[发明专利]一种负极夹心结构、其制备方法及用途

说明书

本发明公开了一种负极夹心结构、其制备方法及用途。所述负极夹心结构包括中间层及位于所述中间层两侧的表面层，所述中间层选自金属锂和/或锂合金，所述表面层为具有通孔的导电材料。其是一种高能量密度的负极夹心结构，其在能够实现电池预锂化提升首次库伦效率的同时，又能改善金属锂电池循环性能、倍率性能和安全性能。能够广泛应用于锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、不含锂的正极体系、缺少锂源的电池体系。

技术领域

本发明涉及锂离子电池制备技术、通讯、航空航天、轨道交通领域，特别 是涉及高能量密度电池领域，涉及一种负极夹心结构、其制备方法及用途。

背景技术

随着科技的发展，电子设备和电动交通工具对电池能量密度要求日益提高， 如提高电动汽车续航里程等问题，均需要从提升电池能量密度着手。金属锂由 于具有较高的理论比容量(3860mAh/g)和较低的电位(相对于标准氢电极为 -3.040V)，是最具前景的负极材料之一，但金属锂负极实际应用中，由于金属锂 化学性质活泼使得金属锂与电解液形成不稳定的固态电解质中间相层(SEI)， 这种不稳定SEI层在大体积变化下破裂并暴露出新鲜下层，从而导致锂与电解 液持续反应；另一方面，金属锂在循环过程中，不均匀沉积和锂枝晶的生长， 会导致死锂的形成，造成较大的容量损失；锂枝晶的生长还可能会刺穿隔膜造 成电池短路，加上循环后的金属锂负极还可能粉化，这些不利因素都可能会产 生致命的安全隐患。由于以上问题，目前金属锂电池循环性能和安全性能差； 此外，在高电流密度下，由于锂在电极/电解质界面扩散缓慢，将会导致过大的 过电势，限制了金属锂作为负极的倍率性能。

在电池循环问题上，例如目前商业化锂离子电池，由于锂离子电池在化成 阶段形成SEI膜以及电池中的副反应会减少电池中可用的锂。在此问题上，广 大学者科研人员也做出了许多尝试，例如通过材料修饰、涂覆保护层等方法以 减小副反应的发生，减小活性锂的损失，提升电池首次库伦效率，但提升几个 百分点库伦效率已经非常困难。应用补锂技术补充化成阶段损失活性锂显得更 为有效，通过预锂化补充损失锂可提升循环性能，如CN110828778A和 CN107910499A通过在负极极片上增加金属锂层，补充正极材料中锂的损失以提 升循环性能，但现有锂带厚度普遍大于10μm，太薄不利于补锂工艺量产，且直 接使用在现有工艺环境中存在一定的危险性，另外较厚的锂带可能导致大量金 属锂不参与反应，反而降低了电池能量密度。

在安全性和倍率性能方面，如CN203562482Μ和GN110444767A使用三维 集流体并用于填充活性物质或容纳沉积金属锂，相比于直接使用金属锂辊压在 集流体上作为负极，能够提升电池快速充放电的能力，并能够减小金属锂过电 势，在一定程度上能抑制锂枝晶的生长，但直接使用三维集流体用于容纳金属 锂，由于在化成过程中的活性锂消耗，三维集流体没有补锂功能将会影响电池 循环周期，而且利用碳纳米管作为三维集流体成本高昂，不如使用金属集流体 (例如铜网)更容易加工且成本低廉。

综上所述，到目前为止的工作报道中，在现有商业电池补锂工艺和使用三 维集流体改善金属锂电池循环和倍率性能均存在一定的局限性，没有一种既能 实现负极预锂化又能提升电池循环性能、倍率性能和安全性能的解决方案。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种负极夹心结 构、其制备方法及用途。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种负极夹心结构，所述负极夹心结构包括至少一 层中间层及位于所述中间层两侧的表面层，所述表面层选自金属锂和/或锂合金， 所述表面层为具有通孔的导电材料，和/或可与锂反应生成合金的导电材料。

本发明的负极夹心结构中，表面层可以是具有通孔的导电材料；也可以是 无通孔但可以与锂反应生成合金的导电材料，此类导电材料与中间层的锂反应 产生三维集流体进而提升电池性能。