[发明专利]锂金属电池用负极集电器、其制造方法、以及包含该负极集电器的锂金属电池

说明书

本发明涉及一种锂金属电池用负极集电器、其制备方法、以及包含该负极集电器的电极组件和锂金属电池，所述集电器包含金属集电基材和在所述金属集电基材的至少一个表面上形成的涂层，所述涂层包含铁电体、能够与锂合金化的金属材料、导电材料和粘合剂。

技术领域

与相关申请的交叉引用

本申请要求在韩国知识产权局于2020年12月4日提交的第10-2020-0168163号韩国专利申请和2021年12月1日提交的第10-2021-0170445号韩国专利申请的权益，通过引用将所述韩国专利申请的公开内容整体并入本文。

本公开内容涉及一种锂金属电池用负极集电器、其制造方法以及包含该负极集电器的锂金属电池。

背景技术

目前可以从市场获得的全部锂二次电池负极全部使用石墨，但随着具有高容量密度和输出的高性能二次电池的开发的兴起，越来越多地尝试使用锂金属作为负极(negative electrode)。

首先，石墨在用Li完全充电时的理论容量小，为372mAh/g，并且锂离子传导率低，为10^-12～10^-14cm²·s^-1，从而实现在2C倍率下相对于理论容量小于30％的低容量。对于在需要单位体积容量和高输出的高性能二次电池中使用石墨作为负极而言，石墨本身的电化学性质并不优异，因此不适合用作下一代电池负极材料。

其次，在石墨的情况下，能够稳定使用的电解质种类有限。石墨是一种层间材料，它与锂离子以及阴离子和溶剂分子形成层间化合物。通常，在使用碳酸亚丙酯(PC)液体电解质时，锂离子和溶剂分子同时进入石墨内部的共嵌入现象诱发形成石墨的石墨烯层剥离，由此导致的容量降低逐渐加速，在长期使用中引起问题。

另一方面，与石墨不同，锂金属没有上述问题。锂金属的理论容量(3862mAh/g)是石墨的10倍以上，并且即使在2.0mA/cm²以上的电流密度条件下，锂金属的沉积/解吸效率也在90％以上，因此，可以用作高性能二次电池的负极。

然而，金属锂由于锂金属在反复充电和放电过程期间在金属表面上出现锂金属枝晶生长而具有多孔结构，短路，并且产生被称为死Li的锂细粉，这导致在安全性和长期寿命特性方面的问题。锂金属枝晶的形成通常由沙时间(sand time)模型来描述，锂金属表面上存在的锂离子浓度的快速减少以及由此导致的阳离子和阴离子的电荷失衡引发了锂金属枝晶的生长。这些问题可以通过锂金属表面上的陶瓷层或石墨烯涂层来缓解，但它局限于物理压制锂金属枝晶生长的方法。为了有效抑制锂金属枝晶，有必要分析从锂金属枝晶的成核阶段到生长阶段，并且需要开发一种能够对此进行调节的负极集电器。

发明内容

技术问题

本公开内容的目的在于提供一种锂金属电池用负极集电器，所述负极集电器通过调节所述负极集电器周围的锂离子浓度和成核晶种位点来抑制枝晶形成、并表现出均匀的Li生长行为和改善的电化学性能；及其制造方法。

本公开内容的另一个目的是提供一种包含该负极集电器的锂金属电池。

技术方案

根据本公开内容的一个实施方式，提供了一种锂金属电池用负极集电器，所述负极集电器包含：金属集电器基材、以及在所述金属集电器基材的至少一个表面上形成的涂层，所述涂层含有铁电体、能够与锂合金化的金属材料、导电材料和粘合剂。

在此，所述金属集电器基材可以是选自由铜、不锈钢、铝、镍、钛、煅烧碳、用异种金属进行了表面处理的铜、用异种金属进行了表面处理的不锈钢、以及铝-镉合金组成的组中的一者，具体地，它可以是包含铜的金属。