[发明专利]金属锂电池的复合涂层隔膜及其制备方法和相应的锂电池在审

专利信息
申请号: 202111680978.3 申请日: 2021-12-31
公开(公告)号: CN114361711A 公开(公告)日: 2022-04-15
发明(设计)人: 祖晨曦;赵言;蔡博然;杨琪;邱纪亮 申请(专利权)人: 北京卫蓝新能源科技有限公司
主分类号: H01M50/431 分类号: H01M50/431;H01M50/403;H01M10/052
代理公司: 北京智丞瀚方知识产权代理有限公司 11810 代理人: 姜司晨
地址: 102402 北*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 金属 锂电池 复合 涂层 隔膜 及其 制备 方法 相应
【说明书】:

发明涉及一种用于锂电池的复合涂层隔膜及其制备方法和相应的锂电池。该复合涂层隔膜包括:基膜;设置于基膜上的固态电解质涂层;以及,设置在所述固态电解质涂层上的亲锂氧化物涂层;其中,所述固态电解质涂层包含能与锂枝晶反应的固态电解质,所述亲锂氧化物涂层包含能与锂金属通过原位电化学或化学反应形成锂合金的亲锂氧化物。对于本发明的复合涂层隔膜,通过设定于隔膜上的特定成对涂层,使得在均匀化锂离子流的同时,有效地抑制锂枝晶增长,从而提高电池安全性,并且制备方法简单,易于工业化推广和生产。当本发明的锂电池中采用含氟电解液时,本申请所涉及的涂层与含氟电解液的联用使得锂电池具有极其优异的安全快充效果。

技术领域

本发明涉及金属锂电池领域,尤其涉及用于金属锂电池的复合涂层隔膜,制备该复合涂层隔膜的方法以及包括该复合涂层隔膜的金属锂电池。

背景技术

锂电池作为一类电化学储能装置设备,具有无记忆效应、能量密度高以及循环使用寿命长等优点被广泛应用于多个领域,例如应用于便携电子设备、电动汽车中。其中,锂金属具有高的理论能量密度和低的电化学电位而提升电池整体的能量密度同时,还由于超高化学反应活性以及不匀匀的锂沉积而带来一系列核心问题。具体地,高的化学反应活性导致金属锂容易与电解液反应,造成电解液的消耗;不均匀的锂沉积会导致锂枝晶的形成,枝晶容易刺穿隔膜造成短路,并且在脱锂时枝晶会从根部脱离,形成“死锂”,造成不可逆的容量损失。由于锂沉积特点,金属锂电池动力学性能差,尤其表现为快充性能差。快充过程尤其容易产生锂枝晶,阻碍金属锂电池的实际应用。

现如今,诸多研究集中于解决锂枝晶生长的问题。例如,已经报道了在隔膜上涂敷无机锂离子导体和锂盐等材料来诱导锂沉积过程中的锂离子均匀分布 (例如参见CN108365152 B、CN 108695473 A、CN 107819097 A、CN 108777282 A等)。并且另有方法采用在锂负极表面原位生成均匀分散的锂合金和/或氮化锂来增强亲锂性位点,提高锂离子扩散能力,抑制锂枝晶产生(例如参见CN 107910496 B)。然而,在上述两类方法中,一旦在负极表面发生析锂形成树枝状金属锂,便可能会刺穿隔膜,导致锂电池发生短路和燃烧爆炸。

另有报道采用复合涂层的形式,其首先将二氧化硅涂层设置在隔膜基材表面,然后将勃姆石涂层设置在二氧化硅涂层上。从而通过SiOx+yLi+ye→Si+LiyOx以及yLi+SiOx→LiySiOx来抑制锂枝晶的增长(例如参见CN111211278 A)。然而,此类方法中SiO2与锂反应的理论平衡电位低,容易与电解液分解反应一同进行产生有机成分为主的SEI,不利于提前形成无机成分为主的包含亲锂位点的SEI来解决金属锂的不均匀沉积问题,前者的锂/电解质界面不稳定。

此外,还存在设置高分子材料涂层(诸如CN202110308553.3),无机和有机复合涂层等方案(诸如CN201910707142.4等)方案。

除了上述设置涂层方法外,Xiaoge Hao等人(“Constructing MultifunctionalInterphase between Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3and Li Metal by Magnetron Sputtering forHighly Stable Solid-State Lithium Metal Batteries”,Advanced Energy Materials,2019)通过磁控溅射在LATP颗粒表面上构建超薄ZnO层,并与Li原位反应形成固体电解质界面相(SEI)来降低界面电阻,抑制副反应,进而抑制锂枝晶的生长。然而,现行的磁控溅射技术工艺复杂,环境条件苛刻,带来了操作成本和生产成本的大幅度提高。

因此,需要寻找一种方法简单、行之有效的策略来解决金属锂电池中锂枝晶所带来的问题,进一步提升锂电池的电化学性能。

发明内容

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