CN113991067B - 一种开放式锂金属负极二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开放式锂金属负极二次电池，包括填充有电解液的密封电池壳体，在密封的电池壳体内设置三种卷，第一种卷是工作卷，第二种卷是正极卷，第三种卷是锂金属负极卷，三种卷由一个或多个电机驱动，所述工作卷上卷绕有正极带、锂金属负极带以及隔膜，工作卷放卷转动时放出正极带、锂金属负极带以及隔膜，同时正极卷和负极卷作收卷转动，收进正极带和锂金属负极带；所述工作卷与锂金属负极卷之间设有枝晶压平设备，当锂金属负极带作放出和收进移动时，通过枝晶压平设备将锂金属负极带表面的枝晶压平。该电池可以有效消除锂金属负极的枝晶。

Description

一种开放式锂金属负极二次电池

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种开放式锂金属负极二次电池。

背景技术

锂金属负极二次电池具有非常高的质量比能量，十几年来吸引了许多专家的研究投入。但是，锂金属负极的枝晶难题始终没有得到有效解决。

枝晶在充电时生长，原理是锂原子的沉积。研究认为，枝晶是由两个原因产生的：一是因为锂金属负极带加工生产时，它的表层无法做到理想的原子级别的平整，这必然会产生一些原子高，一些原子低的结果。电子具有集尖特性，会先向高冒尖的地方集结，所以高点上首先集结了许多电子，马上就吸引了锂正离子过来沉积，就形成了枝晶。二是因为从正极过来的锂离子只能从隔膜的通道到达锂金属负极的表面，可是这些通道在锂金属负极的表面分布是不均匀的，凡与通道接触的地方肯定是锂离子沉积的概率都很高，这样就必然会形成枝晶。当锂金属带上本来就有的高点尖点正好碰到了隔膜上的通道，那么这两个原因集中在一起就必定会加快枝晶的生长。有些专家认为枝晶生长时产生的作用力刺破了隔膜，我们却不这样认为。我们的想法是枝晶顺着隔膜内的锂离子通道生长，碰到了正极产生了短路现象。如果隔膜的锂离子通道是弯的，那么枝晶生长也是弯的。反之，如果隔膜的锂离子通道是直的，那么枝晶的生长也是直的。所以只要有隔膜存在，只要有隔膜上的锂离子通道存在，就必然会有枝晶产生。

如何消除枝晶这一难题，目前国内外专家的方法分为三个方面：一是对锂金属表面进行物理掺杂改性，例如采用锂和铝的合金抑制枝晶的产生；二是改变电解液的配方，通过电解液溶解枝晶；三是采用固体电解质，采用物理力来阻挡枝晶穿破隔膜。但是，近十年来各种研究始终未见成效，枝晶依然存在，短路依然产生。有一些专家认为，在放电时枝晶中的带正电的离子向正极运动，电子向负极运动，枝晶会消失，只留下枝晶表面的界面物质。当枝晶的数量增多，并且连续产生这种情况时，就会使界面物质积累进而影响锂离子的传导。只有杜绝枝晶的产生这个现象才不会发，因为界面层不会在原有的界面层上生长的，只会在新生的枝晶表面生长的。

通过分析目前的研究状态可知，在锂金属表面掺杂其他金属，能减少枝晶产生，但是这会影响锂离子的导通。电解液的组成是精细的组合，加入溶解物溶解枝晶会严重影响离子的导通，而且溶解后的锂留在电解液内也会引发电子短路导通。电解质采用有一定硬度的固体解质，希望能阻挡枝晶的产生，但是任何固体电解质都必须有离子通道，而枝晶是顺着通道生长的，所以电解质的硬度与阻挡枝晶穿刺是无关的。从上述三类方法的分析来看，必须果断放弃老的思维，另辟蹊径寻。把几十年封闭不动的电池打开，将锂金属负极带随时放出来进行修复，建立一种开放式的可以修复的新型电池。采用机械的方法去消除具有机械性能的枝晶才是最新、最有效的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开放式锂金属负极二次电池，该电池可以有效消除锂金属负极的枝晶。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种开放式锂金属负极二次电池，包括填充有电解液的密封电池壳体，在密封的电池壳体内设置三种卷，第一种卷是工作卷，第二种卷是正极卷，第三种卷是锂金属负极卷，三种卷由一个或多个电机驱动，所述工作卷上卷绕有正极带、锂金属负极带以及隔膜，工作卷放卷转动时放出正极带、锂金属负极带以及隔膜，同时正极卷和负极卷作收卷转动，收进正极带和锂金属负极带；所述工作卷与锂金属负极卷之间设有枝晶压平设备，当锂金属负极带作放出和收进移动时，通过枝晶压平设备将锂金属负极带表面的枝晶压平。

进一步地，所述枝晶压平设备为滚柱设备，所述滚柱设备包括分设于锂金属负极带上、下侧的上滚柱和下滚柱，所述锂金属负极带从上、下滚柱中间经过时，滚柱对锂金属负极带表面产生压力，从而压平锂金属负极带表面的枝晶。

进一步地，所述枝晶压平设备为振动设备，所述振动设备包括分设于锂金属负极带上、下侧的振动平板以及固定平板，所述锂金属负极带从振动平板、固定平板中间经过时，平板的打击力和反作用力压平锂金属负极带两个表面的枝晶。

进一步地，所述锂金属负极带在生产制造时，对其两个表面进行平整加工；增加锂金属负极带的厚度，让一条锂金属负极带与多条正极带轮换组成可以充电和放电的电池卷。

进一步地，所述锂离子电池采用大孔径的隔膜，直径大于100um；制造正极带时，采用石墨烯碎片代替碳粒加入正极活性料中，以增加正极带的抗弯性能。

进一步地，所述锂离子电池配套使用的充电器上，设置有充电计数器或电池容量检测器；当充电时间达到设定数值或充电容量达到设定数值时，充电器发出停止充电的指令，并且限定下一次充电时先启动锂金属负极带压平***，进行枝晶压平运作，然后再进行充电。

进一步地，在锂金属负极带的两端设置有位置传感元件，工作卷中的锂金属负极带上的极耳以及正极带上的极耳，它们对外的电连接通过极耳与电连接片的弹性接触实现。

进一步地，所述三种卷的卷轴上设置有转数计数器，以在需要时发出指令，停止电池中三种卷的放出和收卷转动。

进一步地，所述隔膜附在正极带的两面，并与正极带一起作放卷和收卷运动。

进一步地，所述工作卷、正极卷、锂金属负极卷以及驱动电机都密封在所述电池壳体中，密封的空间内充满电解液或惰性气体。

进一步地，所述锂离子电池应用于大功率电池时，三种卷的卷轴上都可以设置多个同种类的卷，以增加容量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种开放式锂金属负极二次电池，即将封闭的电池变为开放且可修复的电池，采用机械压平设备去消除具有机械性能的枝晶，比所有化学消除方法更为有效。解决了枝晶问题，电池可以将锂金属带做厚，让多条正极带，轮换配合一条锂金属带工作，这样可以成倍的提高电池的比能量，使其续航性能等同于汽油燃料。所述开放式锂负极二次电池，可被应用于大功率储能电池等多种场景。

附图说明

图1是本发明实施例的开放式锂金属负极二次电池的结构原理图。

图2是本发明实施例中滚柱设备压平枝晶的原理图。

图3是本发明实施例中振动设备压平枝晶的原理图。

图4是本发明实施例中开放式锂金属负极二次电池具有多正极的结构原理图。

图5是本发明实施例中极耳导电示意图。

图中：1—电池壳体；2—工作卷；3—枝晶压平设备；4—锂金属负极带；5—锂金属负极卷；6—正极卷；7—上滚柱；8—下滚柱；9—振动平板；10—固定平板；11—正极外电连接片；12—正极极耳；13—锂负极极耳；14—负极外电连接片；15—卷轴；16—正极带。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种开放式锂金属负极二次电池，包括填充有电解液的密封电池壳体，在密封的电池壳体1内设置三种卷，第一种卷是工作卷2，第二种卷是正极卷6，第三种卷是锂金属负极卷5，其中工作卷是可以充电和放电的电池卷，三种卷由一个或多个电机驱动，工作卷2上卷绕有正极带16、锂金属负极带4以及隔膜，工作卷2放卷转动时放出正极带、锂金属负极带4以及隔膜，同时正极卷6和负极卷5作收卷转动，收进正极带和锂金属负极带4；所述工作卷2与锂金属负极卷6之间设有枝晶压平设备3，当锂金属负极带4作放出和收进移动时，通过枝晶压平设备3将锂金属负极带表面的枝晶压平。

在本实施例中，所述枝晶压平设备可以为滚柱设备，所述滚柱设备包括分设于锂金属负极带上、下侧的上滚柱7和下滚柱8，所述锂金属负极带从上、下滚柱中间经过时，滚柱对锂金属负极带表面产生压力，从而压平锂金属负极带表面的枝晶。所述枝晶压平设备也可以为振动设备，所述振动设备包括分设于锂金属负极带上、下侧的振动平板9以及固定平板10，所述锂金属负极带从振动平板、固定平板中间经过时，平板的打击力和反作用力压平锂金属负极带两个表面的枝晶。

在本实施例中，锂金属带的放卷和收卷是由电池壳体内微型电机驱动的。压平枝晶的电力和电机的电力，都是由充电时的外电供给的。因为锂金属的硬度很低，要压平刚刚产生的枝晶所需的动力是很小的，所以它的电动机以及压平设备是很小巧的，一个10Ah电池的枝晶压平设备只有半只铅笔大小。消除枝晶除了机械的方法之外还有其他方法：在锂金属负极带在生产制造过程中，就对其两个表面进行平整加工且使用孔径最大的隔膜。例如，让锂金属带从上下两个滚柱中间反复经过，让光洁如镜的上下滚柱边转动边压锂金属带的上下两个平面。也可以选择合适的纤维轮子对锂金属带的两个表面进行抛光。所述锂离子电池采用大孔径的隔膜，直径大于100um。

在本实施例中，所述锂离子电池配套使用的充电器上，设置有充电计数器或电池容量检测器。当充电时间达到设定数值或充电容量达到设定数值时，充电器发出停止充电的指令，并且限定下一次充电时先启动锂金属负极带压平***，进行枝晶压平运作，然后再进行充电。当充电器的检测仪器认为需要对锂金属带表面的枝晶进行压平处理时，压平设备会在充电插头插上后自动进行枝晶的压平处理。所以本发明的电池不会出现枝晶穿破隔膜的困难。上述的规定数值，是指几次充电后，枝晶生长刚进入隔膜孔的状态，这是压平枝晶的最佳状态。也就是说使用者无需在意什么时候要进行锂金属带的压平处理。使用者只需在使用时插上充电器，本产品就能自动解决上述问题。本发明即使不采用压平设备，只将锂金属带表面做光洁，再采用大孔径的隔膜，就已经能明显提高锂负极二次电池的循环使用次数。当本发明再加入机械压平设备，更能实现长久循环的目的。

锂金属带对锂离子的阻力很小，因此，可以在生产制造锂金属负极带时，将其厚度加厚，让一条锂金属带可以与多条正极带轮换组成可以充电和放电的电池卷，如图4所示。当工作卷中的正极带充满电后，工作卷就会转动放出这条正极带，同时第一个正极卷会收进这条正极带。接下来第二个正极卷会放出正极带与锂金属带一起收进工作卷，继续进行充电。等到这个重组的工作卷又充满电时工作卷又会转动放出第二条正极带，同时第二个正极卷会收进这条正极带。最后，重复上述的过程继续进行第三个正极卷的充电。这就是开放式锂负极多正极二次电池的工作原理。放电时，多正极卷也是这样轮换工作的。这种多正极轮换方法可以使本发明的锂金属电池质量比能量几倍地提高，使得续航里程等同或超过汽油燃料水平。

在本实施例中，在锂金属负极带的两端设置有位置传感元件：如磁性物，可以在需要时发出指令，停止本发明电池中三种卷的放卷和收卷转动。

在本实施例中，所述三种卷的卷轴上设置有转数计数器，以在需要时发出指令，停止电池中三种卷的放出和收卷转动。

在本实施例中，所述隔膜附在正极带的两面，并与正极带一起作放卷和收卷运动。这样可以保护正极带活性料不损坏，也可以保持活性料处于电解液的湿润状态。

在本实施例中，所述工作卷、正极卷、锂金属负极卷以及驱动电机都密封在所述电池壳体中，密封的空间内充满电解液或惰性气体。

在本实施例中，制造正极带时，采用石墨烯碎片代替碳粒加入正极活性料中，以增加正极带的抗弯性能。

在本实施例中，工作卷中的锂金属负极带上的极耳以及正极带上的极耳，它们对外的电连接通过极耳与电连接片的弹性接触实现。电连接片包括正极对外电连接片和负极对外电连接片，如图5所示。弹性接触导电是电气设备中普遍应用的原理，工作安全可靠。

本发明应用于大功率电池时，三种卷的卷轴上都可以设置多个同种类的卷，以增加容量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种开放式锂金属负极二次电池，包括填充有电解液的密封电池壳体，其特征在于，在密封的电池壳体内设置三种卷，第一种卷是工作卷，第二种卷是正极卷，第三种卷是锂金属负极卷，三种卷由一个或多个电机驱动，所述工作卷上卷绕有正极带、锂金属负极带以及隔膜，工作卷放卷转动时放出正极带、锂金属负极带以及隔膜，同时正极卷和锂金属负极卷作收卷转动，收进正极带和锂金属负极带；所述工作卷与锂金属负极卷之间设有枝晶压平设备，当锂金属负极带作放出和收进移动时，通过枝晶压平设备将锂金属负极带表面的枝晶压平；

所述锂金属负极带在生产制造时，对其两个表面进行平整加工；增加锂金属负极带的厚度，让一条锂金属负极带与多条正极带轮换组成可以充电和放电的电池卷；

当工作卷中的正极带充满电后，工作卷转动放出这条正极带，同时第一个正极卷收进这条正极带；接下来第二个正极卷放出正极带与锂金属负极带一起收进工作卷，继续进行充电；等到这个重组的工作卷又充满电时工作卷又转动放出第二条正极带，同时第二个正极卷收进这条正极带；最后，重复上述的过程继续进行第三个正极卷的充电。

2.根据权利要求1所述的一种开放式锂金属负极二次电池，其特征在于，所述枝晶压平设备为滚柱设备，所述滚柱设备包括分设于锂金属负极带上、下侧的上滚柱和下滚柱，所述锂金属负极带从上、下滚柱中间经过时，滚柱对锂金属负极带表面产生压力，从而压平锂金属负极带表面的枝晶。

3.根据权利要求1所述的一种开放式锂金属负极二次电池，其特征在于，所述枝晶压平设备为振动设备，所述振动设备包括分设于锂金属负极带上、下侧的振动平板以及固定平板，所述锂金属负极带从振动平板、固定平板中间经过时，平板的打击力和反作用力压平锂金属负极带两个表面的枝晶。

4.根据权利要求1所述的一种开放式锂金属负极二次电池，其特征在于，所述开放式锂金属负极二次电池采用大孔径的隔膜，直径大于100um；制造正极带时，采用石墨烯碎片代替碳粒加入正极活性料中，以增加正极带的抗弯性能。

5.根据权利要求1所述的一种开放式锂金属负极二次电池，其特征在于，所述开放式锂金属负极二次电池配套使用的充电器上，设置有充电计数器或电池容量检测器；当充电时间达到设定数值或充电容量达到设定数值时，充电器发出停止充电的指令，并且限定下一次充电时先启动锂金属负极带压平***，进行枝晶压平运作，然后再进行充电。

6.根据权利要求1所述的一种开放式锂金属负极二次电池，其特征在于，在锂金属负极带的两端设置有位置传感元件，工作卷中的锂金属负极带上的极耳以及正极带上的极耳，它们对外的电连接通过极耳与电连接片的弹性接触实现。

7.根据权利要求1所述的一种开放式锂金属负极二次电池，其特征在于，所述三种卷的卷轴上设置有转数计数器，以在需要时发出指令，停止电池中三种卷的放出和收卷转动。

8.根据权利要求1所述的一种开放式锂金属负极二次电池，其特征在于，所述隔膜附在正极带的两面，并与正极带一起作放卷和收卷运动。

9.根据权利要求1所述的一种开放式锂金属负极二次电池，其特征在于，所述工作卷、正极卷、锂金属负极卷以及驱动电机都密封在所述电池壳体中，密封的空间内充满电解液或惰性气体。