鋰離子電池陽極片制造技術

本發明專利技術公開了一種鋰離子電池陽極片，其包括陽極集流體、活性物質層、高電阻層和金屬鋰顆粒，活性物質層涂布在陽極集流體上，高電阻層位于活性物質層上；金屬鋰顆粒的中值粒徑大于高電阻層的厚度，其分布于高電阻層中并將之貫穿。與現有技術相比，采用本發明專利技術陽極片制成的鋰離子電池，其首次庫倫效率和可逆容量都得到了提高，循環性得到了改善，而且電池內短路電流極大地減小，從而降低了電池內短路的發生。

【技術實現步驟摘要】
鋰離子電池陽極片
本專利技術屬于鋰離子電池領域，更具體地說，本專利技術涉及一種能夠提高電池能量密度的鋰離子電池陽極片。
技術介紹
從目前市場來看，采用鋰離子電池做電源的移動電子終端向輕薄化、平板化和功能多樣化發展，鋰離子電池在新能源汽車領域的應用也日趨廣泛，因此，鋰離子電池的市場化也面臨著諸多挑戰，高能量密度即為其中最重要的指標之一。在鋰離子電池體系中，陰極和陽極的可逆比容量決定著整個電池的能量密度水平(為了避免析出鋰枝晶，通常將陽極片的容量設計為較之陰極片的容量略有富余)，因此減少由陰極中脫出的鋰離子在陽極表面的不可逆損失變得非常重要，且有明確的實際意義。換句話說，提高陽極的首次庫倫效率可提高陽極材料的可逆比容量，即可以有效地實現電池能量密度的提升。為了提高電池的首次庫倫效率，許多研究人員進行了不懈研究，并取得了一些成果，歸納后發現，現有技術主要包含以下五種技術路線：(一)優化陽極材料的合成方法，即合成表面活性更穩定的陽極材料；(二)改善陽極片中的粘接劑，如有文獻報告采用PAALi可改善陽極的首次效率；(三)通過陽極補充鋰金屬顆粒的方式達到改善效率的目的：如將鋰金屬粉末、陽極材料和非水液體混合形成漿料并涂覆到集流體上，然后干燥漿液；或是采用將金屬鋰片覆蓋在陽極片表面，然后卷繞制成電池，再灌注電解液的方法制備鋰離子電池；再或者采用真空蒸鍍的方法在陽極片表面鍍上一層金屬鋰層來提高電池的首次效率；(四)通過改善電解液中的成分來改善陽極的首次效率；(五)通過預充電，在陽極表面先形成一層鈍化膜，然后再做成鋰離子電池，從而可以更充分地利用陽極的可逆容量，間接地改善陽極的庫侖效率，提升電池的能量密度。上述五種技術路線都能夠在一定程度上改善陽極的庫侖效率，但是也都或多或少地存在一些問題、不足或改進空間：技術路線(一)由于陽極材料的合成條件比較嚴苛，控制困難度很高，而且試驗量非常大；技術路線(二)和(四)都存在導致電池低溫或高溫性能變差的風險；技術路線(五)則操作復雜，并且由于預充電以后的陽極活性很高，因此對電池的制作環境和設備條件要求極高。相比之下，技術路線(三)的缺點較小，但是也存在一些不足之處需待改進：當陽極片的電阻非常低時，電池注入電解液以后，鋰離子嵌入到陽極活性物質中的電流密度會很大，不利于形成致密、結構穩定的SEI膜，以致陰極的鋰離子在首次嵌入到陽極活性物質中時，仍然由于需要形成致密的SEI膜而有所消耗。也就是說，技術路線(三)對電池的首次庫侖效率改善較小。有鑒于此，確有必要提供一種能夠提高電池能量密度的鋰離子電池陽極片。
技術實現思路
本專利技術的目的在于：提供一種能夠提高電池能量密度的鋰離子電池陽極片。為了實現上述專利技術目的，針對技術路線(三)的不足，本申請的專利技術人經過深入研究，提供了一種鋰離子電池陽極片，其包括陽極集流體、活性物質層、介電常數大于等于5的電阻層和金屬鋰顆粒；活性物質層涂布在陽極集流體上，電阻層位于活性物質層上；金屬鋰顆粒的中值粒徑大于電阻層的厚度，其分布于電阻層中并將之貫穿。相對于現有技術，本專利技術鋰離子電池陽極片通過在活性物質層的表面復合一層高電阻層，降低了極片首次嵌鋰的驅動力；在高電阻層表面再覆蓋金屬鋰顆粒，并注入電解液以后，由于高電阻層的存在，鋰離子首次從鋰金屬顆粒嵌入到活性物質中的阻力大大增加，即電流密度很小，因而形成的SEI膜結構穩定且致密。由于高電阻層的多孔性，從陰極中脫出的鋰離子在電場驅動下，很容易通過孔隙中的電解質輸運到陽極活性物質表面，進而完成嵌鋰過程，而不產生明顯極化；又由于金屬鋰顆粒提供的鋰預先在陽極表面形成了一層結構穩定、致密的SEI膜，陰極中的鋰離子嵌入到陽極活性物質中時，將不再用于SEI形成而損耗，因此陽極的可逆容量和效率都得到了提升。同時，由于結構穩定、致密SEI膜的形成，鋰離子電池的循環性能也得到了明顯改善。進一步地，由于高電阻層的存在，當電池發生內短路時，陽極的高電阻可極大地降低短路電流，進而使得內短路時電池的升溫速度大大降低，有效提高了電池短路時的安全性。作為本專利技術鋰離子電池陽極片的一種改進，所述電阻層含有電阻物和粘結劑。作為本專利技術鋰離子電池陽極片的一種改進，所述電阻層中的電阻物為金屬氧化物、金屬碳化物和硫酸鹽中的一種或多種，采用此類物質的原因在于其結構穩定，耐酸堿腐蝕，且電阻高，可明顯增加陽極的電阻。作為本專利技術鋰離子電池陽極片的一種改進，所述電阻物為Al2O3、MgO、BaO、ZnO、Cr2O3、CoO、Co3O4、TiO2、HfO2、SiO2、ZrO2、BaSO4、SiC中的一種或多種。作為本專利技術鋰離子電池陽極片的一種改進，所述電阻物的顆粒中值粒徑為0.05-5μm。電阻物的介電常數越高，越有利于鋰離子的輸運，從而降低電池在充放電過程中的極化；顆粒度小的電阻物可有效地控制高電阻層的厚度。作為本專利技術鋰離子電池陽極片的一種改進，所述粘結劑為水性硅氧烷、環氧基硅烷、雙氨基硅烷、酰氧基硅烷、芳香基硅烷、乙烯基硅烷、羧甲基纖維素鈉-丁苯橡膠、聚丙烯酸、聚丙烯酸鋰、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸鉀鹽和海藻酸鈉中的一種或多種。作為本專利技術鋰離子電池陽極片的一種改進，所述電阻層的厚度控制在0.5-10μm，優選為1-3μm。由于高電阻層不具有電化學活性，因此工藝上控制其合理厚度，既可以達到涂覆均勻、明顯提高陽極電阻，又不至于太厚以致降低電池的能量密度。作為本專利技術鋰離子電池陽極片的一種改進，所述金屬鋰顆粒的中值粒徑大于4μm，且小于等于50μm。當金屬鋰顆粒的中值粒徑大于電阻層厚度時，鋰金屬顆粒才可經壓制刺穿電阻層，從而接觸到活性物質層，以協調改善鋰離子的輸運。作為本專利技術鋰離子電池陽極片的一種改進，所述陽極片的單位面積上的電阻大于等于0.5Ω/mm2。作為本專利技術鋰離子電池陽極片的一種改進，所述陽極活性物質選自石墨、軟炭、硬炭、Si-C合金、SiaObMc及SiaObMc-C合金中的至少一種，其中SiaObMc和SiaObMc-C中的a、b、c分別表示原子百分比，其含量范圍為0≤a≤100，0≤b＜100，0≤c＜100，M為鋁、硅、錫、錳、銦、釔、鉬、鈮、鉭、鐵、銅、鈦、鉻、鎳、鈷、鋯、鑭以及錒元素中的至少一種。附圖說明以下結合附圖和具體實施方式對本專利技術鋰離子電池陽極片進行進一步詳細說明。圖1為本專利技術鋰離子電池陽極片的結構示意圖。圖2為本專利技術實施例11和對比例4的電池電化學阻抗譜圖。圖3為本專利技術實施例11和對比例4的電池充放電曲線對比圖。具體實施方式為了使本專利技術的專利技術目的、技術方案和有益技術效果更加清晰，以下結合實施例和附圖進一步詳細描述本專利技術，但是，應當理解的是，本專利技術的實施例僅僅是為了解釋本專利技術，并非為了限制本專利技術，且本專利技術的實施例并不局限于說明書中給出的實施例。請參閱圖1，本專利技術鋰離子電池陽極片為復合極片，其包括陽極集流體10、活性物質層12、高電阻層14和金屬鋰顆粒16。其中，活性物質層12直接涂布在陽極集流體10上，高電阻層14復合于活性物質層12上；金屬鋰顆粒16的中值粒徑大于高電阻層14的厚度，其分布于高電阻層14中并將之貫穿。眾所周知，許多無機物均對應著不同的物相，不同的物相也對應不同的介電常數。本專利技術中，所述高電阻層中用到的無機顆粒的物相均選用該材料介電常數大于本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋰離子電池陽極片，其包括陽極集流體和涂布在陽極集流體上的活性物質層，其特征在于：所述陽極片還包括高電阻層和金屬鋰顆粒，高電阻層位于活性物質層上；金屬鋰顆粒的中值粒徑大于高電阻層的厚度，其分布于高電阻層中并將之貫穿。

【技術特征摘要】
1.一種鋰離子電池陽極片，其包括陽極集流體和涂布在陽極集流體上的活性物質層，其特征在于：所述陽極片還包括介電常數大于等于5的電阻層和金屬鋰顆粒，電阻層位于活性物質層上；金屬鋰顆粒的中值粒徑大于電阻層的厚度，其分布于電阻層中并將之貫穿。2.根據權利要求1所述的鋰離子電池陽極片，其特征在于：所述電阻層含有電阻物和粘結劑。3.根據權利要求2所述的鋰離子電池陽極片，其特征在于：所述電阻層中的電阻物為金屬氧化物、金屬碳化物和不溶性硫酸鹽中一種或多種。4.根據權利要求3所述的鋰離子電池陽極片，其特征在于：所述電阻物為Al2O3、MgO、BaO、ZnO、Cr2O3、CoO、Co3O4、TiO2、HfO2、SiO2、ZrO2、BaSO4、SiC中的一種或多種。5.根據權利要求3所述的鋰離子電池陽極片，其特征在于：所述電阻物的顆粒中值粒徑為0.05-5μm。6.根據權利要求2所述的鋰離子電池陽極片，其特征在于：所述粘結劑為水性硅氧烷、環氧基硅烷、雙氨基硅烷、酰氧基硅烷、芳香基硅烷、乙烯基硅烷、羧甲基纖維...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳小波，袁慶豐，趙豐剛，李紹剛，
申請(專利權)人：寧德新能源科技有限公司，
類型：發明
國別省市：