[发明专利]一种锂金属负极及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种锂金属负极及其制备和应用，锂金属负极是以锂金属为基底，在面向正极的表面依次包覆有固态的锂盐层和聚合物电解质层，应用于锂金属电池中，会形成从正极到负极锂离子浓度由低到高呈梯度分布的电解质体系。这种锂离子梯度分布的电解质既能有效解决固态电解质中离子电导率低和界面接触阻抗高的问题，又能有效改善液态电解质中SEI膜稳定性差的问题，抑制锂枝晶生长，提高锂电池循环稳定性，有重要的实际应用价值。

技术领域

本发明涉及一种锂金属电池领域，属于电池领域。

背景技术

随着经济的快速发展，人们对能源的消耗越来越大，不可再生资源日益减少，使得电池领域得到越来越多的关注。现有电池中，锂离子电池研究最多，虽然锂离子电池的能量密度较铅酸、镍氢等电池的要高，但仍不能满足人们对更高能量密度的需求，因此科研工作者将研究重点转移到金属锂二次电池。金属锂的高比容量(3860mAh/g)和低还原电位(-3.04V vs SHE)使其成为金属锂二次电池最有前景的负极材料。在金属锂二次电池中，锂负极是影响电池电化学性能的主要因素，所以对锂负极的研究是至关重要的。

经过几十年的研究，金属锂负极主要存在两方面问题。首先，锂枝晶问题，即电池在充放电循环过程中锂枝晶的生长会引起电池内部短路和严重的安全问题，并且也会导致SEI膜的重复破坏而引起金属锂和电解质之间的反应。第二，循环效率较低，原因有两方面：充放电过程中金属锂表面的SEI膜的重复破坏和修复，进而消耗金属锂并缩短电池寿命；不可逆“死锂”的生成也会降低锂金属电池容量。

构筑稳定的SEI膜是改善锂金属负极稳定性的有效策略。但锂负极和电解液自发形成的SEI膜机械强度较差，且离子传输速率慢，不能有效抑制枝晶生长，容易发生结构破裂再生导致电池库伦效率和循环寿命的降低。另外，采用固态电解质也存在着室温离子电导率低、界面阻抗大等一系列问题，难以满足锂金属电池的应用要求。

发明内容

基于以上背景技术，本发明提出了一种聚合物电解质层包覆的锂金属负极及其制备和应用。首先在锂金属负极表面涂覆一层锂盐，再滴加环状单体使其在锂盐作用下开环聚合形成一层高锂离子浓度的聚合物电解质层，剩余的过量锂盐被包覆在聚合物电解质层与锂负极之间。应用于锂金属电池中，加入传统电解液，锂离子浓度会从正极到负极形成由低到高的梯度分布。本发明的目的在于提供一种聚合物电解质层包覆的锂金属负极及其制备和应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂金属负极，锂金属负极是以锂金属为基底，在面向正极的表面依次包覆有固态的锂盐层和聚合物电解质层；聚合物电解质层为锂盐与聚合物的混合物；所述聚合物为含氧杂原子的3～6元环状单体开环聚合形成的醚类或酯类聚合物；所述锂金属基底、锂盐层、聚合物电解质层中的锂的浓度依次呈梯度递减。

作为优选的技术方案，所述锂金属基底、锂盐层、聚合物电解质层中的锂的浓度依次为74～77mol/L、5～10mol/L、2～4mol/L。

作为优选的技术方案，所述聚合物电解质层的厚度为1～50μm。

作为优选的技术方案，所述固态的锂盐层的厚度为0.5-15μm。

本发明另一方面提供上述锂金属负极的制备方法，所述的锂金属负极是采用锂盐和含氧杂原子的3～6元环状单体，在锂金属基底表面原位生长的方法制备得到。

作为优选的技术方案，所述含氧杂原子的3～6元环状单体为1,3-二氧戊环、1,4-二氧己环、四氢呋喃、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯及其衍生物中的一种或两种以上，优选为1,3-二氧戊环、1,4-二氧己环、四氢呋喃；