[发明专利]电极保护层及其制备方法、电极和锂电池

说明书

本发明涉及锂电池技术领域，公开了一种电极保护层及其制备方法、电极和锂电池。该电极保护层包含锂、第一元素M、第二元素A和第三元素Q，其中，所述第一元素M能与锂形成合金，所述第二元素A和所述第三元素Q均不能与锂形成合金；所述第一元素M能与第二元素A和/或第三元素Q形成合金；所述第二元素A和第三元素Q能形成合金。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种电极保护层及其制备方法、电极和锂电池。

背景技术

锂离子电池储能具有高能量密度和便捷的优势，经过二十年的发展逐步获得了市场的认可，在个人电子设备、电动汽车等领域实现了规模化应用。在已知的电极材料中，锂金属负极以3860mAh·g^-1的高容量和最负的电势(-3.040V vs.标准氢电极)而成为储能界的“圣杯”，收到研究人员的关注。20世纪70年代，锂金属一次电池已经在心脏起搏器、空间探索、石油勘探等诸多领域实现了商业化的应用。但是当金属锂作为二次电池负极时，可逆沉积锂容易形成锂枝晶，个别锂枝晶刺穿隔膜，造成电池内部短路，形成安全隐患。抑制枝晶生长是实现高能量密度锂金属电池规模化应用的关键。

为了抑制枝晶生长，提高锂金属电池的安全性、利用率和循环寿命，在过去的半个世纪里，科学家提出多种解决方案。

US49091152A公开了一种电解液及添加剂，避免锂沉积时的枝晶化，其中，用于避免锂在非水系电解液，尤其是有机电解液中沉积时产生枝晶的添加剂是一种金属离子，可以被锂还原，并形成锂金属或合金。

US6733924B1公开了一种用于电化学电池的锂负极，该负极第一层为锂金属，第二层为暂时性的保护材料，这种保护材料可以与锂金属反应形成合金，或者扩散至锂金属中。

US6955866B2公开了一种利用金属-锂合金保护的锂负极以及包含该负极的电池。负极以锂为核心，先在锂的表面先沉积一层惰性金属，然后沉积一层活泼金属，在锂负极的表面形成包覆的三元合金层，三元合金层中的锂来自于锂电极本身，锂化的程度不好控制。该三元合金层为Li-Sn-Cu合金，当Li被添加到Cu-Sn合金中时，Li与Sn形成合金。由于Sn已经与Cu形成了合金，Li的加入会破坏原有的Cu-Sn合金的晶体结构。

US9722275B2公开了一种电池，包括：(a)以活性金属或可存储金属离子的材料(如可储存锂离子的插层化合物)为负极；(b)正极结构；(c)一个具有离子导通能力的负极表面保护层，位于正极和负极结构之间。

现有技术中多使用金属合金作为锂金属的替代电极，合金电极在锂化的过程中，由于锂的嵌入，会发生显著的体积膨胀，在脱锂过程中，又会发生显著的收缩。反复的充放电过程伴随着反复的体积膨胀和收缩，使得电极结构逐渐发生破坏，合金电极最后从电池上脱落，导致电池性能衰减乃至最后失效，影响电池的循环寿命和稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的锂电池循环寿命短，稳定性差的问题，提供一种电极保护层及其制备方法、电极和锂电池。该电极保护层的引入，能够大大提高锂电池的循环寿命和稳定性。

本发明第一方面提供了一种电极保护层，该电极保护层包含锂、第一元素M、第二元素A和第三元素Q，其中，所述第一元素M能与锂形成合金，所述第二元素A和所述第三元素Q均不能与锂形成合金；所述第一元素M能与第二元素A和/或第三元素Q形成合金；所述第二元素A和第三元素Q能形成合金。

本发明第二方面提供了一种制备本发明第一方面所述的电极保护层的方法，该方法包括：使用选自物理沉积方法、化学沉积方法、化学反应方法和电化学方法中的至少一种方法制备得到所述电极保护层。

本发明第三方面提供了一种电极，所述电极包括集流体和包裹在集流体表面的电极保护层，所述电极保护层为本发明第一方面所述的电极保护层。

本发明第四方面提供一种锂电池，该锂电池的负极为本发明第三方面所述的电极。