[发明专利]一种金属负极及其制备方法、包含金属负极的电化学装置和电子设备

说明书

本发明涉及一种金属负极及其制备方法、包含金属负极的电化学装置和电子设备，所述金属负极包含依次连接的集流体金属层、金属互溶层和碱金属层，其中，所述集流体金属层包含集流体金属元素；所述碱金属层包含至少一种碱金属元素；所述金属互溶层为包含所述集流体金属元素、所述碱金属元素，和能分别与所述集流体金属元素、所述碱金属元素形成合金的元素X的金属层。制备时通过辊压或液压等方式将三者紧密接触，也可通过一定方式在集流体金属层上逐步附着金属互溶层、碱金属层。该金属负极极片可应用于锂电池或钠电池等领域，通过金属互溶层，可实现碱金属在集流体上的均匀沉积，抑制碱金属枝晶的形成，有利于提高电池的循环性能。

技术领域

本发明涉及电化学储能电池技术领域，尤其是一种金属负极及其制备方法、包含金属负极的电化学装置和电子设备。

背景技术

随着能源与环境问题的日益凸显，新能源产业得到了越来越多的重视，从3C电子产品、电动汽车到大规模储能电网，这些行业迫切需要具有更高能量密度、更高功率密度、更长循环寿命、更低成本和更安全的储能器件。目前基于碳材料，如石墨等，的锂离子电池能量密度已接近天花板，已经难以满足人们日益增长的长续航和待机需求，又或是新能源汽车长续航或轻量化的需求。在大规模储能领域，钠离子电池等非锂电技术，成本较高，暂时难以大范围应用。碱金属具有理论比容量高和化学电势低等特点，其中，锂金属负极具有高达3860mAh g-1的理论比容量，与标准氢电极相比，工作电位为3.04V；钠金属负极具有高达1166mA h g 1的理论比容量，与标准氢电极相比，工作电位为2.714V，一旦采用碱金属负极，可大大提高电池的系统能量密度，同时降低电池单位瓦时的成本，显著提升用户体验并创造商业价值。但研究表明，无论是锂金属负极还是钠金属负极，在电池循环过程中均会出现枝晶生长、体积膨胀收缩和极片脱落等问题，枝晶生长还会导致固体电解质界面膜的持续形成和破裂。“死碱金属”和固体电解质界面膜的堆积阻碍了有效碱金属离子的迁移，导致电池的极化增大、库伦效率低和循环稳定性差，并存在一定的安全隐患，阻碍了高能量密度碱金属电池的商业化进程。

针对上述问题，对于金属负极材料而言，大多数专利关注的是，金属负极靠近电解液或固态电解质的一侧，并进行改性修饰或者构造负极保护层。如在专利公开号CN113437248 B中，发明人通过金属蒸气与氧气反应，将反应生成的金属氧化物镀敷在钠金属负极极片表面，形成一层机械强度高、化学性质稳定的金属氧化物保护层。尽管文中提到纳米级的金属氧化物和钠金属在电化学条件下能形成对应钠盐，提高钠离子传输速率，但在实际加工过程中，氧化物厚薄难以控制，较厚处的氧化物将会带来较大的电子、离子阻抗，并不能一致地改善电极的电化学性能。专利公开号CN 109037594 B公开了一种自愈合聚合物修饰的碱金属负极及其制备方法与应用。首先将具有自愈合功能的聚合物溶解在有机溶剂中，然后将其均匀地涂覆在碱金属表面，聚合物可与金属表面的碱金属离子形成螯合物并作为强健的固态电解质(SEI)膜覆盖在碱金属的表面。碱金属表面形成的SEI膜十分均匀，不仅显著的降低了界面间的副反应，还可以自发的修复碱金属充放电循环过程中由于体积膨胀/收缩引起的机械损伤及裂痕，从而有效的抑制了枝晶生长并缓解了碱金属的体积变化，保障了稳定且高效的长期循环性能。但此类有机物保护层具有特异性，针对不同的电解液、电解质体系，需要进行大量的验证试验，不利于实际工艺开发。专利公开号CN114300767 A公开了一种基于低温熔盐的碱金属固态电池界面改性方法与应用，通过将熔盐放置在固态电解质表面上进行高温加热，使其熔化展开并均匀覆盖固态电解质表面后，低温凝固得到熔盐薄膜；将负极碱金属放置在熔盐薄膜上，高温加热熔化负极碱金属，使其与熔盐薄膜发生置换反应，得到熔盐薄膜中金属阳离子所对应的金属和碱金属盐后，使熔盐薄膜中金属阳离子所对应的金属与负极碱金属发生合金化反应得到合金，进而在负极和固态电解质的界面处形成合金和碱金属盐的混合中间相。发明者认为该发明能够提升界面的稳定性，抑制循环过程中碱金属负极向固态电解质的渗透，达到避免电池短路的目的。事实上，由该文中发明者所述，在负极碱金属和固态电解质处将会形成并包含：碱金属、碱金属合金、碱金属熔盐、低温熔盐、固态电解质等诸多产物，界面接触难以保障，并不利于电池循环；另外，文中虽说能适用于固态电解质，但此类固态电解质必须能承受一定高温并且有较高的机械强度，满足要求的聚合物固态电解质非常有限，难以推广运用。