[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于鋰電池的金屬鋰負(fù)極和鋰電池

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811425892.4
• 申請(qǐng)日: 2018-11-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111224068A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王崇;陳劍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/134
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/134;H01M10/052
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明涉及一種用于鋰電池的金屬鋰負(fù)極，其中金屬鋰負(fù)極包括金屬鋰基體和致密無(wú)機(jī)化合物表面層，所述的金屬鋰基體包括金屬鋰及其合金，所述的無(wú)機(jī)化合物表面層為包含能夠在電解液中與金屬鋰發(fā)生原位氧化還原反應(yīng)生成鋰化合物和納米金屬粒子復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬化合物。該金屬鋰負(fù)極的致密無(wú)機(jī)表面層能夠在電池注入電解液時(shí)自發(fā)與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，生成高離子電導(dǎo)率的鋰化合物相，同時(shí)鋰化合物相內(nèi)部生成均勻分布的納米金屬粒子相，納米金屬粒子使得無(wú)機(jī)表面層具有電子電導(dǎo)特性，進(jìn)而形成連續(xù)無(wú)孔的具有離子、電子混合導(dǎo)電特性的復(fù)相結(jié)構(gòu)致密無(wú)機(jī)表面層。具有該無(wú)機(jī)表面層的金屬鋰用于鋰電池中能夠有效抑制金屬鋰的副反應(yīng)，提高電池的安全性和循環(huán)壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及化學(xué)電源領(lǐng)域，具體涉及一種用于鋰電池的金屬鋰負(fù)極。

背景技術(shù)

化學(xué)電源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中顯示出越來(lái)越重要的影響，鋰離子二次電池與鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等二次電池體系相比，具有比能量、比功率高，以及更長(zhǎng)的循環(huán)壽命等優(yōu)勢(shì)，成為電動(dòng)車(chē)和風(fēng)光發(fā)電儲(chǔ)能等新興領(lǐng)域的首選二次儲(chǔ)能電池。

隨著世界各國(guó)對(duì)能源環(huán)境問(wèn)題的不斷重視，電動(dòng)車(chē)和風(fēng)光儲(chǔ)能技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，而二次電池的能量密度是限制上述領(lǐng)域廣泛普及的關(guān)鍵因素之一。目前，商品化鋰離子電池所使用的正極材料包括：LiCoO₂(130～140mAh/g)、 LiNiO₂(170～180mAh/g)、LiMn₂O₄(110～130mAh/g)、LiFePO₄(130～140mAh/g) 和三元材料(160～180mAh/g)等。晶體化合物的嵌脫鋰容量受限于晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高這類(lèi)材料的比容量已經(jīng)比較困難。因此，研究和開(kāi)發(fā)以金屬鋰為負(fù)極的高能量密度的二次電池體系已成為二次電池未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。但是，金屬鋰負(fù)極目前還存在如下問(wèn)題：1、金屬鋰高的反應(yīng)活性造成充放電反應(yīng)過(guò)程中副反應(yīng)的發(fā)生；2、金屬鋰枝晶的產(chǎn)生造成電池短路等安全問(wèn)題；3、金屬鋰枝晶的脫落產(chǎn)生的“死鋰”造成活性物質(zhì)的損失。

針對(duì)上述問(wèn)題目前主要采用如下方法對(duì)金屬鋰進(jìn)行改性保護(hù)：1、采用電解液添加劑抑制金屬鋰枝晶的產(chǎn)生，提高金屬鋰的循環(huán)效率；2、采用鋰合金降低金屬鋰的活性，進(jìn)而降低表面的副反應(yīng)，提高金屬鋰的循環(huán)效率；3、在金屬鋰表面預(yù)制備聚合物或無(wú)機(jī)保護(hù)層抑制金屬鋰枝晶的形成，提高金屬鋰的循環(huán)效率。如，Ding等利用Cs+離子抑制金屬鋰枝晶的形成，以Li|Li₄Ti₅O₁₂組成電池體系的效率達(dá)到99.86％(J Am Chem Soc 135(11):4450–4456)，Zheng等利用碳?xì)ぷ鳛榻饘黉嚨谋Ｗo(hù)層，提高金屬鋰的循環(huán)效率(Nat.Nanotechnol.2014, 9,618.)。

雖然，采用上述改性保護(hù)的方法能夠提高金屬鋰的使用性能，但是并沒(méi)有達(dá)到金屬鋰實(shí)用化的效果。本發(fā)明一種金屬鋰負(fù)極，該金屬鋰負(fù)極的無(wú)機(jī)表面層能夠在電池注入電解液時(shí)自發(fā)與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，生成高離子電導(dǎo)率的鋰鹽相和高電子電導(dǎo)的納米金屬粒子相，納米金屬粒子使得無(wú)機(jī)表面層具有電子電導(dǎo)特性，進(jìn)而形成連續(xù)無(wú)孔的具有離子、電子混合導(dǎo)電特性的無(wú)機(jī)表面層。具有該無(wú)機(jī)表面層的金屬鋰用于鋰電池中能夠有效抑制金屬鋰的副反應(yīng)，提高電池的安全性和循環(huán)壽命。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于鋰電池的金屬鋰負(fù)極，金屬鋰表面無(wú)機(jī)金屬化合物層能夠在電池制備過(guò)程中自發(fā)形成具有高離子電導(dǎo)率的鋰鹽相和高電子電導(dǎo)的納米金屬粒子相的無(wú)孔隔離層，這種隔離層具有高的離子和電子電導(dǎo)和高的機(jī)械強(qiáng)度，以其為負(fù)極的鋰電池具有很高的安全性能和循環(huán)壽命。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種用于鋰電池的金屬鋰負(fù)極，其中金屬鋰負(fù)極包括金屬鋰基體和無(wú)機(jī)化合物表面層；

所述的金屬鋰基體包括金屬鋰或鋰合金；