[發明專利]一種復合高分子三維結構金屬鋰電極及鋰離子電池

有效

• 申請號: 201711131776.7
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN109786667B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 俞會根;黃杰;向晉
• 申請（專利權）人: 北京衛藍新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/66;H01M10/0525
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 王學強

本發明提供一種復合高分子三維結構金屬鋰電極，其特征在于，包括高分子膜，電子導電材料、離子導電材料和金屬鋰，所述高分子膜內摻雜有所述電子導電材料和離子導電材料，所述高分子膜為多孔結構，所述高分子膜的孔中填充有所述金屬鋰。本發明提供的復合高分子三維結構金屬鋰電極，可直接用作負極，能夠有效地避免死鋰問題；可在即使形成死鋰后，繞開負極材料塌陷的空殼結構進行離子導通；相比于傳統負極，體積小、重量更輕，可大幅提高電池的體積比能量密度和質量比能量密度。另外還可用作負極的補鋰材料，進行均勻補鋰，提高電池的首周期充放電效率。

技術領域

本發明涉及電池技術領域，尤其涉及一種復合高分子三維結構金屬鋰電極及鋰離子電池。

背景技術

鋰離子電池相比其它二次電池具有高電壓、高能量密度、長循環壽命和安全性能好等優勢，成為應用最廣泛的可充電電池，例如作為便攜式電子產品電源、電動汽車等大型移動設備的動力電池。目前成熟的電池負極材料主要為石墨類材料，經過多年的發展，其能量密度已被開發至接近理論值水平（理論比容量372mAh/g），從而限制了電池能量密度的進一步提高，無法滿足未來電池對高能量密度的需求。

相比于石墨類負極，金屬鋰的密度低(0.53g/cm3)、標準電極電位低(-3.04V)、理論比容量高(3860mAh/g)，這些特點使其作為負極使用時可顯著提高電池的能量密度。但是，金屬鋰負極在充放電過程中鋰金屬的不均勻沉積會導致大量鋰枝晶的產生，這些枝晶會刺穿電池隔膜，造成電池短路，并產生大量的熱，引發著火甚至爆炸等事故。此外，鋰枝晶的生長也使得電極表面難以形成穩定的固體電解質界面(SEI)膜，從而導致大量鋰被消耗，如果鋰枝晶發生斷裂，就會形成“死鋰”，造成電池循環過程中庫倫效率低、容量衰減快。另外金屬鋰負極在循環過程中存在電極體積膨脹，容易引發材料內部壓力變化和界面波動等問題。

為了解決金屬鋰負極中的鋰枝晶問題，現有技術中有通過使用電解液添加劑來改性金屬鋰負極的表面性能；但這種單一性的改性效果還不能達到實用標準，而且容易引起容量損失、內阻增大、電化學性能變差等，無法從根本上徹底解決金屬鋰電極帶來的枝晶生長、庫倫效率低、電池循環性差等問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種復合高分子三維結構金屬鋰電極，可直接用作負極，能夠有效地避免死鋰問題；可在即使形成死鋰后，繞開負極材料塌陷的空殼結構進行離子導通；相比于傳統負極，體積小、重量更輕，可大幅提高電池的體積比能量密度和質量比能量密度。另外還可用作負極的補鋰材料，進行均勻補鋰，提高電池的首周期充放電效率。

為了實現上述目的，本發明采用以下具體的技術方案：

本發明提供一種復合高分子三維結構金屬鋰電極，其特征在于，包括高分子膜，電子導電材料、離子導電材料和金屬鋰，所述高分子膜內摻雜有所述電子導電材料和離子導電材料，所述高分子膜為多孔結構，所述高分子膜的孔中填充有所述金屬鋰。

進一步地，所述高分子膜的材料為單層聚丙烯（PP）、單層聚乙烯（PE）、雙層PP/PE、雙層PP/PP 或三層PP/PE/PP、PET、PI、芳綸和植物纖維等中的任一種。

進一步地，所述電子導電材料為碳黑、柯琴碳、乙炔黑、Super P、石墨烯、氧化石墨烯、COF、MOF、單壁或者多壁碳納米管、碳纖維、導電高分子材料、導電石墨、銅粉、鋁粉、鎳、鈷、鈦、鐵、二氧化釕和二氧化鉬中的一種或多種。

進一步地，所述離子導電材料可以為無機固態電解質材料。

進一步地，所述離子導電材料也可以為聚合物單鋰離子導體材料。

進一步地，所述離子導電材料也可以為所述高分子膜的材料和鋰鹽的混合物。