CN215896448U - 一种补锂电芯结构及锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种补锂电芯结构及锂离子电池，包括电芯组件以及用于补锂的金属锂片，所述电芯组件包括依次层叠放置的第一负极片、第一隔离膜、正极片、第二隔离膜以及第二负极片，所述金属锂片的一端与所述第一负极片电连接，金属锂片的另一端与所述第二负极片电连接。本实用新型的一种补锂电芯结构，能够实现对负极的补锂，结构简单，安全性好，易于大批量规模化生产。

Description

一种补锂电芯结构及锂离子电池

技术领域

本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种补锂电芯结构及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池在首次充电的过程中，由于正负极发生的不可逆反应导致其容量出现不同程度不可逆损失，通常负极的首次不可逆损失往往大于正极。常用的石墨负极材料，其首次效率～93％，不可逆反应导致整个电池的容量损失高达～7％；而更高能量密度的其他负极，如硅基、锡基等合金类负极材料的首次效率则更低(通常＜80％)，这就导致其应用受到极大限制，常用的解决方法为向负极中补充损失的锂，通过提高负极的首次充放电效率来有效提高锂离子电池的能量密度。

负极补锂常用的方法为锂粉、化合物锂源或锂复合。锂粉补锂是将处理后的锂粉均匀的覆盖在负极极片表面，通过充放电过程将锂激活参与充放电反应达到补锂目的，但锂粉活性极高，容易发生自燃***等危险，需要极高的环境要求，这就导致其实际应用收到极大限制；化合物锂源则是将锂与其他化合物反应形成惰性锂源，直接在合浆或涂布等过程加入到负极极片中，但该方法同时引入其他物质，导致副反应的发生，同时补锂程度受到限制，实际应用效果不佳；锂复合则是将锂(通常为锂箔)与负极极片直接辊压复合，在充放电过程中将锂激活，原理与锂粉类似，但受限于锂箔的加工能力，目前很难做到低于5um的锂箔，这就导致锂箔占据负极的厚度，待锂参与反应后导致正负极的界面变差，同时需要辊压设备且在严苛的环境下才能作业。

专利CN206401458U提供一种卷绕式锂离子电池复合电芯包括极芯，将正极片、隔膜、负极片与锂箔按照“负极片-锂箔-隔膜-正极片-隔膜”的顺序依次叠放并卷绕在一起；在卷绕中心设置有沿极芯轴线方向延伸的锂片或者锂棒，该结构可以为卷绕电芯提供中心支撑结构并能提供补锂，该结构采用锂复合的方法，会导致正负极界面变差，中心锂片或锂棒的补锂效果自中心向外，导致较大的补锂梯度，甚至会在中心位置补锂过量而出现析锂；专利CN209401658U提供的锂离子电池在外壳和绝缘层直接设置锂金属层，外壳与正极相连，该结构将锂金属置于电芯底部，使锂金属在通电情况下参与反应达到补锂目的，但这仅对金属外壳电芯结构有效，软包电芯则无法实现；专利CN111081982A使用隔膜将金属锂与极片组隔绝，将金属锂封装到电池特定空间，避免金属锂与正负极大面积接触，降低电池安全风险，之后将金属锂与正极或负极连接导通，该方法结构简单，但是需要锂金属先用隔离膜包覆再通过其他方法与正极或负极导通，对于量产的实施具有一定困难，且该专利并未公开如何导通金属锂与正极或负极。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种补锂电芯结构，能够实现对负极的补锂，结构简单，安全性好，易于大批量规模化生产。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种补锂电芯结构，包括电芯组件以及用于补锂的金属锂片，所述电芯组件包括依次层叠放置的第一负极片、第一隔离膜、正极片、第二隔离膜以及第二负极片，所述金属锂片的一端与所述第一负极片电连接，金属锂片的另一端与所述第二负极片电连接。

本实用新型的电芯补锂效果均匀稳定，保证电芯的安全性能和一致性，不需要改变现有锂离子电池生产工艺，方法简单，易于大规模生产，该补锂电芯结构可以通过静置温度调整，对补锂速度进行调整，在静置阶段即可完成补锂，更易操作，该补锂电芯结构适用于软包、方壳或钢壳的卷绕或叠片电芯；该补锂电芯结构的能量密度相对其他一般结构电芯的能量密度得到明显提升，同时循环寿命极大改善。

所述负极片包括负极集流体以及设置于所述负极集流体至少一表面的负极活性物质层。负极集流体的材质包括但不限于铜箔，负极活性物质层的具体种类不受到具体限制，可根据需求进行选择。所述负极活性物质层包括负极活性物质、负极粘结剂和负极导电剂，所述负极活性物质包括人造石墨、天然石墨、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和碳基复合材料、硅、硅合金和硅基复合材料中的至少一种。

在一些实施例中，负极活性物质层包括负极活性物质，负极活性物质包括人造石墨、天然石墨、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、中间相微碳球(简称为MCMB)、硬碳、软碳、硅、硅-碳复合物、Li-Sn合金、Li-Sn-O合金、Sn、SnO、SnO2、尖晶石结构的锂化TiO2-Li4Ti5O12、Li-Al合金中的一种或几种。

在一些实施例中，负极活性物质层可以包括负极粘合剂，负极粘合剂用于提高负极活性物质颗粒彼此间的结合和负极活性物质与集流体的结合。粘合剂的非限制性示例包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏1,1-二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂、尼龙等。

在一些实施例中，负极活性物质层还包括用于赋予电极导电性的负极导电剂。负极导电剂可以包括任何导电材料，只要它不引起化学变化。负极导电剂的非限制性示例包括基于碳的材料(例如，天然石墨、人造石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维等)、基于金属的材料(例如，金属粉、金属纤维等，例如铜、镍、铝、银等)、导电聚合物(例如，聚亚苯基衍生物)和它们的混合物。

所述正极片包括正极集流体以及设置于所述正极集流体至少一表面的正极活性物质层，正极集流体的材质包括但不限于铝箔，正极活性物质层的具体种类不受到具体限制，可根据需求进行选择。所述正极活性物质层包括正极活性物质、正极粘结剂和正极导电剂。

在一些实施例中，正极活性物质层包括正极极活性物质，正极活性物质包括可逆地嵌入和脱嵌锂离子的化合物。在一些实施例中，正极活性物质可以包括复合氧化物，复合氧化物含有锂以及从钴、锰和镍中选择的至少一种元素。在又一些实施例中，正极活性物质选自钴酸锂(LiCoO₂)、锂镍锰钴三元材料、锰酸锂(LiMn₂O₄)、镍锰酸锂(LiNi_0.5Mn_1.5O₄)、磷酸铁锂(LiFePO₄)中的一种或几种。

在一些实施例中，正极活性物质层还包含正极粘合剂，粘合剂用于提高正极活性物质颗粒彼此间的结合，并且还提高正极活性物质与极片主体的结合。正极粘合剂的非限制性示例包括聚乙烯醇、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏1,1-二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂、尼龙等。

在一些实施例中，正极活性物质层还包括正极导电剂，从而赋予电极导电性。正极导电剂可以包括任何导电材料，只要它不引起化学变化。导电材料的非限制性示例包括基于碳的材料(例如，天然石墨、人造石墨、碳黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维等)、基于金属的材料(例如，金属粉、金属纤维等，包括例如铜、镍、铝、银等)、导电聚合物(例如，聚亚苯基衍生物)和它们的混合物。

在根据本申请所述的电池中，正极极片与负极极片之间设有隔离膜以防止短路。本申请的电池中使用的隔离膜的材料和形状没有特别限制，其可为任何现有技术中公开的技术。

在根据本申请所述的电池中在一些实施例中，隔离膜可包括基材层和表面处理层。基材层为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材层的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种。具体的，可选用聚丙烯多孔膜、聚乙烯多孔膜、聚丙烯无纺布、聚乙烯无纺布或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯多孔复合膜。基材层的至少一个表面上设置有表面处理层，表面处理层可以是聚合物层或无机物层，也可以是混合聚合物与无机物所形成的层。无机物层包括无机颗粒和粘结剂，无机颗粒选自氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙和硫酸钡中的一种或几种的组合。粘结剂选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙烯中的一种或几种的组合。聚合物层中包含聚合物，聚合物的材料选自聚酰胺、聚丙烯腈、丙烯酸酯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种。

所述金属锂片为纯金属锂箔、锂块、锂片、锂合金中的至少一种。该锂合金可以是锂镁合金、锂铜合金、锂铁合金、铝锂合金或锂银合金。优选的，所述金属锂的厚度为1μm～50μm。具体的，金属锂的厚度包括但不限于1～5μm、5～10μm、10～15μm、15～20μm、20～25μm、25～30μm、30～35μm、35～40μm、40～45μm、或5～50μm。

作为本实用新型一种补锂电芯结构的一种改进，所述第一负极片位于金属锂片的一侧长于所述第一隔离膜和所述正极片，所述第二负极片位于金属锂片的一侧长于所述第二隔离膜和所述正极片。第一负极片、第一隔离膜、正极片、第二隔离膜和第二负极片依次层叠放置时，将第一负极片靠近金属锂片的一侧突伸出第一隔离膜和正极片，使第一负极片靠近金属锂片的一侧由于伸出而部分悬空，同时，将第二负极片靠近金属锂片的一侧突伸出第二隔离膜和正极片，使第二负极片靠近金属锂片的一侧由于伸出而漏出，便于第一负极片与第二负极片与金属锂片直接接触而电连接，从而实现对负极补锂。

作为本实用新型一种补锂电芯结构的一种改进，所述第一隔离膜位于金属锂片的一侧长于所述正极片，所述第二隔离膜位于金属锂片的一侧长于所述正极片。增加第一隔离膜和第二隔离膜的长度，有效地使正极片与金属锂片进行分离，提高补锂质量。

作为本实用新型一种补锂电芯结构的一种改进，所述正极片与金属锂片之间填充有分隔膜。分隔膜用于将正极片靠近金属锂片的一端进行包覆，使正极片与金属锂片实现分离，从而提高补锂质量。分隔膜可以为另外的一隔离膜，也可以是第一隔离膜和/或第二隔膜膜。正极片填充分隔膜后的长度与第一隔离膜的长度以及第二隔离膜的长度相同。

作为本实用新型一种补锂电芯结构的一种改进，所述分隔膜为第一隔离膜和/或第二隔离膜。

作为本实用新型一种补锂电芯结构的一种改进，所述金属锂片设置于电芯组件的顶侧、底侧、左侧或右侧中的至少一侧。可以根据情况设置金属锂片的位置，当金属锂片设置有多片时，金属锂片可以设置于电芯组件的两侧，可以关于电芯组件对称设置。

作为本实用新型一种补锂电芯结构的一种改进，所述金属锂片包括第一锂片和第二锂片，第一锂片和第二锂片分别设置于电芯组件的两侧。

作为本实用新型一种补锂电芯结构的一种改进，所述金属锂片的厚度为0.001～0.3mm，所述金属锂片的面积为电芯组件侧端面面积的0.5～5倍。

作为本实用新型一种补锂电芯结构的一种改进，所述金属锂片的宽度为电芯组件厚度为0.2～10倍，所述金属锂片的长度为电芯组件长度的0.2～1.5倍。设电芯组件的宽度为T，优选地，金属锂片的宽度为0.2T～10T或T+20(金属锂片宽度取其上述中的最小者)。

优选地，本实用新型一种补锂电芯结构还包括第三隔离膜，所述第三隔离膜用于将金属锂片与电芯组件包覆固定，所述第三隔离膜设置于电芯组件的最外层。

优选地，本实用新型一种补锂电芯结构还包括第四隔离膜，所述分隔膜为第四隔离膜。

本实用新型的另一目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂离子电池，能够实现对负极的补锂，结构简单，安全性好，易于大批量规模化生产。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种锂离子电池，包括电解液以及壳体，所述壳体用于装设所述电解液和上述的补锂电芯结构。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型提供一种补锂电芯结构，能够对负极进行补锂，结构简单，安全性好，易于大批量规模化生产。

2、本实用新型一种锂离子电池在电芯组件装配后进行注入电解液，然后静置，静置过程中，金属锂发生溶剂化通过自放电原理进入负极材料，该过程缓慢且稳定，可以通过改变静置环境温度进行调节，从而达到均匀补锂的目的。

附图说明

图1是本实用新型的实施例1的结构示意图。

图2是本实用新型的实施例2的结构示意图。

图3是本实用新型的实施例3的结构示意图。

图4是本实用新型的实施例4的结构示意图。

图5是本实用新型的实施例5的结构示意图。

图6是补锂扩散效果示意图。

图7是补锂效果示意图。

其中：1、电芯组件；11、第一负极片；12、第一隔离膜；13、正极片；14、第二隔离膜；15、第二负极片；2、金属锂片；3、分隔膜。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明，但不作为对本实用新型的限定。

实施例1

如图1所示，本实用新型的一种补锂电芯结构，包括电芯组件1以及用于补锂的金属锂片2，所述电芯组件1包括依次层叠放置的第一负极片11、第一隔离膜12、正极片13、第二隔离膜14以及第二负极片15，所述金属锂片2的一端与所述第一负极片11电连接，金属锂片2的另一端与所述第二负极片15电连接。其中，所述第一负极片11位于金属锂片2的一侧长于所述第一隔离膜12和所述正极片13，所述第二负极片15位于金属锂片2的一侧长于所述第二隔离膜14和所述正极片13。所述金属锂片2位于电芯组件1的右侧。

一种锂离子电池，包括以下步骤：

1)准备正极片13；

正极活性物质浆料的制备：将磷酸铁锂、导电剂SuperP、粘结剂聚偏二氟乙烯按照重量比96.7、1.7、1.6进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌至体系均匀，获得固含量为59％正极活性物质浆料。

正极片13：取一正极集流体，将正极集流体划分为极片主体区和极耳区，极耳区又再划分为连接区和极耳主体区，极耳主体区通过连接区与极片主体区连接；将正极活性物质浆料涂覆于极片主体区的至少一表面，在85℃下烘干，得到正极活性物质层；在干燥环境中60℃条件下真空干燥24小时，得到正极极片,极片的面密度为0.0182g/cm2。

2)准备负极片；

负极活性物质浆料的制备：将负极活性材料人造石墨、导电剂SuperP、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)按照重量比95.7:1.7:1:1.6进行混合，加入去离子水，在真空搅拌机作用下获得固含量为54％的负极活性物质浆料。

负极片的制备：取一负极集流体，将负极集流体划分为极片主体区和极耳区，极耳区又再划分为连接区和极耳主体区，极耳主体区通过连接区与极片主体区连接；将负极活性物质浆料涂覆于极片主体区的两表面，在85℃下烘干，得到负极活性物质层；在干燥环境中60℃条件下真空干燥24小时，得到负极极片，其面密度0.0086g/cm2。

3)隔离膜的准备；

取厚度为12μm的聚丙烯商业化薄膜作为隔离膜，干燥环境中60℃条件下真空干燥24h。

4)将20um的金属锂置于边缘无隔膜可以和负极发生电子接触的一个端面上，通过装配工艺使隔离膜完全覆盖正极，负极一个边缘不被隔离膜所覆盖的边缘无隔膜方式装配得到上述补锂电芯结构；

5)经过烘烤、注液、静置、化成后得到具有负极补锂功能的锂离子电池。

实施例2

与实施例1的区别在于：如图2所示，所述金属锂片2包括第一锂片和第二锂片，第一锂片和第二锂片分别设置于电芯组件1的两侧。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例3

与实施例2的区别在于：如图3所示，所述正极片13与两侧的金属锂片2之间分别填充有分隔膜3。

其余与实施例2相同，这里不再赘述。

实施例4

与实施例3的区别在于，如图4所示，金属锂片2设置电芯组件1的一侧，所述正极片13与金属锂片2之间填充有分隔膜3。

其余与实施例3相同，这里不再赘述。

实施例5

与实施例4的区别在于，如图5所示，所述正极片13远离金属锂片2的一而设置有分隔膜3。

其余与实施例4相同，这里不再赘述。

对比例1

一种电芯结构，包括依次层叠放置的第一正极片、第一隔离膜、负极、第二隔离膜、第二正极片，所述负极的一侧突伸出于第一隔离膜和第二隔离膜，所述第一隔离膜突伸于第一正极，所述第二隔离膜突伸于第二正极片。

采用上述任一实施例得到锂离子电池，补锂后电池首次充电比容量可达到161.1mAh/g，首次放电比容量可达到147.7mAh/g，全电池首次库伦效率达到91.68％。45℃循环400次后放电比容量133.4mAh/g，容量保持率90.32％。未补锂电池首次充电比容量可达到159.9mAh/g，首次放电比容量可达到139.8mAh/g，全电池首次库伦效率达到87.43％。45℃循环400次后放电比容量117.2mAh/g，容量保持率83.87％。

从实施例1-5与对比例1可以看出：使用这种隔离膜完全覆盖或包覆正极，负极至少一个边缘不被隔离膜所覆盖、且边缘无隔膜的方式装配得到电芯组件1，再将金属锂置于电芯组件1可以和电芯组件1中的负极发生电子接触的至少一个端面上，即得本实用新型的补锂电芯组件1，如图6和图7所示，在补锂电芯组件1注入电解液后通过自放电原理使金属锂溶解快速均匀的扩散嵌入负极材料，在化成静置中即可实现对电芯的负极补锂。补锂后电芯的充放电比容量、首次库伦效率、循环容量保持率较未补锂电芯均有明显提升。

上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施方式，但如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种补锂电芯结构，其特征在于，包括电芯组件以及用于补锂的金属锂片，所述电芯组件包括依次层叠放置的第一负极片、第一隔离膜、正极片、第二隔离膜以及第二负极片，所述金属锂片的一端与所述第一负极片电连接，金属锂片的另一端与所述第二负极片电连接。

2.根据权利要求1所述的补锂电芯结构，其特征在于，所述第一负极片位于金属锂片的一侧长于所述第一隔离膜和所述正极片，所述第二负极片位于金属锂片的一侧长于所述第二隔离膜和所述正极片。

3.根据权利要求1或2所述的补锂电芯结构，其特征在于，所述第一隔离膜位于金属锂片的一侧长于所述正极片，所述第二隔离膜位于金属锂片的一侧长于所述正极片。

4.根据权利要求1或2所述的补锂电芯结构，其特征在于，所述正极片与金属锂片之间填充有分隔膜。

5.根据权利要求4所述的补锂电芯结构，其特征在于，所述分隔膜为第一隔离膜和/或第二隔离膜。

6.根据权利要求1所述的补锂电芯结构，其特征在于，所述金属锂片设置于电芯组件的顶侧、底侧、左侧或右侧中的至少一侧。

7.根据权利要求6所述的补锂电芯结构，其特征在于，所述金属锂片包括第一锂片和第二锂片，第一锂片和第二锂片分别设置于电芯组件的两侧。

8.根据权利要求1所述的补锂电芯结构，其特征在于，所述金属锂片的厚度为0.001～0.3mm，所述金属锂片的面积为电芯组件侧端面面积的0.5～5倍。

9.根据权利要求8所述的补锂电芯结构，其特征在于，所述金属锂片的宽度为电芯组件厚度为0.2～10倍，所述金属锂片的长度为电芯组件长度的0.2～1.5倍。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括电解液以及壳体，所述壳体用于装设所述电解液和权利要求1-9中任一项所述的补锂电芯结构。

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