[发明专利]超薄金属锂电极及其制备以及作为二次锂电池负极的用途

说明书

本发明公开了一种超薄金属锂电极及其制备以及作为二次锂电池负极的用途，其中该超薄金属锂电极包括金属锂层和集流体层，所述金属锂层覆载在所述集流体层的表面，所述金属锂层的厚度介于1μm至100μm之间，所述金属锂层包括金属锂、添加成分和骨架成分；所述添加成分包括：表面含有卤族元素官能团的无机材料，和/或，能够与液态金属锂或锂合金相亲的无机材料；所述骨架成分是具有一维和/或二维结构的纳米材料，所述一维或二维结构的纳米材料能够在该金属锂层内部形成三维网络结构。本发明超薄金属锂电极作为负极能够制造出正负极容量匹配的新型锂电池，由于不含超过量的锂，具有更好的安全性和更高的能量密度。

技术领域

本发明涉及储能电池领域，具体涉及一种超薄金属锂电极及其制备以及作为二次锂电池负极的用途。

背景技术

金属锂一直被视作锂电池的最理想的负极材料，它具有极高的理论比容量(3860mAh·g^-1)，低密度(0.59g·cm^-3)和最负的电化学电势(相比标准氢电极大约-3.04V)等优异性质。早在20世纪七八十年代，锂金属电池便开始了商业化，1972年埃克森石油公司开发了Li/TiS₂锂二次电池，随后Li/MnO₂、Li/Ag₂V₄O₁₁等锂金属电池陆续研发问世，但是金属锂作为负极材料，在反复充放电的过程中，金属锂在界面位置不均匀沉积形成枝晶，随着枝晶的生长，有可能刺破隔膜形成电池短路导致安全问题。1989年Moli Energy公司商业化生产的Li/MoS₂电池出现安全事故，导致电池全部召回。自此，安全性更可靠的锂离子电池得到了更多的关注。锂离子电池由于具有较高的比容量、高工作电压、长使用寿命、无记忆效应、安全性高等优点，在小型设备、测量仪器、电器等轻量化的装置中逐步替代了传统的铅酸、Ni-MH和Ni-Cd等电池得到广泛的应用。近年来，随着移动设备、车辆电气化、电网存储以、5G信息传输技术、生物芯片和可穿戴电子设备的快速发展，现有的锂离子电池已经难以满足应用，市场迫切需求能够适应不同应用场景的高能量密度电池。这使锂金属电池重新受到研究关注，随着Li-S电池、Li-空气、Li-二氧化碳电池等新型高容量锂电池的出现，金属锂负极的安全和高效应用成为了下一代高能量密度储能电池的决定因素，这需要解决三个关键的问题：

1.锂金属电池中金属锂与正极材料容量不匹配。目前实验室使用的金属锂负极大都使用厚度为500μm的锂片，研究锂负极时锂的沉积量大多仅为1～3mA·h/cm²，而厚度为500μm锂片所对应的容量大约为100mA·h/cm²，也就是说锂在循环过程中的利用深度大多不到3％。过量的金属锂既不能提供容量，又会降低电池能量密度，并且由于金属锂性质活泼，过量的金属锂在电池中还会带来安全隐患，降低金属锂的厚度是行之有效的解决办法。

目前工业上，超薄金属锂的制备方法多是利用了金属锂的延展性，将金属锂锭采用机械反复挤压使其薄膜化，如专利公开号CN 107052047A，一种超薄金属锂带的生产方法，然而受制于设备与技术原理，这种技术制备出来的锂带厚度基本在100μm左右，很难制备厚度在50μm以下的金属锂薄膜，并且这种方法制备得到的金属锂薄膜的宽幅较小，且表面也不够平整，作为锂电池负极时，易于诱导锂支晶的产生。通过磁控溅射法能够获得50μm以下的超薄金属锂，如专利公开号CN109402589A一种磁控溅射制备超薄金属锂薄膜的方法及系统，但是其工艺复杂且能耗极高，不适用于工业化生产。采用金属锂热熔融法，如专利公开号CN109873122A一种制备超薄金属锂的方法，由于金属锂熔融后表面张力极大，需要对基体表面进行处理，在基体上涂布一层有机过渡层，降低熔融金属锂的表面张力使金属锂在基体上铺展，从而获得15μm至40μm的金属锂层的方法，这种方法虽然能够获得超薄金属锂层，但必须涂覆的有机过渡层由于不具有良好的电导性，会影响金属锂与基体层的电接触，降低其作为锂电池负极的性能。