负极结构及锂离子电池的制作方法

1.本技术涉及新能源技术领域，尤其涉及负极结构及锂离子电池。


背景技术：

2.金属锂是高能量密度储能电池的理想负极材料，实现对金属锂负极材料的应用可极大的提高电芯的能量密度。然而，相关技术中的金属锂负极在使用过程中会持续生成锂枝晶，当锂枝晶持续生长至一定程度时，会刺破电芯中的隔膜，进而导致电芯内部短路，容易引发安全问题。


技术实现要素：

3.为解决或部分解决相关技术中存在的问题，本技术提供一种负极结构及锂离子电池，该负极结构对锂枝晶的垂向生长具有限制作用，提升了锂离子电池的安全性。
4.本技术第一方面提供一种负极结构，包括：
5.金属锂片以及贴设于所述金属锂片的集流片；
6.所述集流片包括与所述金属锂片电性接触的第一面以及背离于所述第一面的第二面，所述第二面设有绝缘层；
7.其中，所述集流片设有贯通于所述第一面和所述第二面之间的孔，所述第二面设有保护层，所述保护层上形成有供锂离子通过的微孔结构；
8.所述孔的一端与所述金属锂片相接，另一端与所述保护层相接，所述保护层用于将所述金属锂片上生成的锂枝晶隔离于所述孔内。
9.在其中一个实施例中，所述保护层由刚性材质制成；或
10.所述保护层的材质包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化钛陶瓷或勃姆石。
11.在其中一个实施例中，所述保护层通过辊压工艺涂布于所述集流片的第二面。
12.在其中一个实施例中，所述绝缘层在所述集流片上设于所述孔之外的区域；所述保护层设于所述绝缘层，且覆盖于所述孔背离于所述金属锂片的一端。
13.在其中一个实施例中，所述绝缘层通过将所述集流片的第二面钝化处理形成；或
14.所述绝缘层通过将绝缘材料涂覆于所述第二面形成。
15.在其中一个实施例中，所述集流片的材质包括铜，所述集流片的厚度为3～9微米。
16.在其中一个实施例中，所述集流片上开设有相间隔的多个所述孔，多个所述孔在所述集流片上呈阵列状排布。
17.在其中一个实施例中，所述孔的孔径为20～130微米，多个所述孔在所述集流片上的开孔率为10％～80％。
18.在其中一个实施例中，所述金属锂片的两侧分别与正极相对，所述金属锂片的两侧贴设有所述集流片，所述金属锂片两侧的所述集流片与所述金属锂片共同构造出一体式的夹心结构。
19.本技术第二方面提供一种锂离子电池，包括如上所述的负极结构。
20.本技术提供的技术方案可以包括以下有益效果：
21.本技术实施例提供的锂电池负极，包括金属锂片以及贴设于所述金属锂片的集流片；所述集流片包括与所述金属锂片电性接触的第一面以及背离于所述第一面的第二面，所述第二面设有绝缘层；其中，所述集流片设有贯通于所述第一面和所述第二面之间的孔，所述第二面设有保护层，所述保护层上形成有供锂离子通过的微孔结构；所述孔的一端与所述金属锂片相接，另一端与所述保护层相接，所述保护层用于将所述金属锂片上生成的锂枝晶隔离于所述孔内。这样设置后，保护层对锂枝晶的垂向生长具有限制作用，使得锂枝晶不会刺破锂离子电池内的隔膜，进而能防止锂离子电池内部短路，提升了锂离子电池的安全性。
22.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
23.通过结合附图对本技术示例性实施方式进行更详细的描述，本技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本技术示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
24.图1是本技术实施例示出的负极结构的剖面结构示意图；
25.图2是图1中a处的局部放大示意图；
26.图3是图1中示出的负极结构的集流片的侧视图；
27.图4是图3中示出的集流片的正面视图。
28.附图标记：金属锂片10；集流片20；第一面21；第二面22；孔23；保护层30；锂枝晶40；
具体实施方式
29.下面将参照附图更详细地描述本技术的实施方式。虽然附图中显示了本技术的实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本技术更加透彻和完整，并且能够将本技术的范围完整地传达给本领域的技术人员。
30.应当理解，尽管在本技术可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，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技术的限制。
32.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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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技术中的具体含义。
33.金属锂是高能量密度储能电池的理想负极材料，实现对金属锂负极材料的应用可极大的提高电芯的能量密度。然而，相关技术中的锂离子电芯，金属锂负极在使用过程中会持续生成锂枝晶，当锂枝晶持续生长至一定程度时，会刺破电芯中的隔膜，进而导致电芯内部短路，容易引发安全问题。针对上述问题，本技术实施例提供一种锂电池负极及锂离子电池，能将金属锂片上生成的锂枝晶隔离于所述金属锂片一侧，能避免锂枝晶刺破隔膜导致的短路现象。
34.以下结合附图详细描述本技术实施例的技术方案。
35.图1是本技术实施例示出的负极结构的剖面结构示意图；图2是图1中a处的局部放大示意图。
36.参见图1和图2，本技术实施例提供的锂电池负极，包括金属锂片10以及贴设于金属锂片10的集流片20；集流片20包括与金属锂片10电性接触的第一面21以及背离于第一面21的第二面22，第二面22设有绝缘层；其中，集流片20设有贯通于第一面21和第二面22之间的孔23，第二面22设有保护层30，保护层30上形成有供锂离子通过的微孔结构(未示出)；孔23沿垂直于金属锂片的方向设置，孔23的一端与金属锂片10相接，另一端与保护层30相接，保护层30用于将金属锂片10上生成的锂枝晶40(图2中示出)隔离于孔23内。
37.本实施例提供的方案，保护层30对锂枝晶40的垂向(垂直于金属锂片所在平面的方向)生长具有限制作用，使得锂枝晶40不会刺破锂离子电池内的隔膜，进而能防止锂离子电池内部短路，提升了锂离子电池的安全性。另外，本技术实施例的负极结构能优化锂离子电池的内部结构，利于锂离子电池的能量密度得到进一步提升。
38.锂离子电池一般由正极材料、负极材料、隔膜、电解液四个主要部分组成。隔膜位于正极和负极之间，隔膜上具有微孔结构，可以供锂离子自由通过，而电子不能通过。
39.锂枝晶是锂电池在充电过程中，锂离子还原时形成的树枝状金属锂，相关技术中，锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积，当垂向生长到一定程度时，会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短路，造成电池的热失控，甚至会引发燃烧爆炸等现象。
40.本实施例的集流片20的第一面21直接与金属锂片10电性接触，用以导通电子，在锂电池的充放电过程中，由于集流片20的第二面22设有绝缘层，因此，集流片20的第二面22无法跃迁电子。本实施例方案中，锂离子的扩散方向如图2中的箭头所示，锂离子能穿过保护层30上的微孔结构，经由集流片20上的孔23在金属锂片10表面沉积或脱出。
41.一些实施例中，集流片20可以由导电性能良好的材质制成，例如铜或铝。
42.一些实施例中，金属锂片10的两侧分别与锂离子电池的正极相对，可以在金属锂片10的两侧均贴设集流片20，金属锂片10两侧的集流片20与金属锂片10共同构造出一体式的夹心结构，这样的结构使得负极结构具有良好的整体结构稳定性，装配更为便捷。
43.可以理解地，当金属锂片10的其中一侧对应于正极时，可以仅在对应于正极的其
中一侧设置上述的集流片20及保护层30。
44.继续参见图2，本实施例中，保护层30沿集流片20的第二面22设置且覆盖于孔23背离于金属锂片10的一端，锂离子经由孔23在金属锂片10表面沉积时，当孔23内的锂枝晶40沿垂向生长到一定长度后能被保护层30阻挡，使锂枝晶40被限制在孔23内，进而使锂枝晶无法进一步朝向隔膜的方向生长。
45.一些实施例中，集流片20的形状可配合于金属锂片10的形状设置，例如，当金属锂片10为矩形时，集流片20也可设为矩形。集流片20可以具有特定厚度，例如厚度可以是2～10微米。一些实施例中，集流片20由导电性能良好的材质制成，例如可以是铜箔，在铜箔生产过程中可通过激光冲孔方式制造出特定规格的孔23。
46.图3是图1中示出的负极结构的集流片的侧视图；图4是图3中示出的集流片的正面视图。
47.参见图3和图4，本实施例中，集流片20上开设有相间隔的多个孔23，多个孔23在集流片20上呈阵列状排布，当集流片20为矩形时，多个孔23可以呈矩形阵列状排布。本实施例对多个孔23在集流片上的排布形态可不作限制。一些实施例中，孔23的孔径可以为20～130微米，开孔率可以为10％～80％。
48.绝缘层在集流片20上设于孔23之外的区域，保护层30设于绝缘层，且覆盖于孔23背离于金属锂片10的一端。
49.一些实施例中，绝缘层通过将集流片20的第二面22钝化处理形成。钝化是指金属经强氧化剂或电化学方法氧化处理，使表面形成致密的钝化层，该钝化层的化学性质稳定，具有防腐蚀及绝缘的作用。
50.可以理解地，本实施例的绝缘层不限于通过钝化的处理方式形成，一些实施例中，绝缘层还可以通过将绝缘材料涂覆于第二面22形成。
51.本实施例中，保护层30由刚性材质制成，具体地，保护层30的材质包括氧化铝(al2o3)陶瓷、氧化锆(zro2)陶瓷、氧化钛(tio2)陶瓷或勃姆石。由于以上材质具有较高的硬度，因此能有效避免被锂枝晶刺破，能更为有效地阻挡锂枝晶的垂向生长，而且上述材料化学性质稳定，不参与锂离子电池内部的化学反应。
52.当金属锂片10上的锂枝晶在孔23内垂向生长至一定厚度时，可以与第二面22的保护层30相接触，由于保护层30具有较高的机械强度，可将孔23内的垂向生长的锂枝晶进行阻隔，进而能避免锂枝晶进一步朝隔膜方向生长。
53.另外，氧化铝(al2o3)陶瓷、氧化锆(zro2)陶瓷、氧化钛(tio2)陶瓷或勃姆石制成的保护层30能形成供锂离子通过的微孔结构，该微孔结构可呈蜂窝状构造，微孔结构可充分浸润电解液，能使锂离子可以在微孔结构中自由传输扩散。
54.一些实施例中，由上述材质例如氧化铝制成的保护层30可以通过辊压工艺涂布于第二面22。一种实现方式中，可以在集流片20的第二面22首先设置绝缘层，然后在绝缘层上通过辊压工艺涂布保护层30。
55.采用辊压工艺涂布保护层30后，对锂电池负极的结构改动较小，能简化工艺，另外，采用辊压工艺能使得集流片20与保护层30复合粘连的兼容性更好，使得保护层30与集流片20具有更好的粘接强度，进而提升了对锂枝晶的阻隔强度。
56.相关技术中，为了抑制金属锂片上锂枝晶的生长，一些方案对金属锂片本身采用
特定的方式进行处理，例如改变金属锂片的表面结构，使得金属锂片表面各处的锂离子浓度均匀化，进而达到减缓锂枝晶生长速度的目的。上述方案工艺复杂且成本较高，且难以彻底限制锂枝晶的垂向生长。本实施例的方案，无需改变金属锂片10的结构，通过金属锂片和集流片叠加的复合夹心结构实现了对锂枝晶垂向生长的抑制，成本低、工艺更简单，另外也能优化了电池内部的空间构造，利于锂离子电池能量密度的进一步提升。
57.与前述应用功能实现方法实施例相对应，本技术还提供了一种锂离子电池及相应的实施例。
58.本技术实施例提供的锂离子电池，包括如上实施例的负极结构，该负极结构包括金属锂片10以及贴设于金属锂片10的集流片20；集流片20包括与金属锂片10电性接触的第一面21以及背离于第一面21的第二面22，第二面22设有绝缘层；其中，集流片20设有贯通于第一面21和第二面22之间的孔23，第二面22设有保护层30，保护层30上形成有供锂离子通过的微孔结构；孔23的一端与金属锂片10相接，另一端与保护层30相接，保护层30用于将金属锂片10上生成的锂枝晶隔离于孔23内。这样设置后，保护层30对锂枝晶的垂向生长具有限制作用，使得锂枝晶不会刺破隔膜，进而能防止锂离子电池内部短路，同时也提高了锂离子电池的能量密度。
59.上述优选的实施方式仅仅用来解释本发明的原理，并非用于限制本发明的保护范围，本领域技术人员可以对其进行任意形式的调整，以便其满足更加具体的应用场景。
60.以上已经描述了本技术的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。