[发明专利]含有用固定化阴离子接枝的电解质的锂金属电池

说明书

公开了一种锂金属电池。锂电池包括Li金属阳极、阴极和Li金属阳极和阴极之间的电解质，其中电解质包括至少在Li金属阳极和电解质之间的界面处的固定化阴离子，以在整个充放电循环期间将界面处的阴离子浓度保持在零以上，从而防止Li金属阳极和电解质界面处的表面电位不稳定。

技术领域

本发明涉及锂金属电池，更具体地涉及抑制锂金属电极的表面上枝晶的形成和生长的锂金属电池构造。

背景技术

使用锂金属作为负极的锂电池具有优异的能量密度。然而，随着重复的循环，当对电池充电时由于锂离子不均匀地重新镀在锂金属电极的表面上时，这种电池可能在锂金属电极的表面上发生枝晶的生长。为了最小化锂金属阳极的表面的形态演变(包括枝晶生长)的影响，锂金属电池通常使用机械系统，其将压力施加在电化学电池的多个叠层上，电化学电池的每个叠层包括固态聚合物电解质，如美国专利第6,007,935号所述，其具有足够的机械强度以承受所施加的压力，通过引用将美国专利第6,007,935号并入到本文中。固态聚合物电解质的机械强度和剪切模量与施加到锂金属电极上的机械压力相结合被认为抑制了锂金属电极的表面上的枝晶的生长或者至少在数百次的充放电循环中显著降低枝晶生长速度，使得使用锂金属阳极的锂电池可以具有长的使用寿命。然而，枝晶最终可以在锂金属阳极的表面上形成并且仍然可以生长到穿过电解质，即使电解质是固体并且被证明是防止枝晶的穿孔的有效屏障。枝晶的生长可能最终导致负电极和正电极之间的“软”短路，导致电池的性能下降或不良。枝晶的生长仍然可能限制固态聚合物电解质电池的循环特性，因此仍然构成了具有金属锂阳极的锂电池的性能优化的重要障碍。

多年来，为了揭示枝晶形成和生长过程的机理，努力寻找抑制或防止枝晶形成的方法，已经广泛研究了Li沉积过程期间的Li枝晶生长或者在对电化学电池充电时在Li金属阳极的表面上重新镀覆。发现在充电期间在不同的电流密度下形成不同的枝晶形态。在低电流密度下，观察到针状和颗粒状枝晶，而在较高电流密度下，观察到树状或灌木状枝晶。树状和针状枝晶的演变更成问题，因为树状枝晶的树枝或针状枝晶的针更可能在其生长时穿过固态聚合物电解质，最终接触相对的正极电，由此引起短路。

其它研究表明，在重复的Li沉积(充电)和Li剥离(放电)过程中Li膜的表面的膨胀和收缩导致沿着Li膜结构的晶界的裂缝，裂缝成为表面上的针对Li沉积的优先位置，因此枝晶形成和生长。另一项研究表明，在枝晶演变的早期阶段，枝晶结构的大部分位于Li电极内，在聚合物电解质/Li电极界面下面，并且Li电极中的结晶杂质在表面下的枝晶结构的底部被发现，这说明了锂金属电极的纯度的重要性。

还发现，温度和电解质组成强烈影响Li沉积形态，导致枝晶的形成和生长。

此外，已经表明，当电解质在高电流密度下极化时，电极的表面附近的Li⁺阳离子被还原成Li金属，使得Li⁺阳离子浓度降低，导致阴离子向正电极迁移，直到达到新的平衡为止，由此消耗Li金属的表面上的特定位置的阴离子的Li金属电极的表面，其中阴离子浓度降至零，导致由于表面电位的不规则和不一致分布Li电极和电解质的界面处不稳定，由于Li沉积的优先路径，这产生了导致枝晶形成和生长的局部电场。

设想了几种模型来解释在Li金属的电极表面上的枝晶形成和生长过程的机理；然而，迄今为止还没有提供真正的解决方案来抑制或防止枝晶形成。因此，需要一种包括Li金属电极的电化学电池构造，其特别适于在整个重复的充电和放电周期期间抑制、防止或强烈禁止Li金属电极表面上的枝晶形成和生长。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种锂电池，其包括Li金属阳极、阴极和Li金属阳极和阴极之间的电解质，其中电解质包括至少在Li金属阳极之间的界面处的固定化阴离子，以在整个充放电循环中将界面处的阴离子浓度保持在零以上，从而防止Li金属阳极和电解质的界面处的表面电位不稳定。

在另一方面，电解质包括接枝有固定化阴离子的聚合物层，其位于Li金属阳极和电解质之间的界面处。