[實用新型]一種鋰金屬電池

有效

• 申請號: 201820097602.7
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號: CN208157523U
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發明（設計）人: 陸盈盈;張魏棟;范磊
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/40;H01M10/052;H01M10/058
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本實用新型公開了一種鋰金屬電池，包括正極、負極、隔膜、電解質和電池殼體，所述的負極為復合鋰金屬負極，由鋰金屬、填充有鋰金屬的三維骨架和三維骨架三層組成。本實用新型提供的電池負極界面處無鋰枝晶生長，極大的提高了鋰金屬負極的庫倫效率，安全性及循環壽命。

技術領域

本實用新型屬于鋰電池領域，具體涉及一種鋰金屬電池。

背景技術

鋰電池作為可再生的清潔能源儲備近年來備受人們關注，是日常生活不可或缺的儲能器件之一，已廣泛應用到電子、醫學、汽車、航天、軍事等領域。鋰離子電池以其高容量、成本低廉、便攜性和穩定性的優勢得到廣泛關注與發展。

為了進一步提高鋰電池的比容量，人們發現不以傳統的碳材料作為負極，直接以金屬鋰作為負極材料，可使電池比容量增加10倍以上(從360mAh/g到3860mAh/g)。因而自1962年起，人們就開始以金屬鋰為負極材料的新型高能電池的研究。但金屬鋰電極在充放電過程中易產生鋰枝晶，鋒利的鋰枝晶會在反復充放電過程中不斷生長，直到刺穿機械強度較低的隔膜，直接造成電池短路，甚至爆炸，嚴重限制了鋰金屬電池的發展。

如傳統的扣式鋰金屬電池由鋰金屬負極、隔膜、電解質、正極、電池殼體構成。充電放電過程中，由于電場驅動下，鋰金屬負極界面處形成了不均勻的鋰離子分布和陰離子濃度差異，這直接促進了鋰枝晶的快速生長。由于鋰金屬負極緊密貼合于隔膜，具有較大機械強度的鋰枝晶會刺穿隔膜材料，導致電池短路爆炸，所以這種傳統的扣式電池結構設計存在著一定的不合理性。

實用新型內容

為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種鋰金屬電池，包括正極、負極、隔膜、電解質和電池殼體，所述的負極為復合鋰金屬負極，由鋰金屬、填充有鋰金屬的三維骨架和三維骨架三層組成。

所述的三維骨架為金屬骨架、碳材料骨架、功能性表面修飾碳材料骨架、聚合物骨架和功能性表面修飾聚合物骨架中的一種或幾種，其厚度為1nm～500μm。

在三維骨架的三維空間內，骨架件表面豐富的官能基團對鋰離子和陰離子特異性識別并結合，調節界面處鋰離子和陰離子的平衡，防止電場驅動下形成離子濃差梯度，可以實現界面處無鋰枝晶生長。三維網狀纖維交織或三維泡沫空腔結構的三維骨架，其骨架件表面的官能基團分布均勻、密度大，能夠更好的調節界面處鋰離子和陰離子的平衡，作為優選，所述的功能性骨架的結構為三維網狀纖維交織或三維泡沫空腔結構，其中三維網狀纖維交織結構中的纖維直徑為 1nm～50μm，三維泡沫空腔結構中的空腔直徑為1nm～500μm。

所述的復合鋰金屬負極中的三維骨架層與隔膜相貼合。三維骨架位于鋰金屬箔和隔膜之間，作為功能性夾層以調節復合鋰金屬負極的離子分布。

所述的復合鋰金屬負極以三維骨架為支撐材料，在工作電流密度下，鋰金屬經充放電沉積和剝離后原位復合形成；其形成機理為：經首輪充電，活性物質鋰金屬原位進入靠近鋰金屬箔一側的三維骨架內，自兩者界面處向三維骨架的空隙及空腔內致密地填充，且不溢出三維骨架結構。

所述的鋰金屬為金屬箔片，厚度為5μm～500μm；所述的工作電流密度為0.05μAcm^-2～500mA cm^-2。

實驗發現：普通鋰金屬負極在72次循環后，庫倫效率降低至90％以下，而本實用新型制備的復合金屬鋰負極在300次循環后，庫倫效率保持在98％。

與現有技術相比，本實用新型具有以下突破性優勢：

1.電池負極界面處無鋰枝晶生長。

2.本實用新型鋰金屬電池的復合金屬鋰負極有效地提高了鋰金屬負極的庫倫效率，安全性及循環壽命。

附圖說明