[发明专利]超薄金属锂电极及其制备以及作为一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一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和添加成分，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。本发明超薄金属锂电极中金属锂层厚度可调，能制造出正负极容量匹配的新型一次锂电池，由于不含有超过量的金属锂，因此具有更好的安全性和更高的能量密度。

技术领域

本发明涉及一次锂电池，具体涉及一种超薄金属锂电极及其制备以及作为一次锂电池负极的用途。

背景技术

一次锂电池一般选用金属锂片为负极，金属锂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，这类电池具有能量密度高、开路电压高、放电电压平稳、能耐受严苛环境、存储性好等优点，在军工和民用上都均有广泛的用途，比如在电子表计量、信息贮存、北斗导航、共享交通、治安监控、石油测井、完井固井、油气传输、医疗器具、航空航天、军事装备等领域。

然而，目前一次锂金属电池均存在着金属锂与正极材料容量不匹配的问题，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。采用锂金属热熔融法(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。

使高性能的锂金属电池满足工业化生产和实际应用需求的飞速发展，必须找到新的具有优异电化学性能和成本优势的超薄金属锂的生产技术路线。

发明内容

本发明针对一次锂电池中金属锂负极与正极的容量不匹配，以及过量金属锂导致的一次锂电池能量密度偏低和安全问题，本发明第一方面，提供一种超薄金属锂电极，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和添加成分，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。

在一些实施例中，所述金属锂层的成分还包括能够与金属锂形成锂合金的合金元素Mg、Al、In、Zn、Ag、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Rh、Ir、Pd、Pt、Au、Cd、Hg、Ga、Tl、Ge、Pb、As、Sb、Bi、B、S、Se或Te中的一种或多种，所述合金元素具有降低液态金属锂的表面张力的作用。