[发明专利]功能化隔离膜及锂金属电池

说明书

本发明公开了一种功能化隔离膜及锂金属电池，功能化隔离膜包括多孔基材以及设置于多孔基材至少一侧的功能膜层；功能膜层包含无机粒子，无机粒子能与金属锂发生可逆反应形成锂合金。采用本发明提供的功能化隔离膜，能改善金属锂电极表面性质、抑制锂枝晶的生成，从而提高锂金属电池的首次库伦效率、循环性能及安全性能。

技术领域

本申请属于储能装置技术领域，具体涉及一种功能化隔离膜及锂金属电池。

背景技术

金属锂的理论比容量(3860mAh/g)远高于当前广泛应用的石墨负极材料的理论比容量(372mAh/g)，且金属锂的电极电位低至-3.04V(vs.H₂/H⁺)。因此，以金属锂作为负极材料的锂金属电池有望成为下一代高能量密度储能装置。然而，锂金属电池在充电过程中容易产生锂枝晶，这不仅会降低电池的库伦效率及循环寿命，甚至会造成锂枝晶穿透隔离膜引发正负极发生内短路，引起电池爆炸、起火等安全事故。锂枝晶问题严重阻碍了锂金属电池的商业化应用。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明提供一种功能化隔离膜及锂金属电池，旨在抑制锂金属电池中锂枝晶的生成，以改善锂金属电池的首次库伦效率、循环性能及安全性能。

为了达到上述目的，本发明第一方面提供一种功能化隔离膜，功能化隔离膜包括多孔基材以及设置于多孔基材至少一侧的功能膜层；功能膜层包含无机粒子，无机粒子能与金属锂发生可逆反应形成锂合金。

本发明第二方面提供一种锂金属电池，锂金属电池包括：正极片；负极片，包括锂基金属层；隔离膜，该隔离膜为采用本发明第一方面的功能化隔离膜，且功能膜层与锂基金属层接触设置；以及电解液。

相对于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供的功能化隔离膜包括功能膜层，功能膜层包含无机粒子，无机粒子能与金属锂发生可逆反应形成锂合金。当功能化隔离膜用于锂金属电池且功能膜层与锂金属接触时，在电解液作用下，无机粒子与金属锂发生可逆反应原位形成锂合金，从而改变了金属锂电极表面的锂组成。锂合金的形成能够调控锂离子沉积/溶出的行为，有效抑制锂金属电极枝晶的生长，有利于提高锂金属电极中锂离子沉积/溶出过程的可逆性。由此，采用本发明的功能化隔离膜，能改善锂金属电池的首次库伦效率、循环性能及安全性能。

进一步地，还可以在无机粒子的至少部分表面包覆有聚合物包覆层，包覆层中含有与锂离子进行可逆键合的基团。该基团与锂合金发生原位反应，进行其与锂离子的可逆键合，提高了包覆层与无机粒子的结合牢度。由此，包覆层能更好地抑制锂合金在电池充放电过程中的体积变化。并且，包覆层的基团与锂离子原位形成的化学键还可以作为锂离子传递的通道，能促进锂离子的传递，改善金属锂电极中的动力性能。这样的功能化隔离膜能进一步提高锂金属电池的首次库伦效率、循环性能及安全性能。

进一步地，功能膜层还可以包括聚合物离子液体。聚合物离子液体的结构中含有正电荷基团和负电荷基团。正电荷基团能和聚合物包覆层的与锂离子进行可逆键合的基团相互作用，使聚合物离子液体与包覆层的聚合物进行物理交联，从而提高功能膜层的强度和耐电解液性。负电荷基团有利于加强锂离子正电荷的传递速率，降低阻抗和过电位。这样的功能化隔离膜能进一步提高锂金属电池的首次库伦效率、循环性能及安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种功能化隔离膜的结构示意图。

图2为图1中功能膜层的局部放大示意图。

附图标记说明：

1：多孔基材；2：功能膜层；21：聚合物离子液体；22：复合粒子；221：无机粒子；222：聚合物包覆层。