[发明专利]一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法

说明书

本发明属于电池负极领域，涉及一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法。采用蒸镀沉积的方法，在负极基材表面沉积金属锂，配合加热、辊压处理将金属锂分散在负极基材中形成预嵌锂的电池负极材料。包括控制系统、前卷扬装置、锂嵌入装置、后卷扬装置、抽气装置、结构承载及密封壳体。本发明解决了锂离子二次电池在首次充放电过程中不可逆的能量损失问题，提高了电池的能量密度，改善电池性能。

技术领域

本发明涉及制备电池负极材料装置及方法，具体的说是一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法。

背景技术

当今，人类的生活已与能源密不可分。但传统化石能源消耗严重，不具有再生性，且存在污染环境问题。而以廉价清洁著称的太阳能、风能等受自然环境影响较大，不具有连续稳定输出。和人类生活息息相关的汽车、数码产品、电动工具都需要能量密度高、倍率性能好、循环寿命长的储能器件。

目前常用的储能器件有超级电容器、一次电池、二次电池，广泛应用于数码电子设备、电动车、电动工具、储备电源储能器件领域。超级电容器具有输出功率大、循环寿命长的优点，但能量密度低；一次电池虽然技术成熟，但电池后期的处理需要消耗大量能源；二次电池可划分为铅酸电池和锂电池两大阵营，铅酸电池能量密度低，体积笨重，且泄露严重污染环境，而锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、使用温度范围广、自放电少及保存特性好等优点，使其在越来越多的领域得到广泛应用。

在二次电池迅速发展的同时，电池的能量密度提升也越来越受到关注，但是其在首次充放电循环过程中，存在一定比例的能量损失，即锂离子电池首次充放电效率。主要原因在于首次充放电循环过程中，存在部分锂离子嵌入负极中不可脱出，消耗掉一部分活性锂离子，导致电池容量不可逆的下降。锂离子电池的首圈效率由正极材料、负极材料半电池的首圈效率共同决定。目前，商业化的钴酸锂、镍钴锰、磷酸铁锂半电池，在首次充放电循环中，都有着首次放电容量小于首次充电容量的现象。钴酸锂的首圈效率一般达到94%以上，而磷酸铁锂的首圈效率更高，约为98%。对正极材料而言，容量的损失主要是由首次放电后材料结构变化引起。相比正极，负极的首圈效率要低得多，在碳负极、石墨负极、硅碳负极尤为明显。这是由于锂离子在嵌入石墨、硅碳前，会先在石墨、硅碳表面形成固态电解质膜--SEI，此过程不可逆的损失活性锂离子，与此同时，正极被迫留下一定比例无锂离子可以匹配的“无用”材料，变相增加了电池的重量，降低了有效容量。因此提高负极首次效率将显著提高全电池的首圈效率，从而提升锂离子全电池的容量。

本发明提供一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法，实现了金属锂的预嵌入，有效的改善了电池首次充放电循环的不可逆容量衰退问题，提高了电池的整体能量密度。目前，现有的专利预嵌锂基本采用喷涂加辊轧的形式，即活性物质表面喷涂含有金属锂的粉末，后辊轧嵌入，但此方法存的问题是，所用活性锂均为表面钝化的活性锂，如采用LiCO₃、LiF、LiN、Li₃PO₄包裹的金属锂粉；辊轧后均无加热，活性锂聚集在负极材料表面；喷涂过程需要大量的有机溶剂，后期干燥脱溶处理复杂，容易污染环境。发明专利CN103021675A公开了一种预嵌锂的制备方法，采用金属锂与负极直接接触，但存在缺陷，金属锂粉质地柔软，辊轧后锂粉会比较致密的覆盖在活性材料表面，影响注液时电解液对负极材料的浸润。专利CN105869917A提供了预嵌锂的方法，但实际嵌入的锂为LiCO₃包裹的金属锂，引入无效的锂源。专利CN207265160U采用蒸镀法在薄膜表面制备超薄锂带，但尚未应用于将金属锂嵌入碳、石墨、硅碳。如果将制备的超薄锂带应用在碳、石墨、硅碳表面，如何从原基材剥落，剥落后与碳、石墨、硅碳的复合仍是问题。本发明借鉴专利CN207265160U部分方法，在此基础上加以改良和延伸，提供了一种采用蒸发沉积方法在石墨、硅碳嵌入金属锂制备电池负极材料的方法及装置，对改善电池性能提供了重要的技术手段。

发明内容

本发明目的在于提供一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法。