CN112436106A - 金属正极和基于金属正极的电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属正极，所述金属正极由金属材料和用于调节电位的正极材料的混合物制成，或所述正极由金属材料与至少一层用于调节电位的正极材料复合而成。本发明还公开了一种基于金属正极的电池和基于金属正极的叠层电池。本发明的金属正极，通过将金属材料用作正极活性材料，并通过在金属材料内混合用于调节电位的正极材料，或将金属材料与至少一层用于调节电位的正极材料复合，能够有效提高正极的电位，以满足电池储能要求，利用金属材料能量密度大的特性，能够有效提高电池的能量密度，在同样的容量要求下，能够有效减小电池重量和体积。

Description

金属正极和基于金属正极的电池

技术领域

本发明属于储能设备技术领域，具体的为一种金属正极和基于金属正极的电池。

背景技术

锂离子电池是以2种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池的正极和负极的2次电池体系。充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱出，经过电解质后插入到负极材料的晶格中，使得负极富锂，正极贫锂；放电时锂离子从负极材料的晶格中脱出，经过电解质后插入到正极材料的晶格中，使得正极富锂，负极贫锂。这样正负极材料在插入及脱出锂离子时相对于金属锂的电位的差值，就是电池的工作电压。

锂离子电池是性能卓越的新一代绿色高能电池，已成为高新技术发展的重点之一。锂离子电池具有以下特点：高电压、高容量、低消耗、无记忆效应、无公害、体积小、内阻小、自放电少、循环次数多。因其上述特点，锂离子电池已应用到移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机等众多民用及军事领域。

目前已经市场化的锂电池正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等产品，虽然能够满足使用要求，但存在能量密度低的缺点，导致锂电池能量密度低，并存在以下问题：

1)能量密度低，达到同样的储能容量时，电池的重量重了，体积也更大；

2)电池续航能力差，如用在电动汽车上，普遍存在续航能力不足的问题；

3)安全性较差，这个问题尚存争议，因为做电池的材料都不稳定，的确容易爆炸。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属正极和基于金属正极的电池，利用金属材料能量密度高的特性，能够有效提高正极的能量密度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明首先提出了一种金属正极，所述金属正极包括正极活性材料，所述正极活性材料采用金属材料和用于调节电位的正极材料的混合物制成，或所述正极采用金属材料与至少一层用于调节电位的正极材料复合而成。

进一步，所述正极材料包括但不限于磷酸铁、磷酸铁锂、钴酸锂、磷酸锰、三元正极材料、多硫化物和金属空气正极材料。

进一步，所述正极材料与所述金属材料的质量比为5％-80％

进一步，所述金属材料采用但不限于金属锂、金属镁、金属铝、金属钠和金属钾中的一种或至少两种的合金制成。

进一步，所述金属材料内设有用于抑制枝晶生长的枝晶抑制材料Ⅰ，所述枝晶抑制材料Ⅰ包括但不限于金属锡、金属钛、金属钨、金属铅、金属铝和季胺盐中的至少一种。

本发明还提出了一种基于金属正极的电池，包括正极、负极和电解质；

所述正极采用如上所述的金属正极。

进一步，所述负极包括负极活性材料，所述负极活性材料包括但不限于氧化硅及其衍生物、石墨烯及其衍生物、碳纳米管及其衍生物、生物质碳材料及其衍生物、含锂的聚合物及其衍生物和表面功能化的碳材料。

进一步，所述电解质采用电解液和设置在所述正极和负极之间的隔膜。

进一步，所述正极与所述隔膜之间设有用于抑制枝晶生长并可离子导通的枝晶抑制层Ⅰ；

进一步，所述枝晶抑制层Ⅰ复合在所述正极上，或所述枝晶抑制层Ⅰ复合在所述隔膜上；

进一步，所述电解质采用固态离子导体。

进一步，所述正极与所述固态离子导体之间设有用于抑制枝晶生长并可离子导通的枝晶抑制层Ⅱ。

进一步，所述枝晶抑制层Ⅱ复合在所述正极上，或所述枝晶抑制层Ⅱ复合在所述固态离子导体上。

本发明还提出了一种基于金属正极的叠层电池，其特征在于：

包括至少两个层叠在一起的如上所述的电池；

相邻两个所述电池中，其中一个所述电池的正极与另一个所述电池的负极之间相邻设置，且该相邻的所述正极与负极之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板；或，

相邻两个所述电池中，其中一个所述电池的正极与另一个所述电池的正极之间相邻设置，或其中一个所述电池的负极与另一个所述电池的负极之间相邻设置，该相邻的两个所述正极之间或该相邻的两个所述负极之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板。

本发明的有益效果在于：

本发明的金属正极，通过将正极活性材料采用金属材料与用于调节电位的正极材料混合制成，或将金属材料与至少一层用于调节电位的正极材料复合制成，能够有效提高正极的电位，以满足电池储能要求，利用金属材料能量密度大的特性，能够有效提高电池的能量密度，在同样的容量要求下，能够有效减小电池重量和体积。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明基于金属正极的电池实施例1的结构示意图；

图2为正极活性材料由金属材料和用于调节电位的正极材料的混合物制成时的微观放大图；

图3为正极材料层设置在金属材料层与正极集流体之间时的正极的结构示意图；

图4为正极材料层设置在金属材料层背向正极集流体的一侧侧面上时的正极的结构示意图；

图5为正极材料层设置在金属材料层内时的正极的结构示意图；

图6为本发明基于金属正极的电池实施例2的结构示意图；

图7为枝晶抑制层Ⅰ复合在正极上时的结构示意图；

图8为枝晶抑制层Ⅰ复合在隔膜上时的结构示意图；

图9为本发明基于金属正极的电池实施例3的结构示意图；

图10为枝晶抑制层Ⅱ复合在正极上时的结构示意图；

图11为枝晶抑制层Ⅱ复合在固态离子导体上时的结构示意图；

图12为基于金属正极的叠层电池的结构示意图，具体的为所有电池之间串联时的结构示意图；

图13为所有电池之间并联时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，为本发明基于金属正极的电池实施例1的结构示意图。本实施例的基于金属正极的电池，包括正极10、负极20和电解质；本实施例的正极10采用金属正极。

本实施例的金属正极包括正极活性材料，正极活性材料采用金属材料和用于调节电位的正极材料混合制成，或正极活性材料由金属材料与至少一层用于调节电位的正极材料复合而成。具体的，如图2所示，为正极活性材料由金属材料和用于调节电位的正极材料的混合物制成时的微观放大图；

如图3-5所示，为正极活性材料由金属材料10a与至少一层用于调节电位的正极材料10b复合而成时的结构示意图，具体的，如图3所示，正极材料层12可以设置在金属材料层11与正极集流体13之间；如图4所示，正极材料层12也可以设置在金属材料层11背向正极集流体13的一侧侧面上；如图5所示，正极材料层12也可以设置在金属材料层11内。当然，正极材料层11还可以设置至少两层，正极材料层11的设置位置可以参考如图3-5所示的设置位置，不再累述。

优选的，金属材料11采用但不限于金属锂、金属镁、金属铝、金属钠和金属钾中的一种或至少两种的合金制成。

进一步，正极材料包括但不限于磷酸铁、磷酸铁锂、钴酸锂、磷酸锰、三元正极材料、多硫化物和金属空气正极材料，本实施例的正极材料采用磷酸铁锂。正极活性材料中的正极材料与金属材料的质量比为5％-80％，在提高正极10的电位的条件下，对正极10的容量不会造成较大影响。

进一步，为了抑制枝晶生长，本实施例在正极10内设有用于抑制枝晶生长的枝晶抑制材料Ⅰ，枝晶抑制材料Ⅰ包括但不限于金属锡、金属钛、金属钨、金属铅、金属铝和季胺盐中的至少一种。本实施例的正极10中的枝晶抑制材料Ⅰ与金属材料的质量比为1％-100％。

进一步，本实施例的负极包括负极活性材料，负极活性材料包括但不限于氧化硅及其衍生物、石墨烯及其衍生物、碳纳米管及其衍生物、生物质碳材料及其衍生物、含锂的聚合物及其衍生物和表面功能化的碳材料(例如super p、科琴黑和炭黑等)，本实施例的负极材料采用石墨烯及其衍生物。

本实施例的金属正极，通过将正极活性材料采用金属材料与用于调节电位的正极材料混合制成，或将金属材料与至少一层用于调节电位的正极材料复合制成，能够有效提高正极的电位，以满足电池储能要求，利用金属材料能量密度大的特性，能够有效提高电池的能量密度，在同样的容量要求下，能够有效减小电池重量和体积。

实施例2

如图6所示，为本发明基于金属正极的电池实施例2的结构示意图。本实施例的基于金属正极的电池，包括正极10、负极20和电解质；本实施例的正极10采用金属正极。

本实施例的金属正极包括正极活性材料，正极活性材料采用金属材料和用于调节电位的正极材料混合制成，或正极活性材料由金属材料与至少一层用于调节电位的正极材料复合而成。

本实施例的电解质采用电解液和设置在正极10和负极20之间的隔膜30。具体的，正极10与隔膜30之间设有用于抑制枝晶生长并可离子导通的枝晶抑制层Ⅰ131。

具体的，枝晶抑制层Ⅰ131复合在正极10上，或枝晶抑制层Ⅰ131复合在隔膜30上。

如图7所示，为枝晶抑制层Ⅰ131复合在正极10上时的结构示意图；

如图8所示，为枝晶抑制层Ⅰ131复合在隔膜30上时的结构示意图。

进一步，枝晶抑制层Ⅰ131采用抑制枝晶生长的复合材料制成，复合材料包括：

功能金属材料，用于抑制枝晶生长；

离子导通材料，用于实现离子导通；

功能金属材料和离子导通材料采用物理混合或化学方法复合在一起；

功能金属材料采用但不限于金属锡、金属钛、金属钨、金属铅和金属铝中的至少一种；

离子导通材料采用金属盐、季胺盐和导离子体材料中的至少一种。

具体的，金属盐采用但不限于锂盐、钠盐和钾盐中的至少一种。在选用金属盐时，可选用与电池内部金属离子相同的金属盐，如锂电池中的金属盐可选用锂盐，不再累述。导离子体材料采用凝胶、氧化物、硫化物和有机聚合物中的一种或至少两种的混合物制成。

具体的，复合材料中的功能金属材料的质量占比为0.01％-50％，既能够满足抑制枝晶生长的要求，也不会影响离子导通，即不会影响电池性能。

进一步，本实施例的复合材料制作为胶状。

离子导体材料采用季胺盐和/或呈胶状的导离子体材料；或，

离子导体材料采用金属盐和季胺盐的混合物；或，

离子导体材料采用金属盐和呈胶状的导离子体材料的混合物；或，

离子导体材料采用金属盐、季胺盐和呈胶状的导离子体材料的混合物。

当然，胶状的复合材料可以直接制作为薄膜，薄膜的厚度小于等于50um。当应用于液态电池时，该薄膜设置在对应的电极与离子隔膜之间，也可以将该薄膜复合在对应的电极和对应的离子隔膜上，并形成所述枝晶抑制层Ⅰ。

优选的，复合材料中的功能金属材料采用金属锡，离子导体材料采用季胺盐。

本实施例的正极10和负极20的结构与实施例1相同，不再一一累述。

实施例3

如图9所示，为本发明基于金属正极的电池实施例3的结构示意图。本实施例的基于金属正极的电池，包括正极10、负极20和电解质；本实施例的正极10采用金属正极。

本实施例的金属正极包括正极活性材料，正极活性材料采用金属材料和用于调节电位的正极材料混合制成，或正极活性材料由金属材料与至少一层用于调节电位的正极材料复合而成。

本实施例的电解质采用固态离子导体40。具体的，正极10与固态离子导体40之间设有用于抑制枝晶生长并可离子导通的枝晶抑制层Ⅱ141。

具体的，枝晶抑制层Ⅱ141复合在正极10上，或枝晶抑制层Ⅱ141复合在固态离子导体40上。

如图10所示，为枝晶抑制层Ⅱ141复合在正极10上时的结构示意图；

如图11所示，为枝晶抑制层Ⅱ141复合在固态离子导体40上时的结构示意图。

进一步，枝晶抑制层Ⅱ141采用抑制枝晶生长的复合材料制成，复合材料包括：

功能金属材料，用于抑制枝晶生长；

离子导通材料，用于实现离子导通；

功能金属材料和离子导通材料采用物理混合或化学方法复合在一起；

功能金属材料采用但不限于金属锡、金属钛、金属钨、金属铅和金属铝中的至少一种；

离子导通材料采用金属盐、季胺盐和导离子体材料中的至少一种。

本实施例的复合材料与实施例3相同，不再一一累述。

本实施例的正极10和负极20的结构与实施例1相同，不再一一累述。

实施例4

如图12所示，为基于金属正极的叠层电池的结构示意图。本实施例基于金属正极的叠层电池，包括至少两个层叠在一起的电池60。

相邻两个电池中，其中一个电池的正极10与另一个电池的负极20之间相邻设置，且该相邻的正极10与负极20之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板50；如图12所示，此时所有的电池之间串联设置。

相邻两个电池中，其中一个电池的正极10与另一个电池的正极10之间相邻设置，或其中一个电池的负极20与另一个电池的负极20之间相邻设置，且该相邻的两个正极10或相邻的两个负极20之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板50，如图13所示，此时所有的电池之间并联设置。

具体的，本实施例的电池与实施例1、实施例2或实施例3相同，不再一一累述。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (14)

1.一种金属正极，其特征在于：包括正极活性材料；所述正极活性材料采用金属材料和用于调节电位的正极材料的混合物制成，或所述正极活性材料采用金属材料与至少一层用于调节电位的正极材料复合而成。

2.根据权利要求1所述的金属正极，其特征在于：

所述正极材料包括但不限于磷酸铁、磷酸铁锂、钴酸锂、磷酸锰、三元正极材料、多硫化物和金属空气正极材料。

3.根据权利要求1所述的金属正极，其特征在于：

所述正极材料与所述金属材料的质量比为5％-80％。

4.根据权利要求1所述的金属正极，其特征在于：

所述金属材料采用但不限于金属锂、金属镁、金属铝、金属钠和金属钾中的一种或至少两种的合金制成。

5.根据权利要求1-4任一项所述的金属正极，其特征在于：

所述金属材料内设有用于抑制枝晶生长的枝晶抑制材料Ⅰ，所述枝晶抑制材料Ⅰ包括但不限于金属锡、金属钛、金属钨、金属铅、金属铝和季胺盐中的至少一种。

6.一种基于金属正极的电池，包括正极、负极和电解质，其特征在于：

所述正极采用如权利要求1-5任一项所述的金属正极。

7.根据权利要求6所述基于金属正极的电池，其特征在于：

所述负极包括负极活性材料，所述负极活性材料采用但不限于氧化硅及其衍生物、石墨烯及其衍生物、碳纳米管及其衍生物、生物质碳材料及其衍生物、含锂的聚合物及其衍生物和表面功能化的碳材料。

8.根据权利要求1所述基于金属正极的电池，其特征在于：

所述电解质采用电解液和设置在所述正极与负极之间的隔膜。

9.根据权利要求8所述基于金属正极的电池，其特征在于：

所述正极与所述隔膜之间设有用于抑制枝晶生长并可离子导通的枝晶抑制层Ⅰ。

10.根据权利要求9所述基于金属正极的电池，其特征在于：

所述枝晶抑制层Ⅰ复合在所述正极上，或所述枝晶抑制层Ⅰ复合在所述隔膜上。

11.根据权利要求6所述基于金属正极的电池，其特征在于：

所述电解质采用固态离子导体。

12.根据权利要求11所述基于金属正极的电池，其特征在于：

所述正极与所述固态离子导体之间设有用于抑制枝晶生长并可离子导通的枝晶抑制层Ⅱ。

13.根据权利要求12所述基于金属正极的电池，其特征在于：

所述枝晶抑制层Ⅱ复合在所述正极上，或所述枝晶抑制层Ⅱ复合在所述固态离子导体上。

14.一种基于金属正极的叠层电池，其特征在于：

包括至少两个层叠在一起的如权利要求6-13任一项所述的电池；

相邻两个所述电池中，其中一个所述电池的正极与另一个所述电池的负极之间相邻设置，且该相邻的所述正极与负极之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板；或，

相邻两个所述电池中，其中一个所述电池的正极与另一个所述电池的正极之间相邻设置，或其中一个所述电池的负极与另一个所述电池的负极之间相邻设置，该相邻的两个所述正极之间或该相邻的两个所述负极之间设有电子导电但离子隔离的双极集流板。

Images