[发明专利]锂离子电池重复单元、锂离子电池及其使用方法、电池模组和汽车

说明书

本公开涉及一种锂离子电池重复单元、锂离子电池及其使用方法、电池模组和汽车，重复单元包括按照层叠方向依次层叠设置的正极、第一隔膜和负极，负极包括在充电时彼此无电接触的第一负极和第二负极；第一负极包括活性材料层、导体层和绝缘层，导体层含有无机多孔导电材料，绝缘层含有第一固态电解质；负极中，活性材料层、导体层、绝缘层、第二负极、绝缘层、导体层和活性材料层按照层叠方向依次层叠设置。本公开的锂离子电池的能量密度较高，且能够克服现有电池中锂枝晶导致的安全问题。

技术领域

本公开涉及电池领域，具体地，涉及一种锂离子电池重复单元、锂离子电池及其使用方法、电池模组和汽车。

背景技术

目前市场应用各种电池一般有两种类型：一是以燃料流液电池或液流电池为代表的将储能活性物质与提供化学反应场所的电堆分离的能量转换器件；二是以正极、隔膜、负极均匀叠片或卷绕形成，活性物质分布在正极和负极形成存储能量和功率为整体的能量转换器件。而锂离子电池就属于典型的第二种类型，其正极、隔膜、负极三者均匀相向排列。其中正极包括正极集流体和正极材料，正极材料又可分为正极活性物质材料、正极电子导电添加剂材料和正极离子导电材料；隔膜包括两部分，即电子阻隔部分和离子导通部分；负极与正极类似，包括负极集流体和负极材料，负极材料又可分为负极活性物质材料、负极电子导电添加剂材料和负极离子导电材料。

传统的锂离子电池的正极材料和负极材料的化学组成和结构几乎都是均一的，也有少量使用混合材料，但即使是使用混合材料，在电池内部同一时间、同一区域离子和电子的浓度基本一致，目的是为了确保电化学反应及功率等参数的平稳性。

为了提升能量密度，就必须尽可能地提高电池中正极活性物质材料的电压和容量，负极活性物质材料则需要尽可能地降低电压和提高容量。目前传统商用负极活性物质材料一般是石墨，包括天然石墨和人造石墨，这两者的平均电压(vs.Li)都是0.15V。理论容量都是372mAh/g。因此为了寻找更低电压和更高容量的负极活性物质材料，世界范围内进行了大量的科学研究。锂金属就是其中最有潜力的一个材料，其电压是目前所有化学物质中最低的；其理论容量达到3860mAh/g，10倍于石墨负极材料。

但是金属锂迟迟无法得到应用，最大的问题在于其在循环过程中，形成大量枝晶，直至整个锂金属平面层全部转化为枝晶形态。这种枝晶形态会产生两个严重的问题：一是穿刺透过隔膜，将正负极连接起来，造成短路，引起严重的安全事故；二是枝晶由于其表面积巨大，生成时即与电解质发生原位化学反应，在其表面形成一层电子绝缘薄膜，这种薄膜造成了这些晶体之间相互电子绝缘，只要根系一旦断裂，整条枝晶即变成了电子绝缘体，失去电化学活性，表现为电池容量随循环不断快速降低。三是枝晶极其蓬松，需要挤占大量空间，从而造成电池体积膨胀，电池循环性能迅速衰减。

发明内容

本公开的目的是提供一种锂离子电池重复单元、锂离子电池及其使用方法、电池模组和汽车，以解决现有技术中电池能量密度低的问题、锂枝晶导致的安全问题以及液态电解液制造过程能耗高、污染严重、液态电解液与正负极在高温下发生反应引起热失控的问题。

为了实现上述目的，本公开第一方面：提供一种锂离子电池重复单元，所述重复单元包括按照层叠方向依次层叠设置的正极、第一隔膜和负极，所述负极包括在充电时彼此无电接触的第一负极和第二负极；所述第一负极包括活性材料层、导体层和绝缘层，所述导体层含有无机多孔导电材料，所述绝缘层含有第一固态电解质；所述负极中，所述活性材料层、所述导体层、所述绝缘层、所述第二负极、所述绝缘层、所述导体层和所述活性材料层按照所述层叠方向依次层叠设置。

可选地，所述无机多孔导电材料为多孔金属材料、多孔碳材料和多孔氧化物材料中的一种或几种。

可选地，所述多孔金属材料为金属网或泡沫金属；所述多孔金属材料为铜、镍、镁、铝、锰、铁、钛和锌中的一种或几种；

所述多孔碳材料为多孔碳球、多孔碳纤维、多孔碳纳米管和多孔碳布中的一种或几种；