[发明专利]一种用于金属锂负极的改性隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种用于金属锂负极的改性隔膜及其制备方法和应用。该改性隔膜包括基底膜和涂覆于基底膜上形成的修饰层；制备修饰层的原料组分包括碳材料、功能助剂和含锂表面活性剂；碳材料、功能助剂和含锂表面活性剂的质量比为(5～9)：(1～2)：1。在制备锂离子电池时，该改性隔膜贴于金属锂负极一侧放置时，修饰层具备锂离子储存和传导功能，能促进锂离子在锂负极表面的均匀分布和沉积；改变负极SEI的生成位置，由常规地直接生长在锂负极表面，变成原位生长于碳层表面，从而消除了锂负极SEI随锂负极巨大的体积变化而发生反复生成、分解和造成活性锂消耗；并能自适应锂负极充放电过程中的体积变化，确保负极侧宏观体积变化可控。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种用于金属锂负极的改性隔膜及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着电子、信息和新能源汽车等产业的迅猛发展，新能源储存装置已成为科学和技术发展的焦点，而高性能、大容量的锂离子电池的研究和开发成为当前新能源和材料领域的研究热点。由于拥有能量密度大、工作电压高、使用寿命长、环境友好等诸多优点，锂离子电池已经在众多领域中发挥着极其关键的作用。目前，虽然以石墨(比容量372mAh/g)为负极的锂电池实现了商业化的大规模生产，但随着对高容量的负极材料需求的增加，传统低比容量的石墨将很难满足储能器件的发展要求，开发以锂金属为负极的高容量二次电池重新成为国际研究的前沿热点问题。与传统石墨相比，锂金属负极具有超高能量密度，其理论比容量高达3860mAh/g，为石墨比容量的十倍，且其体积密度低(0.534g/cm³)以及具有最负的还原电位(-3.040V，相对于氢标准电位)，是取代石墨的长期负极解决方案。

然而，锂金属的循环一直是制约其应用的最主要问题，原因可以归结为以下三方面：(1)金属锂表面的不均匀沉积：随着循环次数的增加，金属锂表面逐渐形成锂枝晶，并继续生长形成死锂，造成锂粉化和空洞，过程中造成电解液和活性锂的消耗，电池库伦效率下降，且枝晶和死锂的堆积导致电池极化增加，上述共同导致电池容量的快速衰减，另外，锂枝晶和粉化的金属锂还会引发可能的电池内部短路、电池热失效甚至发生爆炸等一系列安全问题：(2)界面不稳定：金属锂极其活泼，与电解液以及部分固态电解质接触均会发生程度不同的化学反应/电化学反应，同时形成的SEI随着金属锂枝晶生成以及体积变化会发生反复的生成和分解，导致电解液和活性锂的持续消耗，同时导锂离子差的副反应产物堆积会造成极化增加。(3)金属锂的体积变化：金属锂在充放电过程中绝对的体积变化高达100％，这种巨大的体积变化会导致SEI破裂，从而造成SEI反复生成和分解；特别地，对于使用固态电解质的金属锂电池，由于固态电解质是一种相对刚性且无流动性的物质，负极锂在充放电过程中的体积膨胀/收缩，加上金属锂表面无定向的溶解沉积所导致的金属锂的粉化消耗，使得电解质和金属锂负极之间出现了部分空层，这种空层使得锂离子传递路径断裂，电池内阻逐渐增加，从而导致电池容量衰减。

为了解决金属锂的循环问题，同时考虑到工艺放大和应用可行性，构建金属锂稳定界面层(人工SEI)、引导均匀锂沉积是最为直接高效的解决方案。目前，较为普遍的做法是在现有的电解液中引入各种添加剂，如碳酸亚乙烯酯(VC)，FEC等溶剂类和LTFSL、LiFSI、LiNOj等锂盐类，通过引入稳定性更高和结构更为强韧的SEI组分，能在一定程度上减少SEI的分解对活性锂的消耗，但长时间的循环性能依然亟需提升。