[实用新型]一种复合锂金属负极与锂二次电池

说明书

本实用新型涉及一种复合锂金属负极与锂二次电池，属于二次电池技术领域。本实用新型的复合锂金属负极包括金属锂和具有空腔的三维骨架；所述三维骨架包含导电层和包裹于所述导电层外的绝缘层，所述绝缘层与所述导电层紧密贴合；所述三维骨架的边缘为开孔结构；所述金属锂填充于所述三维骨架的空腔内且与所述导电层紧密贴合。本实用新型的复合锂金属负极既可延迟锂枝晶出现时间，也可以控制枝晶生长方向，从而使得锂枝晶的生长受到抑制和调控，电化学充放电过程中安全隐患消除；并且，由于绝缘层包裹于导电层的外部，锂金属在操作环境中得到保护，锂金属在操作环境中的稳定性得到提高。

技术领域

本实用新型涉及一种复合锂金属负极与锂二次电池，属于二次电池技术领域。

背景技术

随着手机、电脑等消费电子产品和电动汽车等新能源交通工具的快速发展，相关领域对高能量密度二次储能电池的需求日益增长。二次电池的能量密度取决于电极材料的容量和电压，因此，正负极电极材料的电化学性能对于高能量密度电池的开发至关重要。对于负极而言，相比其他电极材料，锂金属具有极高的理论容量(3860mAh/g)和最低的电压平台(-3.04V vs SHE)，其应用将会大大提升电池的能量密度。然而，锂金属反应活性过高，在实际应用中存在非常严重的安全隐患。一方面，锂金属在电化学充放电过程中，易于形成枝晶，枝晶刺穿隔膜会造成电池短路，带来电池起火、爆炸等安全隐患；另一方面，锂金属与大气成分易反应发生变质甚至起火，因此对操作环境要求苛刻，通常为无水无氧的惰性环境。因此，抑制锂枝晶的生长，并且提高锂金属在操作环境中的稳定性，对于提高锂金属负极安全性，发展高能量密度锂金属电池至关重要。

科学研究表明对充放电电流密度的调控可以有效地抑制枝晶生长。根据这一原理，使用三维立体导电材料如泡沫铜、泡沫镍、泡沫碳等作为金属锂负极的集流体，可有效改善枝晶生长问题。例如，国家知识产权局于2017年3月29 日授权了实用新型专利“一种三维多孔集流体及其制备方法和用途”，授权公告号为CN 104716330，该实用新型公开了一种三维集流体的制备方法，并将其应用于负载锂金属负极时，可以有效抑制枝晶的形成，提高了金属负极的安全性和循环寿命。公告号为CN105009330B的实用新型专利公开了一种锂电极以及包含该锂电极的锂二次电池，其中锂电极包含多孔金属集流体以及嵌入存在于所述金属集流体中的孔中的锂金属，该锂电极能够增加锂金属和集流体之间的接触面且使得电子能够在锂电极中均匀分布以防止在锂二次电池的工作期间锂枝晶的生长。公开号为CN108232117A的实用新型专利明公开了一种锂金属电池用负极材料，包括集流体和与所述集流体紧密贴合的载体；所述载体具有三维骨架结构，三维骨架的间隙填充有锂金属，所述载体的材质选自聚三聚氰胺、聚丙烯腈、聚苯胺、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的至少一种。该负极材料可以实现平稳的锂沉积，有效地提高锂金属负极的库伦效率，循环寿命及安全性能。

现有技术证明了三维骨架对于锂金属负极的有效作用。但是，单纯三维集流体仅可以延迟枝晶出现的时间，对于枝晶生长的方向没有调控作用，因此，对于解决枝晶生长带来的安全隐患具有一定的局限性。此外，锂金属负载于三维集流体的表面，与大气直接接触，对操作环境的要求十分严苛，其安全性仍有待提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种不仅能抑制和调控锂枝晶的生长，且能提高锂金属在操作环境中的稳定性的复合锂金属负极。

同时，本实用新型还提供了包含上述复合锂金属负极的锂二次电池。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

第一方面，本实用新型提供了一种复合锂金属负极，其包括金属锂和具有空腔的三维骨架；所述三维骨架包含导电层和包裹于所述导电层外的绝缘层，所述绝缘层与所述导电层紧密贴合；所述三维骨架的边缘为开孔结构；所述金属锂填充于所述三维骨架的空腔内且与所述导电层贴合。

进一步地，所述三维骨架为三维泡沫空腔结构。