[发明专利]一种多层锂金属电池负极及其制备方法和制备设备

说明书

本发明涉及一种多层锂金属电池负极及其制备方法和制备设备，所述多层锂金属电池负极包含集流体、锂金属层、快离子导体层以及功能保护层。本发明还涉及所述多层锂金属电池负极的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)锂金属蒸镀步骤；(2)快离子导体蒸镀步骤；以及(3)保护物质和聚合物固态电解质涂布步骤。此外，本发明涉及一种制备所述多层锂金属电池负极的设备。本发明的多层锂金属电池负极利用了锂金属层、快离子导体层和功能保护层的复合协同作用，明显地提高了锂金属电池的循环性能、循环寿命和安全性，解决了锂金属负极中出现的锂枝晶问题。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种多层锂金属电池负极及其制备方法和制备设备。

背景技术

从1991年索尼公司量产的第一批锂离子电池至今，“摇椅式电池”成为进入市场发展最快的锂离子电池，现有体系的锂离子电池的能量密度以及比容量逐渐逼近其理论极限。随着便携式电子设备和电动汽车市场的快速发展，传统的碳负极渐渐无法满足人们日益增长对能量密度的需求，寻找新型负极材料成为未来锂电行业的发展趋势。锂金属具有最低的氧化还原电位(-3.04V，相对于标准氢电极)和极高的比容量(3860mAh·g^-1)，锂金属负极材料已受到相当大的关注。

然而在实际应用中，锂金属负极的高活性带来较大的安全隐患。由于锂离子的不均匀沉积所引发的枝晶问题限制了锂金属负极商业化的进程。锂枝晶的存在会在一定程度增大比表面积，并加剧界面副反应，加快固体电解质界面膜(SEI膜)的破裂与再生。同时，不规则的枝晶断裂后，会成为失去电化学活性的“死锂”，使负极严重“粉化”，增加阻抗，降低锂电池的循环容量与循环寿命。此外，持续生长的枝晶穿透隔膜后，与正极接触，造成电池内部短路，严重影响锂金属电池的实际应用。

目前，如何抑制锂枝晶的生长，改善锂金属负极稳定性，已经成为相关学者的研究热点。中国专利申请CN105845891A公开了一种具有双层结构的金属锂负极，该金属锂负极由底层的金属锂层及上层的表面覆盖层构成，所述表面覆盖层为碳材料、聚合物材料和玻璃纤维中的一种或几种，采用电解液和正极材料组装为电池，可调控锂离子在负极表面的分布，抑制锂枝晶的大量产生。然而，该金属锂负极不能完全消除锂枝晶生长的影响，该表面覆盖层的厚度最大为200μm，会增加电池的内阻，影响锂离子的传输速率，从而降低电化学循环的容量保持率。

中国专利申请CN107093705A公开了一种固态电解质保护层的制备方法，具体为将盐类或酯类作为添加剂溶解到有机溶剂中，制成电解质溶液；取电解质溶液与金属锂片反应，使得在锂片表面形成一层固态电解质保护层。虽然固态电解质保护层对锂枝晶有一定的抑制作用，但是该保护层不致密、不均一，机械强度较低，且包含伴随电解质溶液与金属锂片反应生成的副产物。

中国专利申请CN108565398A公开了一种具有无机保护涂层的锂负极及其制备方法，所述无机保护层由锂离子导体无机化合物或可在锂负极表面原位生成锂离子导体的无机化合物与粘结剂制备而成，促使锂离子均匀沉积，减缓了锂枝晶的生长。但是，当锂枝晶生长到一定程度后，由于没有保护物质与锂枝晶进行反应，无法进一步遏制锂枝晶的生长，因而无法规避电池内部的短路风险。另外，该专利仅仅适用于锂片，采用涂布法，涂布厚度偏大，无机化合物粒子的粒径为50nm以上，粘结剂含量多，导致导离子性降低，不利于锂离子的传输，降低电化学性能。