[发明专利]一种锂电池用低硼含量锂硼合金电极材料及应用

说明书

本发明涉及能源电池领域，特别涉及一种锂电池用低硼含量锂硼合金电极材料及应用。所述电极材料以质量百分比计，包括下述组分：Li85.01‑95％；B4.99‑9.99％；M0.01～5％；所述M选自Au、Ag、Si、Al、Zn、C、Mg中的至少一种；所述电极材料用作锂电池负极材料时，其比容量为2700‑3400mAh/g。本发明实现了高比容量和循环寿命的同步提升。

技术领域

本发明涉及能源电池领域，特别涉及一种锂电池用低硼含量锂硼合金电极材料及应用。

背景技术

鉴于化石燃料的不断枯竭和高污染，以及人们对于智能移动电子设备和电动汽车续航需求的日益提升，开发高比能量二次电池具有重要意义。自1991年以来，锂离子电池(LIBs)以其较长的循环寿命、较低的自放电率和较低的安全风险等诸多优势而被广泛应用于各个领域，然而经过近30年的不断优化和发展，传统锂离子电池的能量密度已接近其理论极限，特别是理论比容量为372mAh g-1的石墨负极。

金属锂由于其具备最低的电极电位(-3.04V，对比标准氢电极)和极高的理论比容量(3860mAh/g)而被认为是储能领域的“圣杯”，因此以金属锂作为负极的锂金属电池(LMBs)如锂/硫电池(2600Wh/kg)和锂/空气电池(3505Wh/kg)是极具潜力的下一代储能体系。然而金属锂由于性质较活泼，在作为二次电池负极时，在充放电过程中反复溶解、沉积，巨大的体积变化导致固体电解质界面(SEI)的不断破坏，一方面可能形成枝晶而刺穿隔膜造成电池内短路，进而引发燃烧等一系列安全事故。另一方面会消耗大量电解液，加速电池的失效，降低电池的循环寿命。

锂硼合金具有丰富的自由锂依附在稳定的Li₇B₆丝状海绵亲锂骨架间隙中，以锂硼合金替代金属锂作为二次电池负极时，Li₇B₆的作用主要表现为：1.可以基本消除自由锂的定向结晶，减少枝晶的形成；2.降低有效电流密度，促进SEI膜的形成；3.作为自由锂沉积与脱出的宿主，降低充放电过程中负极材料的体积膨胀或避免由于锂大量脱出后引起的结构坍塌。目前，由于考虑到Li₇B₆骨架数量对自由锂支撑的稳定性，锂硼合金中硼(B)含量通常较高(10％),高的硼(B)含量大大降低了锂硼合金的最大比容量，但另一方面，过度追求比容量而降低硼(B)含量则会造成骨架结构效果不理想。为了进一步的追求减少枝晶的形成专利CN103972470A提出采用由两相组成的负极材料，在该专利中，一相是锂硼化合物LixBy的矩形骨架，x＝7、y＝6或x＝5、y＝4；另一相为自由金属锂或锂合金，该相中自由金属锂或锂合金分布在多孔且物理性质稳定的LixBy骨架中，x＝7、y＝6或x＝5、y＝4；锂合金的合金元素为Al、Mg、Zn或Si，重量百分含量占锂含量的0.5％～30％。其主要解决了二次锂电池的负极金属锂在循环过程中易产生枝晶、粉化，导致电池循环寿命低、安全性差的问题。但其并未涉及如何提高负极的比容量并同时提升产品的循环寿命这一问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种可同时提高产品比能量并同时提升产品循环寿命的低硼含量锂硼合金电极材料及应用。

本发明通过控制硼含量实现活性锂百分比含量与骨架结构支撑效果之间的合理匹配；同时通过控制掺入元素的种类和百分比含量，从提升Li₇B₆骨架电化学窗口以及第二锂合金相强化两方面提高产品比能量并同步提升产品循环寿命的目的。

本发明一种锂电池用低硼含量锂硼合金电极材料，所述电极材料以质量百分比计，包括下述组分：

Li 85.01-95％、优选为87-92％、进一步优选为88.5-90.5％；

B 4.99-9.99％、优选为7.5-9.99％、进一步优选为8.0-9.9％；

M 0.01～5％、优选为1.0-3.01％、进一步优选为1.5-2.0％；