[发明专利]一种改性锂金属负极、制备方法及其电池

说明书

本发明公开了一种改性锂金属负极、制备方法及其电池。该改性锂金属负极包括导电基底及其表面包覆的一层锂锌合金层；所述导电基底包括锂金属或集流体，所述锂锌合金层由锂金属与含有锌盐的溶液原位反应生成，锂锌合金层的厚度为1nm～100μm。本发明通过表面原位构筑一层锂锌合金层，实现了锂金属负极界面电荷快速迁移，改善了界面电化学反应动力学，有效抑制锂枝晶的生长，有效避免锂金属与电解液之间接触，减少锂与电解液之间的副反应，在较高容量和电流密度的充放电条件下，具有较好的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种改性锂金属负极、制备方法及其电池。

背景技术

面对当前日益严峻的能源和环境问题，汽车技术不得不朝着燃料多元化、动力电气化的方向变革。进一步提高动力电池比能量、比功率、使用寿命、可靠性和安全性，以及进一步降低成本是电动汽车发展的持续要求，也是动力电池技术发展的永恒主题和趋势。考虑到锂离子电池的能量密度难以突破300Wh·kg-1这一极限值，难以满足未来轻型化、大容量、长续航的电子设备、电动汽车、无人飞机等技术发展要求。开发具有更高比能量的二次电池，成为国际社会面临的共同挑战。传统锂离子电池采用石墨作为负极材料，而石墨负极理论比容量低(372mAh/g)严重限制了其进一步发展。因此开发更高比容量的负极材料尤为重要。

锂金属被认为是理想的负极材料，因为其具有高的理论比容量(3860mAh/g)，低的电化学电势(-3.04V相对于标准氢电极)和低的密度(0.534g/cm3)等优点，能显著提高锂离子电池的能量密度。此外，与传统锂离子电池中，锂离子来源于正极不同的是，非锂化正极材料(硫或空气)形成高比能量电池系统。

但是，与石墨等“主体类”负极材料在循环过程中只是可逆的嵌入和脱出锂离子不同，锂金属负极发生的非均匀溶解-沉积过程在作为二次电池负极材料时，其可逆性和效率等就不可避免的遇到巨大困难，表现为锂在沉积过程中枝晶的生长，这也正是锂金属二次电池在上世纪短暂存在，却不得不被以安全和循环置换能量牺牲为代价的锂离子电池取代的原因。

锂枝晶造成的库伦效率低和严重的安全问题从根本上限制了锂金属负极的实际应用。锂枝晶的成核和生长都与电解液(质)及负极的表面层直接相关，表面层的成分、结构和物质特性及其均匀性对锂的沉积起到至关重要的作用。由于锂金属可以与大多数有机溶剂反应，因此，有效界面钝化膜的形成将抑制锂金属与电解液的副反应，提高电池的库伦效率。此外，我们知道，在锂金属负极的电化学反应过程中，锂的溶解与沉积是必然过程，与之对应的是电极体积在循环过程中的巨大变化，这也必然会导致界面钝化膜的破损，一方面，暴露“新鲜”金属锂表面形成所谓活性位点造成锂离子流的不均匀从而加剧锂沉积的不均和枝晶的出现，另一方面，高比面积的锂枝晶又会不断引发界面钝化膜的破损与再生，连续不断的发生电解液与金属锂的副反应，直到电解液耗尽或锂枝晶刺穿隔膜造成短路，这些问题的恶性循环最终降低库伦效率从而严重影响循环寿命和电池安全。这正是锂金属本征特性与作为二次电池负极材料应用要求之间存在的巨大矛盾与挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种改性锂金属负极、制备方法及其电池，解决了上述背景技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种改性锂金属负极，包括导电基底及其表面包覆的一层锂锌合金层；所述导电基底包括锂金属或集流体，所述锂锌合金层由锂金属与含有锌盐的溶液原位反应生成，锂锌合金层的厚度为1nm～100μm。

在本发明一较佳实施例中，所述锂锌合金层的厚度为100nm～5μm。

在本发明一较佳实施例中，所述集流体的材质包括铜、镍、钛、铁、银、铂、金、碳、不锈钢中的至少一种。

在本发明一较佳实施例中，所述集流体的表面沉积有锂金属层。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了一种改性锂金属负极的制备方法，包括如下步骤：