一种负极结构以及电池的制作方法

1.本实用新型属于电池技术领域，尤其涉及一种负极结构以及电池。


背景技术：

2.锂离子电池作为绿色环保新能源，具有可靠性好，安全性高，体积小，重量轻等优点，目前已经被广泛的应用于数码类产品、电动汽车、军工产品等领域。随着新能源的发展，锂离子电池的发展如火如荼，但对锂离子电池的使用寿命、安全性和低成本要求也越来越高，目前锂离子电池也向着高寿命、高安全、高倍率和低成本的方向发展。
3.随着电芯能量密度的不断提升，电芯的安全性受到了越来越多的关注。目前，对电芯安全性威胁最大的就是由于极片毛刺造成的电芯内部短路。从针刺实验即可知道，当电芯内部出现短路时，电芯发生热失控的概率极高。而造成电芯内部短路的原因主要是正极集流体的毛刺与负极集流体相接触，造成局部温度急剧上升，从而引发电芯热失控，大大的增加了锂离子电池的安全风险。此外，金属锂在剥离-沉积过程中易产生锂枝晶，刺破隔膜导致短路，引发安全问题。同时锂的粉化导致电池容量急剧衰减，电池无法多次循环使用。针对锂负极问题，可以通过调控电解质组分，原位生成负极sei膜作为保护层；人工涂覆无机物/聚合物保护层；以及锂合金技术等手段。但各方法复制到实体电芯中，仍无法切实地解决锂负极的循环问题。
4.cn111435728a公开了锂金属负极保护层及其制备方法和应用。该锂金属负极保护层包括金属保护层和聚合物保护层，其中，所述金属保护层形成在锂金属负极片上，且所述金属保护层的至少一部分金属与所述锂金属负极片反应形成合金层；所述聚合物保护层包括聚合物和锂盐，所述聚合物保护层形成在所述金属保护层上。将该锂金属负极保护层用于电池可以防止锂枝晶产生、避免锂金属负极与电解质层直接接触而发生反应，同时减小负极片与电解质层之间的界面阻抗，从而显著改善电池的循环性能、倍率性能、安全性能和使用寿命等。
5.cn107482164a公开了一种锂离子电池极片结构及锂离子电池，该极片结构包括正极集流体、正极活性涂层、陶瓷涂层和负极活性涂层，正极活性涂层涂覆在正极集流体的两侧，陶瓷涂层分别涂覆在两个正极活性涂层的外侧，负极活性涂层涂覆在任一所述陶瓷涂层的外侧。相比于现有技术，一方面，该发明采用在正极集流体上直接涂覆正极活性涂层、陶瓷涂层和负极活性涂层，而省却了负极集流体的设置，这样有效增加了电芯的安全性，当发生针刺、挤压等严重损坏电芯内部结构的情况时，不会产生正极集流体与负极集流体直接接触而造成电芯内部短路的问题；另一方面，通过将负极集流体取消，可以减少电芯的制造成本，同时提高电池的能量密度。
6.现有负极结构均存在结构复杂、成本高和电池供锂不足等问题，因此，如何在保证负极结构具有结构简单的情况下，还能够保证电池供锂和成本低，成为目前迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种负极结构以及电池，通过在负极片的至少一侧表面层叠设置第一保护层、锂层和第二保护层，实现了锂离子电池充足的锂源供应，具有结构简单、工业化生产、安全性高和循环性能好等特点。
8.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
9.第一方面，本实用新型提供了一种负极结构，所述负极结构包括负极片，所述负极片的至少一侧表面依次层叠设置有第一保护层、锂层和第二保护层。
10.本实用新型通过在负极片的至少一侧表面依次层叠设置有第一保护层、锂层和第二保护层，实现了锂离子电池充足的锂源供应，有效避免金属锂在剥离和沉积过程中产生锂枝晶，进一步地能够与低成本的硫正极材料或者二硫化铁正极材料使用，有效提高电池的安全性能和循环性能，电池的能量密度可达250wh/kg，循环次数可达500次，具有结构简单、便于制备、易于规模化生产和稳定性高等特点。
11.需要说明的是，本实用新型中所述第一保护层的材质包括磷酸锂、锂磷氧氮、金属氧化物、金属硫化物或金属氮化物中的一种或至少两种的组合，优选为锂磷氧氮；所述第二保护层的材质包括磷酸锂、锂磷氧氮、金属氧化物、金属硫化物或金属氮化物中的一种或至少两种的组合，优选为锂磷氧氮。
12.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述负极结构中，负极片的两侧分别层叠设置有第一保护层、锂层和第二保护层。
13.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述第一保护层的厚度为0.1～5μm，例如为0.1μm、0.5μm、1.0μm、1.5μm、2.0μm、2.5μm、3.0μm、3.5μm、4.0μm、4.5μm或5.0μm。
14.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述第一保护层的厚度为0.5～3μm，例如为0.5μm、0.8μm、1.1μm、1.4μm、1.7μm、2.0μm、2.3μm、2.6μm、2.9μm或3.0μm。
15.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述锂层的厚度为10～50μm，例如为10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm。
16.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述第二保护层的厚度为1～1000nm，例如为1nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。
17.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述第二保护层的厚度为100～500nm，例如为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm。
18.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述负极片包括负极集流体，以及设置于负极集流体表面的负极材料层。
19.本领域技术人员可根据设计需要合理选择负极集流体和负极材料，例如，负极集流体为铜箔，负极活性材料为石墨材料或硅基负极材料。
20.第二方面，本实用新型提供了一种电池，所述的电池包括层叠设置的正极、隔膜和负极，所述负极采用第一方面所述的负极结构。
21.作为本实用新型的一个优选技术方案，所述正极中的活性材料为硫碳复合材料、硫聚合物复合材料或二硫化铁材料。
22.示例性地，提供一种上述电池的制备方法，所述的制备方法具体包括以下步骤：
23.(ⅰ)将负极浆料涂覆在负极集流体上，辊压并烘烤后形成负极材料层，制备得到负极片，在负极片的至少一侧表面依次利用磁控溅射法制备第一保护层、压合贴设制备锂层
以及磁控溅射法制备第二保护层，在环境露点≤-45℃条件下，进行第一静置2～24h后制备得到所述的负极结构；
24.(ⅱ)将正极浆料涂覆于正极集流体的表面，辊压烘干后形成正极材料层，制备得到所述的正极；
25.(ⅲ)按照负极结构、隔膜和正极进行叠片形成电芯，将电芯装入外壳中，并向外壳中注入电解液，封口并置入夹具中，在30～45℃下进行第二静置6～24h，制备得到所述的电池。
26.本实用新型所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本实用新型不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
27.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
28.本实用新型通过在负极片的至少一侧表面依次层叠设置有第一保护层、锂层和第二保护层，实现了锂离子电池充足的锂源供应，有效避免金属锂在剥离和沉积过程中产生锂枝晶，进一步地能够与低成本的硫正极材料或者二硫化铁正极材料使用，有效提高电池的安全性能和循环性能，电池的能量密度可达250wh/kg，循环次数可达500次，具有结构简单、便于制备、易于规模化生产和稳定性高等特点。
附图说明
29.图1为本实用新型一个具体实施方式中提供的负极结构的结构示意图；
30.图2为本实用新型一个具体实施方式中提供的电池中正极、负极和隔膜的层叠结构示意图。
31.其中，1-负极片；2-第一保护层；3-锂层；4-第二保护层；5-负极结构；6-正极；7-隔膜。
具体实施方式
32.需要理解的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
33.需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
34.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
35.在一个具体实施方式中，本实用新型提供了一种负极结构5，如图1所示，所述负极结构5包括负极片1，所述负极片1的至少一侧表面依次层叠设置有第一保护层2、锂层3和第二保护层4。
36.本实用新型通过在负极片1的至少一侧表面依次层叠设置有第一保护层2、锂层3和第二保护层4，实现了锂离子电池充足的锂源供应，有效避免金属锂在剥离和沉积过程中产生锂枝晶，进一步地能够与低成本的硫正极6材料或者二硫化铁正极6材料使用，有效提高电池的安全性能和循环性能，电池的能量密度可达250wh/kg，循环次数可达500次，具有结构简单、便于制备、易于规模化生产和稳定性高等特点。
37.可选地，本实用新型中所述第一保护层2的材质包括磷酸锂、锂磷氧氮、金属氧化物、金属硫化物或金属氮化物中的一种或至少两种的组合，优选为锂磷氧氮；所述第二保护层4的材质包括磷酸锂、锂磷氧氮、金属氧化物、金属硫化物或金属氮化物中的一种或至少两种的组合，优选为锂磷氧氮。
38.具体地，负极结构5中，负极片1的两侧分别层叠设置有第一保护层2、锂层3和第二保护层4。
39.具体地，第一保护层2的厚度为0.1～5μm，优选为0.5～3μm；锂层3的厚度为10～50μm；第二保护层4的厚度为1～1000nm，优选为100～500nm。
40.具体地，负极片1包括负极集流体，以及设置于负极集流体表面的负极材料层。可选地，负极集流体为铜箔，负极活性材料为石墨材料或硅基负极材料。
41.第二方面，本实用新型提供了一种电池，所述的电池包括层叠设置的正极6、隔膜7和负极，所述负极采用上述的负极结构5。
42.具体地，正极6中的活性材料为硫碳复合材料、硫聚合物复合材料或二硫化铁材料。
43.示例性地，提供一种上述电池的制备方法，所述的制备方法具体包括以下步骤：
44.(ⅰ)将负极浆料涂覆在负极集流体上，辊压并烘烤后形成负极材料层，制备得到负极片1，在负极片1的至少一侧表面依次利用磁控溅射法制备第一保护层2、压合贴设制备锂层3以及磁控溅射法制备第二保护层4，在环境露点≤-45℃条件下，进行第一静置2～24h后制备得到所述的负极结构5；
45.(ⅱ)将正极浆料涂覆于正极6集流体的表面，辊压烘干后形成正极6材料层，制备得到所述的正极6；
46.(ⅲ)按照负极结构5、隔膜7和正极6进行叠片形成电芯，将电芯装入外壳中，并向外壳中注入电解液，封口并置入夹具中，在30～45℃下进行第二静置6～24h，制备得到所述的电池。
47.通过一个具体实施方式，本实用新型通过在负极片1的至少一侧表面依次层叠设置有第一保护层2、锂层3和第二保护层4，实现了锂离子电池充足的锂源供应，有效避免金属锂在剥离和沉积过程中产生锂枝晶，进一步地能够与低成本的硫正极6材料或者二硫化铁正极6材料使用，有效提高电池的安全性能和循环性能，电池的能量密度可达250wh/kg，循环次数可达500次，具有结构简单、便于制备、易于规模化生产和稳定性高等特点。
48.申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在
本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。