[go: up one dir, main page]

CN117936922A - 复合结构及其制备方法和应用 - Google Patents

复合结构及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN117936922A
CN117936922A CN202410114771.7A CN202410114771A CN117936922A CN 117936922 A CN117936922 A CN 117936922A CN 202410114771 A CN202410114771 A CN 202410114771A CN 117936922 A CN117936922 A CN 117936922A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
lithium
current collector
conductive carbon
solid electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202410114771.7A
Other languages
English (en)
Inventor
李云明
马勇
胡波剑
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Svolt Energy Technology Co Ltd
Original Assignee
Svolt Energy Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Svolt Energy Technology Co Ltd filed Critical Svolt Energy Technology Co Ltd
Priority to CN202410114771.7A priority Critical patent/CN117936922A/zh
Publication of CN117936922A publication Critical patent/CN117936922A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H01M4/1395—Processes of manufacture of electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/665—Composites
    • H01M4/666—Composites in the form of mixed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/80—Porous plates, e.g. sintered carriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种复合结构及其制备方法和应用。一种复合结构，包括集流体、金属锂沉积诱导材料、导电碳层和固态电解质层；集流体具有多孔结构，金属锂沉积诱导材料位于集流体的多孔结构中；导电碳层位于具有所述金属锂沉积诱导材料的集流体的两侧表面，固态电解质层位于导电碳层的表面。本发明的复合结构，通过在三维集流体预留金属锂沉积空间，构建沉金属锂沉积诱导材料层，以实现金属锂沉积行为的精确诱导，结合导电碳层与固态电解质层的构建，可解决无负极的枝晶问题、与电解质持续副反应问题，缓解金属锂沉积的体积效应；有助于提高电池的首效、循环性能和倍率性能。

Description

复合结构及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种复合结构及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池由于具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优势而成为消费类电子电池与新能源汽车动力电池的首选，但现有锂离子电池使用的石墨或掺硅负极的比容量低，限制了其能量密度的进一步提升。
金属锂负极具有3860mAh/g的比容量，其使用将使锂电池的能量密度得到大幅提升，更进一步将金属锂去掉得到的无负极是目前通过调整负极能够实现的最高能量密度，其使用将使电芯的能量密度突破700Wh/kg，但金属锂负极与无负极存在的枝晶问题、与电解质的副反应问题及体积膨胀效应，限制了其商业化应用。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种复合结构，以解决现有的金属锂负极与无负极存在的枝晶问题、与电解质的副反应问题及体积膨胀效应。本发明的复合结构有利于提高电池的首效、库伦效率和循环性能。
本发明的另一个目的在于提供一种所述的复合结构的制备方法，该方法简单易行，得到的复合结构可更好地改善电池的电化学性能。
本发明的另一个目的在于提供一种电池，具有优异的首效、库伦效率和循环性能。
本发明的另一个目的在于提供一种用电设备。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种复合结构，包括集流体、金属锂沉积诱导材料、导电碳层和固态电解质层；所述集流体具有多孔结构，所述金属锂沉积诱导材料位于所述集流体的多孔结构中；所述导电碳层位于具有所述金属锂沉积诱导材料的所述集流体的两侧表面，所述固态电解质层位于所述导电碳层远离所述集流体的表面。
在一种实施方式中，所述集流体的孔隙率为50％～90％，所述多孔结构的孔径为0.1～5mm。
在一种实施方式中，所述多孔结构包括垂直通孔和相互交联的曲线孔结构中的至少一种。
在一种实施方式中，所述集流体的材质包括铜、钢和镍中的至少一种。
在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料选自能与锂金属发生合金反应的元素；所述金属锂沉积诱导材料选自铝、硼、锡、锑、铟、镁、银、硅和金中的至少一种。
在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料的粒径为1～200nm。
在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料的面容量为正极面容量的5％～80％。
在一种实施方式中，所述导电碳层包括导电碳与粘结剂；所述粘结剂的质量占所述导电碳层的质量的1％～5％。
在一种实施方式中，所述导电碳层中，导电碳包括炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳管和石墨稀的至少一种。
在一种实施方式中，所述导电碳层中，粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、丁腈橡胶和聚丙烯酸酯的至少一种。
在一种实施方式中，所述导电碳层的厚度为5～10μm。
在一种实施方式中，单侧的所述固态电解质层为一层或者多层；所述固态电解质层包括聚合物层和/或无机层。
在一种实施方式中，当所述固态电解质层为一层时，所述固态电解质层为聚合物层；当所述固态电解质层为两层时，所述固态电解质层包括聚合物层和无机层，所述聚合物层靠近所述集流体；当所述固态电解质层为三层时，所述固态电解质层包括依次设置的无机层、聚合物层和无机层。
在一种实施方式中，所述聚合物层中还含有锂盐；所述锂盐的质量占所述聚合物层的质量的10％～60％。
在一种实施方式中，所述聚合物层中的锂盐包括六氟磷酸锂、高氯酸锂、双(氟磺酰基)亚胺锂、双三氟甲基磺酸亚酰胺锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂和四氟硼酸锂中的至少一种。
在一种实施方式中，所述聚合物层的材质包括聚醚类、聚碳酸酯、聚羧酸酯、聚磷酸酯和聚硅氧烷的至少一种。
在一种实施方式中，所述无机层的材质包括氟化锂、氮化锂、硫化锂、硝酸锂和锂磷氧氮中的至少一种。
在一种实施方式中，所述聚合物层的厚度为0.2～5μm。
在一种实施方式中，所述无机层的厚度为10～500nm。
如上所述的复合结构的制备方法，包括以下步骤：
在集流体基体上制作多孔结构；将金属锂沉积诱导材料沉积在集流体上，得到复合集流体；在所述复合集流体的两侧表面涂覆导电碳层；在所述导电碳层的表面制备固态电解质层。
在一种实施方式中，所述多孔结构的制作方法包括物理刻蚀法、三维打印构建和化学刻蚀法中的至少一种。
在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料的沉积方法包括热蒸发、磁控溅射和电子束溅射中的至少一种。
一种电池，包括所述的复合结构、正极片、电解液和隔膜。
在一种实施方式中，所述正极片中，正极活性材料包括镍钴锰酸锂三元材料、磷酸铁锂、锰酸锂、磷酸铁锰锂和镍锰酸锂中的至少一种。
一种用电设备，包括所述的电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的复合结构，通过在三维集流体预留金属锂沉积空间，构建沉金属锂沉积诱导材料层，实现金属锂沉积行为的精确诱导，结合导电碳层与固态电解质层的构建，可解决无负极的枝晶问题、与电解质持续副反应问题，缓解金属锂沉积的体积效应；有助于提高电池的首效、循环性能和倍率性能。
(2)本发明的复合结构的制备方法简单易行，得到的复合结构具有优异的电化学性能。
(3)本发明的电池具有优异的容量、循环性能和安全性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的复合结构的示意图。
附图标记：
1-集流体、2-金属锂沉积诱导材料、3-导电碳层、4-固态电解质层。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
根据本发明的一个方面，本发明涉及一种复合结构，包括集流体、金属锂沉积诱导材料、导电碳层和固态电解质层；所述集流体具有多孔结构，所述金属锂沉积诱导材料位于所述集流体的多孔结构中；所述导电碳层位于具有所述金属锂沉积诱导材料的所述集流体的至少一侧表面，所述固态电解质层位于所述导电碳层远离所述集流体的表面。
本发明的复合结构，通过在三维集流体预留金属锂沉积空间，构建沉金属锂沉积诱导材料层，实现金属锂沉积行为的精确诱导，导电碳层为金属锂沉积提供缓冲空间，固态电解质层隔绝与电解液的接触抑制副反应和锂枝晶生长，复合结构具有高能量密度和长寿命，有利于提高电池的电化学性能。
在一种实施方式中，所述集流体的孔隙率为50％～90％，包括但不限于为50％、55％、60％、65％、70％、75％、70％、80％或90％等。所述多孔结构的孔径为0.1～5mm，包括但不限于为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm、4.5mm或5mm等。本发明的集流体具有适宜的孔隙率和孔径，进而保证复合结构的力学性能及电化学性能。
在一种实施方式中，所述多孔结构包括垂直通孔和相互交联的曲线孔结构中的至少一种。在一种实施方式中，所述多孔结构为垂直通孔或相互交联的曲线孔结构，或者垂直通孔和相互交联的曲线孔结构的组合。
在一种实施方式中，所述集流体的材质包括铜、钢和镍中的至少一种。所述集流体可以为铜集流体、钢集流体或镍集流体，或者铜集流体、钢集流体和镍集流体中至少两种的复合集流体。
在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料选自能与锂金属发生合金反应的元素；所述金属锂沉积诱导材料选自铝、硼、锡、锑、铟、镁、银、硅和金中的至少一种。在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料选自上述中的任意一种或者至少两种的组合，例如锑和铟的组合，镁和银的组合，铝、硼和锡的组合等。
在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料的粒径为1～200nm，包括但不限于为1nm、5nm、10nm、20nm、30nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、150nm、180nm或200nm等。本发明的金属锂沉积诱导材料具有适宜的粒径，进而保证得到的复合结构的高能量密度。
在一种实施方式中，金属锂沉积诱导材料的面密度根据正极的面容量决定。在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料的面容量为正极面容量的5％～80％，包括但不限于为5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％等。通过限定金属锂沉积诱导材料的面容量占正极面容量的比例，进而使复合结构具有更佳的电化学性能。
在一种实施方式中，所述导电碳层包括导电碳与粘结剂；所述粘结剂的质量占所述导电碳层的质量的1％～5％，例如1％、2％、3％、4％或5％等。所述导电碳层中，导电碳包括炭黑(SP)、乙炔黑、科琴黑、碳管和石墨稀的至少一种；在一种实施方式中，导电碳选自上述中的任意一种或者至少两种的组合，例如炭黑和乙炔黑的组合，乙炔黑、科琴黑和碳管的组合，碳管和石墨稀的组合等。在一种实施方式中，所述导电碳层中，粘结剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、丁腈橡胶和聚丙烯酸酯的至少一种；在一种实施方式中，粘结剂选自上述中的任意一种，或者至少两种的组合，例如聚四氟乙烯和羧甲基纤维素钠的组合，丁苯橡胶和丁腈橡胶的组合，聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶的组合等。
在一种实施方式中，所述导电碳层的厚度为5～10μm，包括但不限于为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm等；本发明采用适宜的导电碳层与集流体、固态电解质层配合，进而保证复合结构的电化学性能。
在一种实施方式中，单侧的所述固态电解质层为一层或者多层；所述固态电解质层包括聚合物层和/或无机层；在一种实施方式中，当所述固态电解质层为一层时，所述固态电解质层为聚合物层。当所述固态电解质层为两层时，所述固态电解质层包括聚合物层和无机层，所述聚合物层靠近所述集流体。当所述固态电解质层为三层时，所述固态电解质层包括依次设置的无机层、聚合物层和无机层。
在一种实施方式中，所述聚合物层中还含有锂盐；所述锂盐的质量占所述聚合物层的质量的10％～60％，例如10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％等。所述聚合物层中的锂盐包括六氟磷酸锂、高氯酸锂、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)、双三氟甲基磺酸亚酰胺锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂和四氟硼酸锂中的至少一种；在一种实施方式中，所述所述聚合物层中的锂盐选自上述中的任意一种，或者至少两种的组合，例如六氟磷酸锂和高氯酸锂的组合，双三氟甲基磺酸亚酰胺锂和二氟草酸硼酸锂的组合，二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂和二草酸硼酸锂的组合等。
在一种实施方式中，所述聚合物层的材质包括聚醚类、聚碳酸酯、聚羧酸酯、聚磷酸酯和聚硅氧烷的至少一种，例如上述中任意一种或者至少两种的组合，例如聚醚类和聚碳酸酯的复合层叠体，聚碳酸酯、聚羧酸酯和聚磷酸酯的组合等。在一种实施方式中，所述聚合物层的厚度为0.2～5μm，例如0.2μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm或5μm等。
在一种实施方式中，所述无机层的材质包括氟化锂、氮化锂、硫化锂、硝酸锂和锂磷氧氮中的至少一种。在一种实施方式中，所述无机层的材质选自上述中的任意一种，或者至少两种的组合，例如氟化锂和氮化锂的组合，氮化锂、硫化锂和硝酸锂的组合等。在一种实施方式中，所述无机层的厚度为10～500nm，例如10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm等。
在一种实施方式中，所述的复合结构的制备方法，包括以下步骤：
在集流体基体上制作多孔结构；将金属锂沉积诱导材料沉积在集流体上，得到复合集流体；在所述复合集流体的两侧表面涂覆导电碳层；在所述导电碳层的表面制备固态电解质层。
本发明的复合结构的制备方法简单易行，得到的复合结构具有优异的电化学性能。
在一种实施方式中，所述多孔结构的制作方法包括物理刻蚀法、三维打印构建和化学刻蚀法中的至少一种。本发明的物理刻蚀法、三维打印构建和化学刻蚀法可为现有技术中常规的方法步骤。
在一种实施方式中，所述金属锂沉积诱导材料的沉积方法包括热蒸发、磁控溅射和电子束溅射中的至少一种。本发明的热蒸发、磁控溅射和电子束溅射采用常规的方法步骤，使金属锂沉积诱导材料进行沉积。
根据本发明的另一个方面，本发明还涉及一种电池，包括所述的复合结构、正极片、电解液和隔膜。
本发明的电池具有优异的循环性能、倍率性能和安全性能。
本发明的复合结构可应用于现有液体电解质体系，也可以应用于全固态或半固态电解质体系。
在一种实施方式中，所述正极片中，正极活性材料包括镍钴锰酸锂三元材料、磷酸铁锂、锰酸锂、磷酸铁锰锂和镍锰酸锂中的至少一种。
根据本发明的另一个方面，本发明还涉及一种用电设备，包括所述的电池。所述用电设备包括电动汽车等。
下面结合具体的实施例、对比例进一步解释说明。
实施例1
一种复合结构，如图1所示，包括集流体1、金属锂沉积诱导材料2、导电碳层3和固态电解质层4；所述集流体1具有多孔结构，所述金属锂沉积诱导材料2位于所述集流体1的表面及多孔结构中；所述导电碳层3位于具有所述金属锂沉积诱导材料2的所述集流体1的两侧表面，所述固态电解质层4位于所述导电碳层3的表面。
所述集流体1的孔隙率为70％，所述多孔结构的平均孔径为2mm；所述多孔结构包括垂直通孔和相互交联的曲线孔结构；所述集流体1的材质为钢。
所述金属锂沉积诱导材料2选自银；所述金属锂沉积诱导材料2的平均粒径为20nm；所述金属锂沉积诱导材料2的密度为1mg/cm2。
所述导电碳层3包括导电碳与粘结剂；所述粘结剂的质量占所述导电碳层3的质量的4％，所述导电碳层3的厚度为10μm；导电碳为SP，粘结剂为PVDF。
所述固态电解质层4为一层，所述固态电解质层4为聚合物层；所述聚合物层中还含有锂盐；所述锂盐的质量占所述聚合物层的质量的40％。固态电解质层4的厚度为2μm。
本实施例中的复合结构的制备方法，包括以下步骤：
在8μm的钢箔集流体1基体上通过酸化学腐蚀制作孔隙率为70％的多孔结构；在集流体1中蒸镀金属锂诱导材料，形成面密度为1mg/cm2的银颗粒，得到复合集流体1。在所述复合集流体1的两侧表面涂覆厚度为10μm导电碳层3，配方为SP:PVDF＝96:4；再在所述导电碳层3的表面制备固态电解质层4，其为厚度为2μm的80万分子量的含40％LiFSI锂盐的聚环氧乙醚固态聚合物电解质层。
实施例2
一种复合结构，包括集流体1、金属锂沉积诱导材料2、导电碳层3和固态电解质层4；所述集流体1具有多孔结构，所述金属锂沉积诱导材料2位于所述集流体1的表面及多孔结构中；所述导电碳层3位于具有所述金属锂沉积诱导材料2的所述集流体1的两侧表面，所述固态电解质层4位于所述导电碳层3的表面。
所述集流体1的孔隙率为60％，所述多孔结构的平均孔径为5mm；所述多孔结构包括垂直通孔和相互交联的曲线孔结构；所述集流体1的材质为铜。
所述金属锂沉积诱导材料2选自锡；所述金属锂沉积诱导材料2的平均粒径为200nm；所述金属锂沉积诱导材料2的密度为0.8mg/cm2。
所述导电碳层3包括导电碳与粘结剂；所述粘结剂的质量占所述导电碳层3的质量的4％，所述导电碳层3的厚度为8μm，导电碳为SP和石墨烯，粘结剂为PVDF。
所述固态电解质层4为一层，所述固态电解质层4为聚合物层；所述聚合物层中还含有锂盐；所述锂盐的质量占所述聚合物层的质量的40％。固态电解质层4的厚度为2μm。
本实施例中的复合结构的制备方法，包括以下步骤：
在6μm的铜箔集流体1基体上通过化学腐蚀制作孔隙率为60％的多孔结构；在集流体1中蒸镀金属锂诱导材料，形成面密度为0.6mg/cm2的锡颗粒，得到复合集流体1；在所述复合集流体1的两侧表面涂覆厚度为8μm导电碳层3，配方为SP:石墨烯：PVDF＝90:6:4；再在所述导电碳层3的表面制备固态电解质层4，其为厚度为2μm的80万分子量的含40％LiFSI锂盐的聚环氧乙醚固态聚合物电解质层。
实施例3
一种复合结构的制备方法，除所述集流体1的孔隙率为50％，其他条件同实施例1。
实施例4
一种复合结构的制备方法，除所述集流体1的孔隙率为90％，其他条件同实施例1。
实施例5
一种复合结构的制备方法，除金属锂沉积诱导材料2选自铟和锡，铟和锡的质量比为1：3，其他条件同实施例1。
实施例6
一种复合结构的制备方法，除导电碳层3的厚度为5μm；所述固态电解质层4包括聚合物层和无机层，所述聚合物层靠近所述集流体1，无机层的材质为氟化锂，聚合物层的材质为聚碳酸酯，单侧固态电解质层4的厚度为2.5μm，利用磁控溅射制备的无机层厚度为100nm，所述锂盐的质量占所述聚合物层的质量的60％，其他条件同实施例1。
实施例7
一种复合结构的制备方法，除所述固态电解质层4为三层，所述固态电解质层4为依次设置的无机层、聚合物层和无机层；聚合物层的聚合物为聚羧酸酯，无机层的材质为氮化锂；聚合物层中掺杂的锂盐为质量比为1:1的二氟草酸硼酸锂和四氟硼酸锂，锂盐的质量占聚合物层质量的20％，聚合物层的厚度为5μm，利用磁控溅射制备的无机层的厚度为500nm，其他条件同实施例1。
对比例1
以6μm铜箔为负极片。
实验例
将各实施例的复合结构与对比例1的负极分别制备成电池，具体包括：
正极制备；将NCM811、导电炭黑SP、碳纳米管CNT和PVDF在NMP溶剂中混合均匀后制备浆料，NCM811、SP、CNT和PVDF的质量比为95：2：1：2，烘干辊压后形成正极极片；隔膜选取9μmPE基膜加2μm的勃姆石涂层；电解液：1MLiFSI溶解在DME和TTE(体积比为4：6)的溶剂中。
电池组装：将各实施例的复合结构、对比例的负极片分别与以上正极、隔膜、电解液制备1Ah软包电池进行性能测试。首效以0.33C放电容量除首周0.1C充电容量计算；循环倍率为0.5C/0.5C；体积形变为电芯满电态厚度除以原始厚度。
电池的性能测试结果如表1所示。
表1电池的性能测试结果
由表1可知，本发明的方法得到的电池具有优异的首效，库伦效率和循环性能。优于对比例1的负极得到的电池的首效，库伦效率和循环性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种复合结构，其特征在于，包括集流体、金属锂沉积诱导材料、导电碳层和固态电解质层；所述集流体具有多孔结构，所述金属锂沉积诱导材料位于所述集流体的多孔结构中；所述导电碳层位于具有所述金属锂沉积诱导材料的所述集流体的两侧表面，所述固态电解质层位于所述导电碳层远离所述集流体的表面。
2.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：
(1)所述集流体的孔隙率为50％～90％，所述多孔结构的孔径为0.1～5mm；
(2)所述多孔结构包括垂直通孔和相互交联的曲线孔结构中的至少一种；
(3)所述集流体的材质包括铜、钢和镍中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：
(1)所述金属锂沉积诱导材料选自能与锂金属发生合金反应的元素；所述金属锂沉积诱导材料选自铝、硼、锡、锑、铟、镁、银、硅和金中的至少一种；
(2)所述金属锂沉积诱导材料的粒径为1～200nm；
(3)所述金属锂沉积诱导材料的面容量为正极面容量的5％～80％。
4.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：
(1)所述导电碳层包括导电碳与粘结剂；所述粘结剂的质量占所述导电碳层的质量的1％～5％；
(2)所述导电碳层中，导电碳包括炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳管和石墨稀的至少一种；
(3)所述导电碳层中，粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、丁腈橡胶和聚丙烯酸酯的至少一种；
(4)所述导电碳层的厚度为5～10μm。
5.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，包含以下特征(1)至(8)中的至少一种：
(1)单侧的所述固态电解质层为一层或者多层；所述固态电解质层包括聚合物层和/或无机层；
(2)当所述固态电解质层为一层时，所述固态电解质层为聚合物层；当所述固态电解质层为两层时，所述固态电解质层包括聚合物层和无机层，所述聚合物层靠近所述集流体；当所述固态电解质层为三层时，所述固态电解质层包括依次设置的无机层、聚合物层和无机层；
(3)所述聚合物层中还含有锂盐；所述锂盐的质量占所述聚合物层的质量的10％～60％；
(4)所述聚合物层中的锂盐包括六氟磷酸锂、高氯酸锂、双(氟磺酰基)亚胺锂、双三氟甲基磺酸亚酰胺锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂和四氟硼酸锂中的至少一种；
(5)所述聚合物层的材质包括聚醚类、聚碳酸酯、聚羧酸酯、聚磷酸酯和聚硅氧烷的至少一种；
(6)所述无机层的材质包括氟化锂、氮化锂、硫化锂、硝酸锂和锂磷氧氮中的至少一种；
(7)所述聚合物层的厚度为0.2～5μm；
(8)所述无机层的厚度为10～500nm。
6.权利要求1～5中任一项所述的复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在集流体基体上制作多孔结构；将金属锂沉积诱导材料沉积在集流体上，得到复合集流体；在所述复合集流体的两侧表面涂覆导电碳层；在所述导电碳层的表面制备固态电解质层。
7.根据权利要求6所述的复合结构的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的至少一种：
(1)所述多孔结构的制作方法包括物理刻蚀法、三维打印构建法和化学刻蚀法中的至少一种；
(2)所述金属锂沉积诱导材料的沉积方法包括热蒸发、磁控溅射和电子束溅射中的至少一种。
8.一种电池，其特征在于，包括复合结构、正极片、电解液和隔膜；所述复合结构为权利要求1～5中任一项所述的复合结构，或者权利要求6或7中所述的复合结构的制备方法制备得到的复合结构。
9.根据权利要求8所述的电池，其特征在于，所述正极片中，正极活性材料包括镍钴锰酸锂三元材料、磷酸铁锂、锰酸锂、磷酸铁锰锂和镍锰酸锂中的至少一种。
10.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求8或9所述的电池。
CN202410114771.7A 2024-01-26 2024-01-26 复合结构及其制备方法和应用 Pending CN117936922A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410114771.7A CN117936922A (zh) 2024-01-26 2024-01-26 复合结构及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410114771.7A CN117936922A (zh) 2024-01-26 2024-01-26 复合结构及其制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117936922A true CN117936922A (zh) 2024-04-26

Family

ID=90750785

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202410114771.7A Pending CN117936922A (zh) 2024-01-26 2024-01-26 复合结构及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117936922A (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103718337A (zh) * 2011-06-17 2014-04-09 赛昂能源有限公司 用于电极的电镀技术
CN106463682A (zh) * 2014-04-30 2017-02-22 罗伯特·博世有限公司 用于金属锂阳极的保护层系统
CN107681115A (zh) * 2016-08-01 2018-02-09 北京好风光储能技术有限公司 一种锂浆料电池的负极片
CN110350151A (zh) * 2018-04-06 2019-10-18 通用汽车环球科技运作有限责任公司 含锂电极的保护涂层及其制造方法
CN112803012A (zh) * 2021-03-25 2021-05-14 清陶(昆山)能源发展股份有限公司 一种锂离子电池负极及其制备方法、应用和锂离子电池
CN113471406A (zh) * 2020-03-30 2021-10-01 宁德新能源科技有限公司 负极极片与包含其的电化学装置
CN114695897A (zh) * 2020-12-31 2022-07-01 华为技术有限公司 负极集流体及其制备方法和锂金属电池
CN114846646A (zh) * 2020-04-27 2022-08-02 株式会社Lg新能源 涂布有亲锂材料的锂二次电池用负极及其制造方法
CN218677201U (zh) * 2022-09-15 2023-03-21 上海国轩新能源有限公司 集流体结构及锂电池
CN115911400A (zh) * 2022-11-19 2023-04-04 北京新能源汽车股份有限公司 负极集流体、电芯、电池包、车辆和负极集流体的加工方法
CN116169250A (zh) * 2021-11-24 2023-05-26 芯量科技股份有限公司 复合负极结构
WO2023164794A1 (zh) * 2022-03-01 2023-09-07 宁德新能源科技有限公司 电化学装置及包含该电化学装置的电子装置

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103718337A (zh) * 2011-06-17 2014-04-09 赛昂能源有限公司 用于电极的电镀技术
CN106463682A (zh) * 2014-04-30 2017-02-22 罗伯特·博世有限公司 用于金属锂阳极的保护层系统
CN107681115A (zh) * 2016-08-01 2018-02-09 北京好风光储能技术有限公司 一种锂浆料电池的负极片
CN110350151A (zh) * 2018-04-06 2019-10-18 通用汽车环球科技运作有限责任公司 含锂电极的保护涂层及其制造方法
CN113471406A (zh) * 2020-03-30 2021-10-01 宁德新能源科技有限公司 负极极片与包含其的电化学装置
CN114846646A (zh) * 2020-04-27 2022-08-02 株式会社Lg新能源 涂布有亲锂材料的锂二次电池用负极及其制造方法
CN114695897A (zh) * 2020-12-31 2022-07-01 华为技术有限公司 负极集流体及其制备方法和锂金属电池
CN112803012A (zh) * 2021-03-25 2021-05-14 清陶(昆山)能源发展股份有限公司 一种锂离子电池负极及其制备方法、应用和锂离子电池
CN116169250A (zh) * 2021-11-24 2023-05-26 芯量科技股份有限公司 复合负极结构
WO2023164794A1 (zh) * 2022-03-01 2023-09-07 宁德新能源科技有限公司 电化学装置及包含该电化学装置的电子装置
CN218677201U (zh) * 2022-09-15 2023-03-21 上海国轩新能源有限公司 集流体结构及锂电池
CN115911400A (zh) * 2022-11-19 2023-04-04 北京新能源汽车股份有限公司 负极集流体、电芯、电池包、车辆和负极集流体的加工方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111969214B (zh) 一种异型结构的正极片及包括该正极片的锂离子电池
WO2021223655A1 (zh) 一种正极片、制备方法及包含其的锂离子电池
CN103053063B (zh) 涂布有底漆的正极集电体和包含所述正极集电体的镁二次电池
CN111916666B (zh) 一种异型结构的负极片及包括该负极片的锂离子电池
CN109786817B (zh) 固态锂电池及其应用和制备无纺布增强的固态电解质膜的方法
JP2016510941A (ja) より厚い電極製造を可能にするための多層電池電極設計
JP2016517157A (ja) 固体及び液体の電解質を備えた電気化学セル
CN111463403A (zh) 复合人工固态电解质界面膜修饰的负极材料及其电池应用
CN108807843A (zh) 多层复合负极及其制备方法和包括其的碱金属电池
CN114556611A (zh) 负极和包含所述负极的二次电池
CN107331528A (zh) 多层复合电极及采用该电极的锂离子电池电容
CN110233240A (zh) 一种锂离子电池负极片及其制备方法和锂离子电池
CN101536243A (zh) 蓄电装置
WO2023246795A1 (zh) 负极片、二次电池和用电设备
CN115298852A (zh) 负极和包含它的二次电池
CN117810365B (zh) 一种负极片及其制备方法和应用
CN112952292B (zh) 一种可用于金属锂电池和金属钠电池的复合隔膜及其制备方法以及应用
WO2020188582A1 (en) Iron ion rechargeable battery and method of making thereof
CN117936922A (zh) 复合结构及其制备方法和应用
CN109950454A (zh) 一种锂硫电池功能隔膜及其制备方法
CN115241416A (zh) 一种固态电池复合负极及其制备方法
CN219642868U (zh) 一种电池集流体及锂电池
JP7359491B2 (ja) 電池及びその製造方法
JP7519121B2 (ja) 電池及びその製造方法
CN118039805B (zh) 一种复合锂负极、电池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination