[发明专利]一种为锂离子电池电极材料预锂化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及到为锂离子电池电极材料预锂化，特别是一种可用于锂离子二次电池生产中的提高负极材料首周库伦效率的方法。

背景技术

目前，锂离子电池在现实生活中扮演越来越重要的材料，成为电子产品不可或缺的重要部分。而随着人们生活要求的提升，对锂离子电池的容量提出了越来越高的要求。作为锂离子电池的重要部分，锂离子电池负极材料对锂离子电池的性能具有重大影响。目前，商品化的锂离子电池负极材料主要是碳素类材料、钛酸锂材料、硅碳材料等，尚有大量锂离子电池负极材料处于研究当中。锂离子电池负极材料是锂离子电池中非常重要的部分，负极材料的性能在很大程度上决定了锂离子电池的性能。商业化的锂离子电池负极材料相比于正极材料比容量较高，价格较低，可以在一定程度上满足锂离子电池的商业化生产。但是，所有锂离子电池负极材料，包括已经商品化的碳素材料存在的最大问题在于，首周库伦效率较低，碳素类材料可以达到90％以上，硅基材料只能达到80％以上。

负极材料首周库伦效率较低的原因在于，在锂离子电池首周充放电过程中，负极材料表面消耗部分锂离子与电解液在负极材料表面不可逆反应形成SEI膜，产生不可逆容量，最终导致首周库伦效率较低。较低的首周库伦效率使得在负极材料研发中投入大量精力，提升了负极材料的成本。同时，首周库伦效率较低意味着在锂离子电池生产中要配比更多的正极材料，其中有一部分正极材料在首周充电以后便失活无效，造成昂贵正极材料的浪费，同时增加了电池的整体重量。首周充电过程形成SEI膜意味着对锂离子电池化成工艺要求较高，需要对每只电池精确控制充放电化成以形成稳定的SEI膜，工艺繁琐复杂。

为了应对负极材料首效较低的问题，目前主要方案集中于负极材料的研发和材料掺锂的研究。石墨类材料导电性能好，充放电电位较低，首效较高，是目前广泛使用的锂离子电池负极材料。但是石墨首效依然具有提升空间，目前投入大量精力进行表面改性研究，可使首效达到90％以上。硅基材料最常用的改性技术手段是碳包覆，首效可以达到80％以上。碳包覆效果取决于颗粒大小，颗粒太小包覆效果好，但是比表面积大，首效偏低；颗粒大包覆效果差，但是材料比表面积小，首效较高。在负极材料的研发中，材料的循环稳定性和首效长期以来相互矛盾，不能兼得，因此困扰了很多研究人员。而掺锂提升首效的方法，安全问题突出，配比难以精确，使其无法在现实生产中应用。在深圳贝特瑞公司的研究中(CN102916165A)，通过对负极极片喷洒有机锂溶液，为电极材料补锂，但是安全问题依然突出，且可操作性不强。在东莞新能源的研究中(CN102290614A)，通过接第三极极耳的方式，用传统正极材料为负极材料补锂，虽然可以提高电池的首效，降低电池重量，但是采用正极材料补锂成本较高，且操作复杂，实用性不大。因此，目前尚无为负极材料预锂化以及解决负极材料首效问题的有效办法。

为了应对锂硫电池中枝晶锂造成的安全隐患，人们想出了用预锂化的锂离子电池负极材料作为锂硫电池的负极，虽然牺牲了一部分容量，但是由于省去了负极金属锂电极，大大提升了电池整体安全性能。为负极材料的预锂化，目前是通过负极材料与金属锂短路来实现，只能在惰性保护气氛下在有机电解液中小规模实验，难以大规模应用于生产。通过制备三电极的方法也能预锂化，但是会导致极片变形，而且同样难以精确配比，实用性不强。在锂离子电容器中，需要对锂离子电池负极材料预锂化，提升工作电压，提高能量密度。正极材料由于种种原因，在很多情况下，也需要补锂，使其保持较高容量。总之，对电极材料的预锂化，对锂离子电池性能影响重大，是锂离子电池技术中亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对目前商业化和未商业化的锂离子电池负极材料，提出了一种提高负极库伦效率，尤其是首周库伦效率和循环稳定性的方法。

为实现本发明的目的，本发明的技术方案是将通过水相或有机相和有机相的电解池，两相中间以锂离子导体膜隔开，通过外电路控制充放电电位和电流密度，为电极材料预锂化，或预先生成SEI膜。

上述电解池阳极腔为锂盐的水溶液或有机溶液，包含：碳酸锂、草酸锂、碳酸氢锂、醋酸锂、氯化锂、硫酸锂、氢氧化锂、卤水、含锂矿物溶液中的一种或几种。