[发明专利]一种用于锂电池的金属锂负极和锂电池

说明书

本发明涉及一种用于锂电池的金属锂负极，其中金属锂负极包括金属锂基体和致密无机化合物表面层，所述的金属锂基体包括金属锂及其合金，所述的无机化合物表面层为包含能够在电解液中与金属锂发生原位氧化还原反应生成锂化合物和纳米金属粒子复合结构的金属化合物。该金属锂负极的致密无机表面层能够在电池注入电解液时自发与金属锂发生反应，生成高离子电导率的锂化合物相，同时锂化合物相内部生成均匀分布的纳米金属粒子相，纳米金属粒子使得无机表面层具有电子电导特性，进而形成连续无孔的具有离子、电子混合导电特性的复相结构致密无机表面层。具有该无机表面层的金属锂用于锂电池中能够有效抑制金属锂的副反应，提高电池的安全性和循环寿命。

技术领域

本发明涉及化学电源领域，具体涉及一种用于锂电池的金属锂负极。

背景技术

化学电源在国民经济中显示出越来越重要的影响，锂离子二次电池与铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等二次电池体系相比，具有比能量、比功率高，以及更长的循环寿命等优势，成为电动车和风光发电储能等新兴领域的首选二次储能电池。

随着世界各国对能源环境问题的不断重视，电动车和风光储能技术得到了飞速的发展，而二次电池的能量密度是限制上述领域广泛普及的关键因素之一。目前，商品化锂离子电池所使用的正极材料包括：LiCoO₂(130～140mAh/g)、 LiNiO₂(170～180mAh/g)、LiMn₂O₄(110～130mAh/g)、LiFePO₄(130～140mAh/g) 和三元材料(160～180mAh/g)等。晶体化合物的嵌脱锂容量受限于晶体结构，进一步提高这类材料的比容量已经比较困难。因此，研究和开发以金属锂为负极的高能量密度的二次电池体系已成为二次电池未来发展的主要趋势。但是，金属锂负极目前还存在如下问题：1、金属锂高的反应活性造成充放电反应过程中副反应的发生；2、金属锂枝晶的产生造成电池短路等安全问题；3、金属锂枝晶的脱落产生的“死锂”造成活性物质的损失。

针对上述问题目前主要采用如下方法对金属锂进行改性保护：1、采用电解液添加剂抑制金属锂枝晶的产生，提高金属锂的循环效率；2、采用锂合金降低金属锂的活性，进而降低表面的副反应，提高金属锂的循环效率；3、在金属锂表面预制备聚合物或无机保护层抑制金属锂枝晶的形成，提高金属锂的循环效率。如，Ding等利用Cs+离子抑制金属锂枝晶的形成，以Li|Li₄Ti₅O₁₂组成电池体系的效率达到99.86％(J Am Chem Soc 135(11):4450–4456)，Zheng等利用碳壳作为金属锂的保护层，提高金属锂的循环效率(Nat.Nanotechnol.2014, 9,618.)。

虽然，采用上述改性保护的方法能够提高金属锂的使用性能，但是并没有达到金属锂实用化的效果。本发明一种金属锂负极，该金属锂负极的无机表面层能够在电池注入电解液时自发与金属锂发生反应，生成高离子电导率的锂盐相和高电子电导的纳米金属粒子相，纳米金属粒子使得无机表面层具有电子电导特性，进而形成连续无孔的具有离子、电子混合导电特性的无机表面层。具有该无机表面层的金属锂用于锂电池中能够有效抑制金属锂的副反应，提高电池的安全性和循环寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锂电池的金属锂负极，金属锂表面无机金属化合物层能够在电池制备过程中自发形成具有高离子电导率的锂盐相和高电子电导的纳米金属粒子相的无孔隔离层，这种隔离层具有高的离子和电子电导和高的机械强度，以其为负极的锂电池具有很高的安全性能和循环寿命。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于锂电池的金属锂负极，其中金属锂负极包括金属锂基体和无机化合物表面层；

所述的金属锂基体包括金属锂或锂合金；