一种高面容量锂基微电池及其制备方法和应用与流程

文档序号：17781386发布日期：2019-05-28 21:00阅读：210来源：国知局

本发明属于锂电池的制备技术领域，涉及一种高面容量锂基微电池及其制备方法和应用。

背景技术：

随着物联网、智能机器人、生物芯片和可穿戴电子设备等移动电子设备的微型化需求持续存在，发展具有高面容量的微型电池已经迫在眉睫。然而，目前的微型锂离子电池，因其较低的理论容量和复杂苛刻的制备方法严重阻碍了高面容量微电池大面积应用的需求。目前迫切需要开发具有高面容量度的商用微电池。

金属锂电池作为当今世界应用最广泛和最有发展前景的电池之一，具有比能量高、放电性能高和成本较低的优点。随着锂-三元电池、锂-钴酸锂、锂-硫电池等锂电池的发展，具有高面容量锂基微电池的构筑和安全应用成为了下一代能量存储系统的决定因素。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术的微电池制备过程中的短板及不足，提供一种高面容量锂基微电池及其制备方法和应用，所述微电池的负极的活性材料采用金属锂，其面容量为0.1-2000毫安时/平方厘米，且所述锂基微电池的充放电倍率在0.01-10毫安/平方厘米能正常工作，未来可作为电源应用在移动电子设备中。

本发明采用如下技术方案：

一种高面容量锂基微电池，包括正极和负极，所述负极的活性材料为金属锂。

在上述技术方案中，所述负极由金属锂和起结构支撑作用的复合组分构成，所述正极材料为具有高面积容量的钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂、钒氧化物和硫中的一种或多种。

进一步地，在上述技术方案中，所述复合组分包括但不限于金属、金属氧化物和碳材料。

再进一步地，在上述技术方案中，所述金属包括但不限于金、银、锌、锡和含有金、银、锌、锡等元素的合金中的一种或多种。

再进一步地，在上述技术方案中，所述金属氧化物包括但不限于氧化锌、四氧化三钴和氧化铜的一种或多种。

再进一步地，在上述技术方案中，所述碳材料包括但不限于碳纳米管、石墨烯和石墨中的一种或多种。

又进一步地，在上述技术方案中，所述负极的厚度为2nm-500μm。

又进一步地，在上述技术方案中，所述正极的厚度为2nm-500μm。

还进一步地，在上述技术方案中，所述正极和负极相对配合设置在同一个平面上，所述正极和负极的结构相同，且均为叉指型、圆螺旋状和方螺旋状中的一种，所述正极和负极之间存在间隔。

优选地，在上述技术方案中，所述正极和负极的单电极宽度为20nm-800μm。

优选地，在上述技术方案中，所述正极和负极之间的间隔为10nm-900μm。

具体地，所述锂基微电池的面容量为0.1-2000毫安时/平方厘米，且所述锂基微电池的充放电倍率在0.01-10毫安/平方厘米能正常工作。

根据本发明另一方面提供了上述一种高面容量锂基微电池的制备方法，包括：

s1、采用切割、激光、熔融浸渍或涂覆的方法制备复合组分的微电极，随后将复合组分的微电极与金属锂组合，制得微电池的负极；

s2、采用切割、激光、熔融浸渍或涂覆的方法制备正极材料的微电极，作为微电池的正极；

s3、将步骤s1制得的负极和步骤s2制得的正极组合，并注入电解液，封装后即得。

根据本发明再一方面还提供了上述一种高面容量锂基微电池在手机、平板、笔记本、可穿戴电子设备、智能机器人、飞行器移动电子设备的电源中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所提供的高面容量锂基微电池的负极采用金属锂作为活性材料，并采用金属、金属氧化物和碳材料等复合组分作为结构支撑，所制得的负极经多次充放电后表面平整，没有明显的枝晶；同时，与采用具有高面积容量的钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂、钒氧化物和硫等材料制得的正极配合，制得锂金属电池、锂硫电池、锂空电池、锂二氧化碳电池等微电池，其面容量为0.1-2000毫安时/平方厘米，且充放电倍率在0.01-10毫安/平方厘米能正常工作，能广泛应用于手机、平板、笔记本、可穿戴电子设备、智能机器人、飞行器移动电子设备的电源中，实际应用重大。

附图说明

图1为本发明实施例制备高面容量锂基微电池的生产过程示意图；

图2为本发明实施例1所制备的具有不同形状的高面容量锂基微电池；

图3为本发明实施例1所制备的由金属锂和复合组分构成的复合电极的对电池的电化学循环图；

图4为本发明实施例1所制备的由金属锂和复合组分构成的复合电极的对电池的高倍率电化学循环图；

图5为本发明实施例1所制备的由金属锂和复合组分构成的复合电极作为负极与磷酸铁锂微电极作为正极相匹配的全电池的电化学性能图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和实施例，对本发明作进一步更全面和详细的描述。

说明书附图中给出了本发明的较佳实施例；但是，本发明可以以多种不同的形式来实现，而并不限于本文中所描述的实施例；相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例和对比例中所用的原料和相关实验设备均为市售产品。

实施例1

本发明实施例提供了一种高面容量锂基微电池的制备方法，其生产过程如图1所示，具体包括如下步骤：

(1)通过将石墨烯薄膜切割成所需的叉指式电极形状，其单电极宽度为300微米；

(2)将步骤(1)中所得的叉指式电极形状的石墨烯薄膜与锂金属复合，作为微电池的负极，电极厚度为100微米；

(3)将步骤(2)得到的复合电极组装成锂-锂对称电池，在0.2毫安/平方厘米的电流、0.2毫安时/平方厘米的面容量下进行电化学测试，结果如图3所示，该对称电池具有长达1200小时的长循环稳定性能；

(4)将步骤(2)得到的复合电极组装成对称电池，在0.5毫安/平方厘米的电流、0.2毫安时/平方厘米的面容量下进行电化学测试，结果如图3所示，该对称电池具有长达1200小时的长循环稳定性能；

(5)将磷酸铁锂材料浆料涂覆在步骤(1)所得的叉指式电极形状的石墨烯薄膜上，作为微电池正极，厚度为100微米；

(6)将步骤(2)和步骤(5)所制的微电极配对组装，注入电解液，封装。该电池的面积能量密度为2.0毫瓦时每平方厘米。

利用上述方法，可以将锂金属对电池组装成不同的微电池形状，如图2所示，包括但不限于叉指型、圆形螺旋和方形螺旋型。

在对上述制备出的锂金属复合微电极进行电化学测试，该方法得到的锂金属复合电极具有优异的电化学稳定性以及1200小时的长循环稳定性能(如图3所示)；可在0.5毫安每平方厘米、0.2毫安时每平方厘米的电流密度下稳定充放电(如图4所示)，在和磷酸铁锂匹配时，表现出在0.2毫安每平方厘米电流密度下可获得2.0毫安时每平方厘米的面容量(如图5所示)。

实施例2

本发明实施例提供了一种高面容量锂基微电池的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)通过将石墨烯薄膜切割成所需的叉指式电极形状，单电极宽度为300微米；

(2)将步骤(1)中所得的叉指式电极形状的石墨烯薄膜与锂金属复合，作为微电池的负极，电极厚度为100微米；

(3)将磷酸铁锂材料浆料涂覆在步骤(1)所得的叉指式电极形状的石墨烯薄膜上，作为微电池正极，厚度为300微米；