地，所述負(fù)極金屬鋰片上開設(shè)有用于接收正極充出鋰的孔洞或凹槽。優(yōu)選地，所述阻隔層與負(fù)極金屬鋰片之間設(shè)有用于接收正極充出鋰的間隙。優(yōu)選地，所述負(fù)極金屬鋰片質(zhì)量要求其容量大于正極總?cè)萘?0-50%，以保持電池工作中負(fù)極金屬鋰片不被消耗盡。優(yōu)選地，所述負(fù)極采用兩片阻隔層夾住金屬鋰片的結(jié)構(gòu)，該負(fù)極被兩層正極夾在中間，形成一負(fù)極兩正極排列方式。在上述方案中，所述正極采用鋰離子電池所用的鋰鹽正極材料最好為錳酸鋰、鈷酸鋰或磷酸亞鐵鋰。本發(fā)明采用大容量的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極，這種負(fù)極的核心材料是金屬鋰，具有超大容量，采用常規(guī)鋰離子電池所用的鋰鹽(如鈷酸鋰、磷酸亞鐵鋰、錳酸鋰、鈷鎳錳酸鋰等)作為正極材料。以錳酸鋰作為正極材料的電池為例，現(xiàn)有錳酸鋰電池(石墨球負(fù)極) 工作平臺(tái)為4V(參見圖8、圖9)。本發(fā)明由于負(fù)極核心材料為金屬鋰，可以提供多余的鋰供給錳酸鋰正極，以插鋰/脫插的方式進(jìn)入到錳酸鋰中。由于錳酸鋰中氧化錳固有特性，除了有4V工作平臺(tái)外，還會(huì)形成一個(gè)2. 8V的工作平臺(tái)。此平臺(tái)即為插鋰/脫插平臺(tái)(4V平臺(tái)為常規(guī)的嵌鋰/脫嵌平臺(tái))，而且此平臺(tái)放出的能量約為4V平臺(tái)的1. 0倍左右。結(jié)果本發(fā)明使錳酸鋰正極容量增加1.0倍左右。參見圖6、圖7本發(fā)明所述金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極可以兩面使用，即一層負(fù)極匹配兩層正極。這種負(fù)極其整體容量(主要指體積容量)密度很大；而且金屬鋰不存在插鋰/脫插過程(此過程中，鋰擴(kuò)散受到材料晶格中原子作用力阻礙)，其大電流性能也達(dá)到最佳，因此可有效提高電池容量。經(jīng)申請(qǐng)人測(cè)試，與上述現(xiàn)有錳酸鋰電池相比，本發(fā)明所述的錳酸鋰電池容量可提高沘0%左右。以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明，以便本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。


圖1是本發(fā)明所述電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述電池內(nèi)部截面示意圖；圖3是圖2的俯視解剖示意圖；圖4是本發(fā)明所述負(fù)極金屬鋰片示意圖；圖5是本發(fā)明所述負(fù)極截面圖；圖6是本發(fā)明所述錳酸鋰電池的充放電第一循環(huán)曲線圖；圖7是本發(fā)明所述錳酸鋰電池的充放電兩次循環(huán)曲線圖；圖8是現(xiàn)有錳酸鋰電池的充放電第一循環(huán)曲線圖；圖9是現(xiàn)有錳酸鋰電池的充放電兩次循環(huán)曲線圖。在圖中，1-正極，2-離子膜，3-阻隔層，4-金屬鋰，5-孔洞。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與磷酸亞鐵鋰配合的鋰離子電池參見圖1至圖5，制造要點(diǎn)1)負(fù)極核心材料金屬鋰4先做成薄片(0. Icm厚)，薄片面積與正極相同 (5 X 3cm)，在薄片上沖孔，孔洞5的面積占薄片總面積的70%。在金屬鋰片與離子膜相對(duì)的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長(zhǎng)大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層3，阻隔層為銅網(wǎng)，用碳黑加2-5%重量的粘結(jié)劑調(diào)制成糊狀，在銅網(wǎng)上涂掛一層，滲入網(wǎng)孔(要保證每個(gè)網(wǎng)孔都被填充)。阻隔層厚度為0.01cm，其長(zhǎng)寬尺寸大于金屬鋰片長(zhǎng)寬尺寸。兩層阻隔層包住帶孔的金屬鋰片，其邊緣連接在一起，即制成復(fù)合結(jié)構(gòu)板狀負(fù)極。2)正極1采用磷酸亞鐵鋰材料制備，磷酸亞鐵鋰與4-5%重量PVDF粘結(jié)劑混均后，以鎳網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)為骨架，壓成板狀正極。板狀正極尺寸為5X3X0. 2cm ；兩層正極總?cè)萘繛?500X2 = IOOOmAh03)兩層正極板之間夾一層負(fù)極板，每一塊正極板與負(fù)極板之間設(shè)有一層離子膜， 如圖1。裝入電池殼體內(nèi)，灌電解液、封裝。
本實(shí)施例所述鋰離子電池體積為5. 1X3. 1X0. 65cm,電池總?cè)萘繛閘OOOmAh。對(duì)比采用石墨球負(fù)極的鋰離子電池，同樣體積電池容量為650mAh左右。前者比后者增加約 54%。實(shí)施例2 金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鈷酸鋰配合的鋰離子電池參見圖1至圖5，制造要點(diǎn)1)負(fù)極核心材料金屬鋰先做成薄片(0. 123cm厚)，面積與正極相同(5 X 3cm)，在薄片上沖孔，孔的面積占總面積的70%。在金屬鋰片與離子膜相對(duì)的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長(zhǎng)大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，阻隔層為銅網(wǎng)，用碳黑加2-5%重量的粘結(jié)劑調(diào)制成糊狀，在銅網(wǎng)上涂掛一層，滲入網(wǎng)孔(要保證每個(gè)網(wǎng)孔都被填充)。阻隔層厚度為0.01cm，其長(zhǎng)寬尺寸大于金屬鋰片材長(zhǎng)寬尺寸。兩層阻隔層包住帶孔的金屬鋰片， 其邊緣連接在一起，即制成復(fù)合結(jié)構(gòu)板狀負(fù)極。2)正極采用鈷酸鋰材料制備，鈷酸鋰與4-5%重量PVDF粘結(jié)劑混均后，以鎳網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)為骨架，壓成板狀正極。板狀正極尺寸也為5X3X0. 2cm;正極容量為620X2 = 1240mAh。3)兩層正極板之間夾一層負(fù)極板，每一塊正極板與負(fù)極板之間設(shè)有一層離子膜， 裝入電池殼體內(nèi)，灌電解液、封裝。本實(shí)施例所述鋰離子電池體積為5. 1X3. 1X0. 67cm,電池總?cè)萘繛?240mAh。對(duì)比采用石墨球負(fù)極的鋰離子電池，同樣體積電池容量為SOOmAh左右。前者比后者增加約 54%。實(shí)施例3 金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與錳酸鋰配合的鋰離子電池參見圖1至圖5，制造要點(diǎn)1)負(fù)極結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2基本相同，不同之處在于金屬鋰片厚0. 12cm，孔洞面積占 40%。2)正極采用錳酸鋰材料制備，錳酸鋰與4-5%重量PVDF粘結(jié)劑混均后，以鎳網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)為骨架，壓成板狀正極。板狀正極尺寸也為5 X 3 X 0. 2cm ；正極容量為600 X 2 X 2 =2400mAh。3)兩層正極板之間夾一層負(fù)極板，每一塊正極板與負(fù)極板之間設(shè)有一層離子膜， 如圖2。裝入電池殼體內(nèi)，灌電解液、封裝。本實(shí)施例所述鋰離子電池體積為5. 1X3. 1X0. 7cm,電池總?cè)萘繛镸OOAh。對(duì)比采用石墨球負(fù)極的鋰離子電池，同樣體積電池容量為630mAh左右。前者比后者增加約綜上所述，本發(fā)明能大幅度提高鋰離子電池容量。盡管上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做出了詳盡的描述，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還可以對(duì)其作出不偏離中心思想的修改，如采用其他鋰鹽作為正極材料，或者一層負(fù)極配一層正極，這些修改都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽類正極匹配的鋰離子電池，其特征在于1)正極采用鋰離子電池所用的鋰鹽正極材料制備的薄板；2)采用金屬鋰片作為鋰離子電池負(fù)極核心材料，在金屬鋰片與離子膜相對(duì)的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長(zhǎng)大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，在阻隔層中設(shè)有能導(dǎo)通電解液的孔洞，在負(fù)極金屬鋰片上開設(shè)有孔洞，該孔洞用于容納首次充電時(shí)從正極轉(zhuǎn)移過來的鋰；3)正極與負(fù)極重疊在一起，之間設(shè)有離子膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述正極薄板是以導(dǎo)電耐腐蝕金屬網(wǎng)為骨架，將鋰鹽與粘結(jié)劑混均后，附著在骨架上形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述正極薄板是在鋁箔上涂覆一層鋰鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述負(fù)極金屬鋰片表面開設(shè)有用于接收正極充出鋰的孔洞或凹槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述阻隔層與負(fù)極金屬鋰片之間設(shè)有用于接收正極充出鋰的間隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述負(fù)極金屬鋰片質(zhì)量要求其容量大于正極總?cè)萘?0-50%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述負(fù)極采用兩片阻隔層夾住金屬鋰片的結(jié)構(gòu)，該負(fù)極被兩層正極夾在中間，形成一負(fù)極兩正極排列方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽正極匹配的鋰離子電池，其特征在于所述正極采用鋰離子電池所用的鋰鹽正極材料為錳酸鋰、鈷酸鋰、鈷鎳錳酸鋰或磷酸亞鐵鋰。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬鋰復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)極與鋰鹽類正極匹配的鋰離子電池，其特征在于1)正極采用鋰離子電池所用的鋰鹽正極材料制備的薄板；2)采用金屬鋰片作為鋰離子電池負(fù)極核心材料，在金屬鋰片與離子膜相對(duì)的外表面包覆有阻隔鋰枝晶朝阻隔層方向長(zhǎng)大、防止刺穿離子膜作用的阻隔層，在阻隔層中設(shè)有能導(dǎo)通電解液的孔洞，在負(fù)極金屬鋰片上開設(shè)有孔洞，該孔洞用于容納首次充電時(shí)從正極轉(zhuǎn)移過來的鋰；3)正極與負(fù)極重疊在一起，之間設(shè)有離子膜。本發(fā)明能大幅度提高鋰離子電池容量。
文檔編號(hào)H01M4/134GK102280657SQ20111018618
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者楊新建, 楊毅, 賈志杰, 賈殷秋 申請(qǐng)人:武漢市弘陽科技發(fā)展有限公司