CN107069041A - 一种锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池及其制备方法。该电池的负极片由铜锂合金集流体和硅碳负极材料组成，该负极片与隔膜和正极片组装成电池。该电池避免了首次循环后的容量损失，提高了正极活性物质的利用率，具有优异的循环容量和寿命。

Description

一种锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是近10年来化学电源界的研究热点，它具有能量密度高、自放电率低、循环性能好的优良特性。在锂离子电池首次充放电过程中，硅、碳、或硅碳复合负极材料与电解液在固液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层，即固体电解质膜，简称SEI膜。由于SEI膜的形成，会导致10％以上的活性锂离子的损失，大大降低了电极材料的充放电效率。与此同时，电池循环过程中伴随其它副反应等因素的影响，还会不断消耗活性锂离子，导致锂电池的容量逐渐衰减、直至电池失效。为了解决现有技术存在的上述问题，本发明由此而来。
发明内容
针对上述现有技术锂离子电池存在的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池及其制备方法。
为达到上述目的，本发明提供了一种锂离子电池，其包括负极片，其特征在于，所述负极片的集流体为Cu-Li合金负极集流体。
本发明优选的一技术方案中，Cu-Li合金负极集流体的Li含量为0.5wt.％～10wt.％，Cu含量为90wt.％～99.5wt.％。
本发明优选的一技术方案中，Cu-Li合金负极集流体的Li含量为1wt.％～5wt.％，Cu含量为95wt.％～99wt.％。
本发明优选的一技术方案中，Cu-Li合金的负极集流体，Li含量为1wt.％～3wt.％，Cu含量为97wt.％～99wt.％。更优选地，Li含量为1.5wt.％，Cu含量为98.5wt.％。
本发明优选的一技术方案中，Cu-Li合金的负极集流体的厚度为5～20μm。
本发明优选的一技术方案中，所述负极片的上涂覆的负极材料为按一定比例混合的硅碳负极材料、PVDF、NMP，其中碳负极材料包括但不限于石墨、石墨烯、碳纳米管、导电碳黑。
本发明提供的一种锂离子电池的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)利用Cu、Li单质制备Cu-Li合金，在保护气氛中将合金压延成箔，厚度为5～20μm，作为锂离子电池的负极集流体；
(2)将硅碳负极材料、PVDF、NMP按一定比例混合，制备成均匀分散的稳定浆料，涂于上述Cu-Li合金集流体表面，干燥后压制成极片，作为锂离子电池负极；
(3)将隔膜、正极极片和上述负极极片配合组装，注入电解质，即得到锂离子电池。
本发明优选的一技术方案中，所述步骤(1)中，具体包括如下步骤
A.按照百分比Li 1wt.％～10wt.％，Cu 90wt.％～99wt.％配比，将两种金属在温度1000℃～1300℃下进行熔炼，在保护气氛中，浇成铸锭，酸洗剥皮后得到清洁表面；
B.将清洁表面的铸锭进行均匀化处理；
C.将均匀化处理后的铸锭，高温锻造压延成箔，厚度为5～20μm，作为负极集流体。
本发明优选的一技术方案中，所述硅碳负极材料中，硅含量为0～90％，碳负极材料选自石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种。
本发明优选的一技术方案中，为避免合金表面氧化，上述步骤(1)、步骤(2)的制备过程中，均使用氩气保护或者在真空中进行操作。
本发明优点是：本发明以Cu-Li合金替代现有锂电池中常用的纯Cu作为负极集流体，再将硅碳负极材料涂覆于集流体表面。当电池放电的时候，Cu-Li合金中的Li单质首先失去电子，从合金中脱出，为负极提供额外的活性Li离子，通过电解液扩散参与到放电过程中，补充了被SEI膜消耗的部分锂离子。这样即恢复了电池的初始容量、提高了电池的充放电效率，同时又不影响SEI膜的形成和固有的作用。且当电池放电的时候，Cu-Li合金中Li的脱出、会造成合金箔中通孔的产生，为电解液的均匀分布提供了便利，使得Li离子浓度分布更均匀，明显提高电池一致性、和电池循环寿命。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为锂离子电池结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
介绍和概述
本发明通过举例而非给出限制的方式来进行说明。应注意的是，在本公开文件中所述的“一”或“一种”实施方式未必是指同一种具体实施方式，而是指至少有一种。
下文将描述本发明的各个方面。然而，对于本领域中的技术人员显而易见的是，可根据本发明的仅一些或所有方面来实施本发明。为说明起见，本文给出具体的编号、材料和配置，以使人们能够透彻地理解本发明。然而，对于本领域中的技术人员将显而易见的是，本发明无需具体的细节即可实施。在其他例子中，为不使本发明费解而省略或简化了众所周知的特征。
将各种操作作为多个分立的步骤而依次进行描述，且以最有助于理解本发明的方式来说明；然而，不应将按次序的描述理解为暗示这些操作必然依赖于顺序。
将根据典型种类的反应物来说明各种实施方式。对于本领域中的技术人员将显而易见的是，本发明可使用任意数量的不同种类的反应物来实施，而不只是那些为说明目的而在这里给出的反应物。此外，也将显而易见的是，本发明并不局限于任何特定的混合示例。
实施例1
(1)按比例称取Cu金属985重量份，取Li金属15重量份。将两种金属在1100℃～1300℃下进行熔炼，保护气氛中，浇成铸锭，酸洗剥皮后得到清洁表面；再将清洁表面的铸锭进行均匀化处理，将均匀化处理后的铸锭，高温锻造压延成厚度为20μm的金属箔，作为负极集流体。
(2)取1重量份石墨烯(900mAh/g)、0.05重量份PVDF、1重量份NMP，混合均匀后，涂于前述的20μm厚、表面积为372cm2的Cu-Li合金箔表面，干燥后压制成电池用的负极极片。
(3)取6重量份正极活性物质LiFePO4(150mAh/g)、0.3重量份导电碳黑、0.2重量份PVDF，加入6.5重量份NMP搅拌混合均匀，在20μm厚的铝箔上进行拉浆，然后干燥，压制得到正极极片。正极表面密度为17.5mg/cm2，表面积为371.4cm2。
(4)将上述正极极片、负极极片、和PP隔膜组装，并注入LiPF6浓度为1mol/L的EC：DEC＝1：1电解液，得到锂离子电池。
对照例
选用纯铜金属箔作为负极集流体，其他步骤条件同实施例1制备得到现有技术的锂离子电池。
根据实际检测，采用对照例的普通铜箔集流体负极的电池，充电容量900mAh，放电容量仅达到600mAh，即充电过程中产生的SEI膜、化学副反应、枝晶等因素，消耗了300mAh、约89mgLi离子，这导致了放电容量的降低；
根据实施例1的方法得到的锂离子电池，在首次放电容量超过890mAh，充放电效率超过98％，大大提高了电池的充放电效率，100％DOD循环1000次后容量无明显衰减。电池1000次循环后，解剖电池，实际测量Cu-Li合金箔集流体重量损失约1.5wt.％，结构变为蜂窝状，说明Cu-Li合金箔中Li脱出，参与了电池的放电。负极集流体铜锂合金重，例如6.53g，则可提供90mg以上Li离子，能够补足首次充电所消耗的活性Li离子。
以上所述具体实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进或替换，这些改进或替换也应当视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池，其包括负极片，其特征在于，所述负极片的集流体为Cu-Li合金负极集流体。
2.根据权利要求1所述锂离子电池，其特征在于，所述Cu-Li合金负极集流体的Li含量为0.5wt.％～10wt.％，Cu含量为90wt.％～99.5wt.％。
3.根据权利要求2所述锂离子电池，其特征在于，所述Cu-Li合金负极集流体的Li含量为1wt.％～5wt.％，Cu含量为95wt.％～99wt.％。
4.根据权利要求1所述锂离子电池，其特征在于，所述Cu-Li合金负极集流体的厚度为5～20μm。
5.根据权利要求1所述锂离子电池，其特征在于，在所述负极片的上涂覆的负极材料为按一定比例混合的硅碳负极材料、PVDF、NMP，其中碳碳负极材料选自石墨、石墨烯、碳纳米管、导电碳黑。
6.制备如权利要求5所述的锂离子电池的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)利用Cu、Li单质制备Cu-Li合金，在保护气氛中将合金压延成箔，厚度为5～20μm，作为锂离子电池的负极集流体；
(2)将硅碳负极材料、PVDF、NMP按一定比例混合，制备成均匀分散的稳定浆料，涂于上述Cu-Li合金集流体表面，干燥后压制成极片，作为锂离子电池负极；
(3)将隔膜、正极极片和上述负极极片配合组装，注入电解质，即得到锂离子电池。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，具体包括如下步骤：
A.按照百分比Li 1wt.％～10wt.％，Cu 90wt.％～99wt.％配比，将两种金属在温度1000℃～1300℃下进行熔炼，在保护气氛中，浇成铸锭，酸洗剥皮后得到清洁表面；
B.将清洁表面的铸锭进行均匀化处理；
C.将均匀化处理后的铸锭，高温锻造压延成箔，厚度为5～20μm，作为负极集流体。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述硅碳负极材料中，硅含量为0～90％。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)、步骤(2)的制备过程中，均使用氩气保护。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)、步骤(2)的制备过程中，均在真空中进行操作。
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