一种锂碳复合负极片及其制备方法和锂二次电池技术

一种锂碳复合负极片及其制备方法和锂二次电池，所述碳复合负极片采用以下方法制备：将掺氮碳材料、粘结剂和溶剂搅拌配制成均匀的浆料，涂布于集流体上；烘干溶剂，得到集流体表面上形成有掺氮碳材料层的极片；在掺氮碳材料层中嵌锂，使金属锂嵌入到掺氮碳材料层的孔隙中。得到的锂碳复合负极片，包括集流体，所述集流体上具有掺氮碳材料层，所述掺氮碳材料层的孔隙中嵌有金属锂。本发明专利技术制得的负极片可有效抑制锂枝晶，防止电池短路，应用于锂二次电池中可以显著提高电池的安全性能以及循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂碳复合负极片及其制备方法和锂二次电池
本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种锂碳复合负极片及其制备方法，和使用该锂碳复合负极片的锂二次电池。
技术介绍
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长及环境友好等特点，已广泛应用于各种消费类电子产品及电动交通工具中，并在大型储能领域显示出良好的应用前景。目前锂离子电池的负极材料多为石墨，由于石墨的理论比容量有限，使得锂离子电池能量密度的提高面临瓶颈。金属锂负极由于具有非常高的理论比容量(3861mAh/g)，用做锂电池负极可以提高电池能量密度。但是与石墨负极充放电时锂离子在石墨片层中发生嵌入和脱出的过程不同，金属锂负极在充放电时发生的是锂的化学沉积和溶解的过程，这种沉积和溶解过程会带来相当大的体积变化，且会发生不均匀沉积，产生锂枝晶刺破隔膜，导致短路的安全事故，限制了金属锂负极的商业化应用。为了解决金属锂负极应用中的锂枝晶问题，研究人员通过对金属锂表面进行处理，形成各种保护层，获得了一定的效果。公开号为CN104966814A的中国专利技术专利申请公开了一种高安全性的金属锂负极及其制备方法，该方法采用厚度为0.02～0.2μm的硅基保护层蒸镀在锂粉末多孔电极上，以此提高金属锂负极的安全性。公开号为CN106159200A的中国专利技术专利申请公开了一种具有保护涂层的金属锂负极及其制备和应用，采用组装分子层和无机快离子导体层在金属锂负极活性物质层表面构建固态电解质界面膜，以此达到抑制锂枝晶的目的。公开号为CN105489944A的中国专利技术专利申请公开了采用金属锂做负极的全固态电池制备方法，在金属锂表面涂覆负极材料薄层来抑制锂枝晶。公开号为CN105489845A的中国专利技术专利申请公开了一种基于PVD制备全固态锂离子电池用薄层金属锂基负极的方法，在薄层金属锂基负极材料表面沉积薄层金属保护层，从而抑制锂枝晶。公开号为CN105280886A的中国专利技术专利申请公开了金属锂负极表面原位处理方法与应用，通过少量含磷酸类物质的处理液与金属锂及其表面的钝化层反应生成以磷酸锂为主的界面保护层，以此抑制锂枝晶。公开号为CN105845891A的中国专利技术专利申请公开了一种具有双层结构的金属锂负极，该金属锂负极由底层的金属锂层及上层的表面覆盖层构成，表面覆盖层为碳材料、聚合物材料和玻璃纤维中的一种或几种。以上金属锂负极的制备方法均可在一定程度上抑制锂枝晶，然而锂金属在充放电过程中不断地沉积和溶解会导致负极片厚度的巨大变化，最终导致保护层破裂而失效，且负极片巨大的厚度变化会对电池产生巨大的应力变化导致电池结构破坏失效，采用这些负极制备的二次电池的安全性能及循环性能仍有待进一步改善。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可抑制锂枝晶，并且可以避免充放电过程中极片厚度发生变化的锂碳复合负极片及其制备方法，以及提供一种可提高安全性能及循环性能的锂二次电池。为了实现上述目的，本专利技术采取如下的技术解决方案：一种锂碳复合负极片，包括集流体，所述集流体上具有掺氮碳材料层，所述掺氮碳材料层的孔隙中嵌有金属锂。进一步的，所述掺氮碳材料层的厚度为1～100μm。进一步的，所述掺氮碳材料是氮掺杂碳纳米管、氮掺杂石墨烯、氮掺杂的硬炭、氮掺杂的软炭、氮掺杂的活性炭、氮掺杂的碳纤维中的一种或几种。前述锂碳复合负极片的制备方法，包括以下步骤：将掺氮碳材料、粘结剂和溶剂搅拌配制成均匀的浆料，涂布于集流体上；烘干溶剂，得到集流体表面上形成有掺氮碳材料层的极片；在掺氮碳材料层中嵌锂，使金属锂嵌入到掺氮碳材料层的孔隙中。进一步的，配置浆料时掺氮碳材料的用量占干物料总质量的50％以上。优选的，掺氮碳材料的用量大于80％。进一步的，通过真空蒸镀法或电镀法在所述掺氮碳材料层中嵌锂。锂二次电池，包括正极片、负极片及电解质，负极片为采用前述制备方法制得的锂碳复合负极片。进一步的，所述正极片所采用的正极活性物质为磷酸铁锂或钴酸锂或镍钴锰三元材料或锰酸锂或镍钴铝三元材料或镍锰酸锂或富锂锰基材料或硫碳复合正极材料。由以上技术方案可知，本专利技术在集流体上形成掺氮碳材料层，其中的氮掺杂碳材料作为骨架材料，将金属锂嵌入骨架材料的空隙中形成锂碳复合材料，骨架材料起到很好的支撑作用，可以消除负极片在充放电过程中的厚度变化，减小极片因厚度变化产生的应变；同时设置特定厚度的掺氮碳材料层，氮掺杂的碳材料导电性比普通的碳材料高，且氮掺杂的碳材料与金属锂的亲和性高于普通的碳材料，可诱导金属锂在骨架材料上的均匀成核，抑制锂枝晶，防止电池短路。将本专利技术的负极片应用于锂二次电池中可以提高电池的安全性能以及循环性能。附图说明图1为本专利技术锂碳复合负极的结构示意图。以下结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细地说明具体实施方式为了让本专利技术的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本专利技术实施例，做详细说明如下。如图1所示，本专利技术的锂碳复合负极片包括：集流体1，涂布于集流体1表面上的掺氮碳材料层2，嵌入掺氮碳材料层2孔隙中的金属锂3。其制备方法如下：将掺氮碳材料、粘结剂和溶剂搅拌配制成均匀的浆料，涂布于集流体1上；烘干溶剂后得到集流体1表面形成有掺氮碳材料层2的极片；通过真空蒸镀法或电镀法在掺氮碳材料层2中嵌锂，使金属锂3嵌入到掺氮碳材料层2的孔隙中。掺氮碳材料层2的厚度可为1～100μm，掺氮碳材料可以是氮掺杂碳纳米管、氮掺杂石墨烯、氮掺杂的硬炭、氮掺杂的软炭、氮掺杂的活性炭、氮掺杂的碳纤维中的一种或几种。本专利技术的浆料的配制遵循常规的锂离子电池的浆料配制方法制成，先将粘结剂(PVDF等)通过机械搅拌，均匀分散到溶剂中，然后再加入活性材料(掺氮碳材料)，充分地机械搅拌形成均匀的浆料。浆料中各组分的配比(掺氮碳材料与粘结剂的用量比例)无特殊要求，但掺氮碳材料作为主要活性物质，其用量占干物料总质量的50％以上，干物料总质量为掺氮碳材料+粘结剂+分散剂(含分散剂时)的质量。更优的，掺氮碳材料的用量大于80％。浆料的固含量无特定要求，可根据需要调整溶剂的含量从而调整浆料固含量，固含量通常低于60％，只需要保证浆料的状态可方便地涂布即可。可根据需要添加分散剂(例如PVP等)帮助分散以获得均匀的浆料，粘结剂或分散剂起到改善浆料状态、方便涂布的辅助作用。配置浆料所用的粘结剂可以为PVDF、SBR、PTFE、丙烯酸树脂型粘结剂等常规的用于锂离子电池正/负极浆料中的粘结剂，溶剂可为NMP、水等可以用于分散粘结剂和掺氮碳材料的常规溶剂。本专利技术的锂碳复合负极片配合常规正极片、隔膜以及电解液(若用固态电解质则可不用隔膜)即可制成锂二次电池。正极片所采用的正极活性物质可为磷酸铁锂或钴酸锂或镍钴锰三元材料或锰酸锂或镍钴铝三元材料或镍锰酸锂或富锂锰基材料或硫碳复合正极材料。下面通过具体实施例和对比例对本专利技术作进一步的说明。下述说明中所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均为常规试剂、常规材料以及常规仪器，均可商购获得，所涉及的试剂也可通过常规合成方法合成获得。实施例1先将0.5kg的PVDF干粉加入到5kg的NMP溶剂中，通过机械搅拌分散均匀，再加入4.5kg的氮掺杂碳纳米管，通过机械搅拌混合形成均匀的浆料，涂布于铜箔集流体上；烘干溶剂后得到涂层厚度为1μm的氮掺杂碳纳米管极片；然本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂碳复合负极片，包括集流体，其特征在于：所述集流体上具有掺氮碳材料层，所述掺氮碳材料层的孔隙中嵌有金属锂。

【技术特征摘要】
1.一种锂碳复合负极片，包括集流体，其特征在于：所述集流体上具有掺氮碳材料层，所述掺氮碳材料层的孔隙中嵌有金属锂。2.如权利要求1所述的锂碳复合负极片，其特征在于：所述掺氮碳材料层的厚度为1～100μm。3.如权利要求1或2所述的锂碳复合负极片，其特征在于：所述掺氮碳材料是氮掺杂碳纳米管、氮掺杂石墨烯、氮掺杂的硬炭、氮掺杂的软炭、氮掺杂的活性炭、氮掺杂的碳纤维中的一种或几种。4.如权利要求1至3任一项所述的锂碳复合负极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将掺氮碳材料、粘结剂和溶剂搅拌配制成均匀的浆料，涂布于集流体上；烘干溶剂，得到集流体表面上形成有掺氮碳材料层的极片；在掺氮碳材料层中嵌锂，使金属锂嵌入到掺氮碳材料层...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟，徐延铭，李俊义，李素丽，
申请(专利权)人：珠海光宇电池有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44