[發(fā)明專利]一種鋰電池用低硼含量鋰硼合金電極材料及應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911193472.2
• 申請(qǐng)日: 2019-11-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111082038B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-03-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳立寶;青飄;劉志堅(jiān);黃海峰;武晨;陳月皎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/40
• 分類號(hào): H01M4/40;H01M10/052
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 蔣太煒

本發(fā)明涉及能源電池領(lǐng)域，特別涉及一種鋰電池用低硼含量鋰硼合金電極材料及應(yīng)用。所述電極材料以質(zhì)量百分比計(jì)，包括下述組分：Li85.01?95％；B4.99?9.99％；M0.01～5％；所述M選自Au、Ag、Si、Al、Zn、C、Mg中的至少一種；所述電極材料用作鋰電池負(fù)極材料時(shí)，其比容量為2700?3400mAh/g。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高比容量和循環(huán)壽命的同步提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能源電池領(lǐng)域，特別涉及一種鋰電池用低硼含量鋰硼合金電極材料及應(yīng)用。

背景技術(shù)

鑒于化石燃料的不斷枯竭和高污染，以及人們對(duì)于智能移動(dòng)電子設(shè)備和電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航需求的日益提升，開(kāi)發(fā)高比能量二次電池具有重要意義。自1991年以來(lái)，鋰離子電池(LIBs)以其較長(zhǎng)的循環(huán)壽命、較低的自放電率和較低的安全風(fēng)險(xiǎn)等諸多優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，然而經(jīng)過(guò)近30年的不斷優(yōu)化和發(fā)展，傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度已接近其理論極限，特別是理論比容量為372mAh g-1的石墨負(fù)極。

金屬鋰由于其具備最低的電極電位(-3.04V，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)氫電極)和極高的理論比容量(3860mAh/g)而被認(rèn)為是儲(chǔ)能領(lǐng)域的“圣杯”，因此以金屬鋰作為負(fù)極的鋰金屬電池(LMBs)如鋰/硫電池(2600Wh/kg)和鋰/空氣電池(3505Wh/kg)是極具潛力的下一代儲(chǔ)能體系。然而金屬鋰由于性質(zhì)較活潑，在作為二次電池負(fù)極時(shí)，在充放電過(guò)程中反復(fù)溶解、沉積，巨大的體積變化導(dǎo)致固體電解質(zhì)界面(SEI)的不斷破壞，一方面可能形成枝晶而刺穿隔膜造成電池內(nèi)短路，進(jìn)而引發(fā)燃燒等一系列安全事故。另一方面會(huì)消耗大量電解液，加速電池的失效，降低電池的循環(huán)壽命。

鋰硼合金具有豐富的自由鋰依附在穩(wěn)定的Li₇B₆絲狀海綿親鋰骨架間隙中，以鋰硼合金替代金屬鋰作為二次電池負(fù)極時(shí)，Li₇B₆的作用主要表現(xiàn)為：1.可以基本消除自由鋰的定向結(jié)晶，減少枝晶的形成；2.降低有效電流密度，促進(jìn)SEI膜的形成；3.作為自由鋰沉積與脫出的宿主，降低充放電過(guò)程中負(fù)極材料的體積膨脹或避免由于鋰大量脫出后引起的結(jié)構(gòu)坍塌。目前，由于考慮到Li₇B₆骨架數(shù)量對(duì)自由鋰支撐的穩(wěn)定性，鋰硼合金中硼(B)含量通常較高(10％),高的硼(B)含量大大降低了鋰硼合金的最大比容量，但另一方面，過(guò)度追求比容量而降低硼(B)含量則會(huì)造成骨架結(jié)構(gòu)效果不理想。為了進(jìn)一步的追求減少枝晶的形成專利CN103972470A提出采用由兩相組成的負(fù)極材料，在該專利中，一相是鋰硼化合物L(fēng)ixBy的矩形骨架，x＝7、y＝6或x＝5、y＝4；另一相為自由金屬鋰或鋰合金，該相中自由金屬鋰或鋰合金分布在多孔且物理性質(zhì)穩(wěn)定的LixBy骨架中，x＝7、y＝6或x＝5、y＝4；鋰合金的合金元素為Al、Mg、Zn或Si，重量百分含量占鋰含量的0.5％～30％。其主要解決了二次鋰電池的負(fù)極金屬鋰在循環(huán)過(guò)程中易產(chǎn)生枝晶、粉化，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命低、安全性差的問(wèn)題。但其并未涉及如何提高負(fù)極的比容量并同時(shí)提升產(chǎn)品的循環(huán)壽命這一問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種可同時(shí)提高產(chǎn)品比能量并同時(shí)提升產(chǎn)品循環(huán)壽命的低硼含量鋰硼合金電極材料及應(yīng)用。

本發(fā)明通過(guò)控制硼含量實(shí)現(xiàn)活性鋰百分比含量與骨架結(jié)構(gòu)支撐效果之間的合理匹配；同時(shí)通過(guò)控制摻入元素的種類和百分比含量，從提升Li₇B₆骨架電化學(xué)窗口以及第二鋰合金相強(qiáng)化兩方面提高產(chǎn)品比能量并同步提升產(chǎn)品循環(huán)壽命的目的。

本發(fā)明一種鋰電池用低硼含量鋰硼合金電極材料，所述電極材料以質(zhì)量百分比計(jì)，包括下述組分：

Li 85.01-95％、優(yōu)選為87-92％、進(jìn)一步優(yōu)選為88.5-90.5％；

B 4.99-9.99％、優(yōu)選為7.5-9.99％、進(jìn)一步優(yōu)選為8.0-9.9％；

M 0.01～5％、優(yōu)選為1.0-3.01％、進(jìn)一步優(yōu)選為1.5-2.0％；