[发明专利]含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极及其制备与应用

说明书

本发明属于锂金属电池领域，公开了一种含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极及其制备与应用，其中含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极，包括锂金属基材以及位于锂金属基材表面的保护层；其中，所述保护层是将阳离子型聚合物溶解在有机溶剂中制得溶液，接着再将所述溶液涂覆至锂金属表面，溶剂挥发后在锂金属表面形成的。该含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极尤其可在锂金属电池中应用。本发明通过采用阳离子型聚合物涂层，可以调解锂离子浓度梯度、缓解浓差极化，促进了锂离子的均匀沉积。并且，该阳离子型聚合物为疏水型聚合物，其涂层可以减缓水、氧对锂金属的腐蚀，降低了锂金属电池的生产成本。

技术领域

本发明属于锂金属电池领域，更具体地，涉及一种含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极及其制备与应用，该含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极能够应用于锂金属二次电池。

背景技术

锂离子电池是目前商业化电池中最受欢迎的二次电池之一，然而当前的商业锂离子电池接近于理论能量密度，无法满足电动汽车和电网等高能量密度储能需求。与普通锂离子电池相比，采用碱金属单质为负极的碱金属电池(如，锂金属二次电池)具有极高的理论容量，然而碱金属反应活性很高，能与电解液持续反应，导致电解液的损失、枝晶的生长和电池短路。在锂金属表面涂覆保护层可防止锂金属与电解液的持续反应、抑制锂枝晶的生长，从而实现锂金属的保护。另外，锂金属化学性质活泼，极易与空气中的水、氧反应，导致锂金属的存放和加工必须在干燥间中进行，大幅增加了锂金属电池的成本。因此，亟需开发一种既能抑制锂枝晶生长又具防水功效的锂金属涂层。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极及其制备与应用，通过采用阳离子型聚合物涂层，可以调解锂离子浓度梯度、缓解浓差极化，促进了锂离子的均匀沉积。并且，该阳离子型聚合物为疏水型聚合物，其涂层可以减缓水、氧对锂金属的腐蚀，降低了锂金属电池的生产成本。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极，其特征在于，包括锂金属基材以及位于锂金属基材表面的保护层；其中，所述保护层是将阳离子型聚合物溶解在有机溶剂中制得溶液，接着再将所述溶液涂覆至锂金属表面，溶剂挥发后在锂金属表面形成的。

作为本发明的进一步优选，所述阳离子型聚合物含有咪唑鎓离子、三氮唑鎓离子、吡咯烷鎓离子、吡啶鎓离子、季铵盐鎓离子或季磷盐鎓离子阳离子基团。

作为本发明的进一步优选，所述阳离子型聚合物含有双三氟甲烷磺酰亚胺(TFSI)、双氟磺酰亚胺(FSI)、四氟硼酸(BF₄)或六氟磷酸(PF₆)阴离子基团。

作为本发明的进一步优选，所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)、二甲亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)中的一种或多种。

按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极的方法，其特征在于，该方法是将阳离子型聚合物溶解在有机溶剂中制得溶液，接着再将所述溶液涂覆至锂金属表面，溶剂挥发后即可在锂金属表面形成保护层，从而得到含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极。

按照本发明的又一方面，本发明提供了上述含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极在锂金属电池中的应用。

按照本发明的再一方面，本发明提供了一种锂金属电池，包括正极、负极及电解液，其特征在于，所述负极具体为上述含有阳离子型聚合物涂层的锂金属负极。

作为本发明的进一步优选，所述正极的活性物质为层状尖晶石无机材料、硫单质或者氧气。

作为本发明的进一步优选，所述电解液所采用的非水有机溶剂为1、3-二氧戊烷、乙二醇二甲醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、氟代乙酸甲酯、氟代乙酸丙酯、γ-丁内酯、环丁砜中的一种或多种。