[发明专利]利用液态金属抑制锂枝晶生长的锂电池及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及利用液态金属抑制锂枝晶生长的锂电池及其制备方法和应用；所述方法包括如下步骤：在集流体上涂覆镓基液态金属层，将所述集流体作为正极，然后在惰性气氛中将该集流体与锂电池所需部件共同组装成液态电池，即得。本发明利用低温镓基液态金属涂层提高集流体的亲锂性，进而降低锂的初始成核势垒，最终消除锂枝晶的生长，实现了均匀的金属锂沉积，显著提高了电池的库伦效率，稳定了SEI膜，延长了电池的循环寿命，降低了锂枝晶诱导的安全性问题的发生。这种方法通过简单的液态金属涂覆即可完成集流体的制备，非常有利于规模化生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种利用液态金属抑制锂枝晶生长的锂电池及其制备方法和应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着电动汽车等新能源行业的快速发展，人们对高安全、高能量密度的储能器件要求越来越迫切。锂离子电池是目前发展最为迅猛的新型储能装置。但是，目前所用的锂离子电池能量密度普遍较低，这限制了它的进一步发展。金属锂是最有潜力的锂离子电池负极，具有轻质(0.534g/cm³)、理论比容量高(3860mAh/g)、电化学电势低(-3.040V/vs.标准氢电极)等优点。更为重要的是，金属锂负极能够与硫、硒、五氧化二钒、氧气等无锂高容量正极匹配构成高能量密度电池体系。但是锂的不均匀沉积会产生锂枝晶，进而导致电池出现安全问题、较低的库伦效率和较低的循环寿命。集流体的亲锂性对锂的沉积形貌具有重要影响，一般疏锂性的集流体(例如铜箔、泡沫铜、泡沫镍)在锂的成核初始会有较大的成核势垒(或成核过电势)，进而导致后续不均匀的锂沉积和锂枝晶的产生。为了提高集流体的亲锂性，降低锂的初始成核势垒，科研工作者们进行了相关的研究工作来提高集流体的亲锂性，比如原位形成氧化物层、磁控溅射成核种子(如金、锌、银等)、异质非金属原子掺杂(例如氮、硫、磷)等方法。但是这些研究工作还远远不够，而且有些方法比较复杂，成本高且难以实现大规模生产。

发明内容

开发低成本、能够大规模生产的方法来提高集流体亲锂性，并将其应用于金属锂负极，对高安全、高能量密度锂金属电池的进一步发展具有重要意义。针对上述问题，本发明提供一种利用液态金属涂层抑制锂枝晶生长的锂电池及其方法和应用。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段为：

首先，本发明公开一种利用液态金属抑制锂枝晶生长的锂电池，包括集流体、锂负极、电解液和隔膜，隔膜位于锂负极和集流体之间，电池内部填充有电解液,所述集流体靠近隔膜的一面涂覆镓基液态金属层。

其次，本发明公开一种利用液态金属抑制锂枝晶生长的锂电池制备方法，包括如下步骤：在集流体上涂覆镓基液态金属层，将所述集流体作为正极，然后在惰性气氛中将该集流体与锂电池所需部件共同组装成液态电池，即得。

最后，本发明公开所述利用液态金属抑制锂枝晶生长的锂电池及其方法在新能源行业领域中的应用，如用于电动车、制备储能装置等。

本发明提出的方法的特点是：利用低温镓基液态金属涂层提高集流体的亲锂性，进而降低锂的初始成核势垒，最终消除锂枝晶的生长，实现了均匀的金属锂沉积。这是因为：(1)镓基液态金属熔点低，具有流动性，容易成膜，使涂覆简单。(2)镓基液态金属能够与锂发生合金化反应，因此具有亲锂性，其涂层能够降低锂的初始成核势垒，最终消除锂枝晶的生长，实现均匀的锂沉积，因为液态金属属于一种合金，其合金组分(如镓、铟、锡、锌)能够与锂发生合金化反应，形成富锂合金，所以液态金属具有亲锂性。而一般的集流体(如铜箔)不能与锂发生合金化反应，因此具有疏锂性。锂在这些疏锂性的集流体上的成核需要克服较大的界面能和成核势垒，导致不均匀的锂成核，这是形成不均匀锂沉积的根源。将亲锂性的液态金属涂覆在疏锂性的集流体表面形成薄层，能够提高集流体表面的亲锂性，进而降低锂在沉积过程中的界面能和成核势垒，诱导均匀的锂成核和沉积。