[发明专利]掺杂的锂阳极、具有掺杂的锂阳极的电池组及其使用方法

说明书

电池组的阳极包括锂金属和在锂金属中的掺杂物。阳极具有至多50μm的厚度，以及掺杂物是电负性大于锂的金属。

本发明是申请日为2020年4月15日、申请号为202080040727.6、发明名称为“掺杂的锂阳极、具有掺杂的锂阳极的电池组及其使用方法”的分案申请。

技术领域

背景技术

设计具有嵌入阴极和阳极的锂离子电池组可以有效地将电力转换和存储为化学能，并且正越来越多地用于大量应用中，例如电子、机器人和电动车辆。然而，这些电池组具有有限的能量密度和高成本，并且不适合于未来的能量储存，尤其是对于大规模应用。因此，迫切需要更高的能量替代品。一种有吸引力的途径是设计先进的金属电池组，其中高容量阴极(例如富含硫、氧或镍的层状氧化物)与金属锂阳极组合。这是有前途的，因为锂金属具有比石墨高十倍的比能(3860相对于370mAh g^-1)和较低的电化学电势。为了用这种锂阳极获得成功，必须提供具有稳定的电极-电解质界面的真正可逆的锂电极，这将允许超薄锂箔(≤30μm)的高效循环数百次循环，而不消耗电解质。

锂金属具有极高的化学反应性，这对其在商业电池组中的使用提出了严峻的挑战。锂金属在几乎所有电解质中自然不稳定，并自发形成易碎、不均匀且绝缘的固体电解质界面(solid-electrolyte interface，SEI)。这导致不均匀的锂离子通量，从而加速了枝晶的生长以及锂金属腐蚀和电解质分解。锂金属的稳定化一直处于深入研究之中，迄今为止，大部分努力集中在开发有效降低局部电流密度的三维结构主体、表面保护层或界面层以及促进更强的SEI的新型电解质或添加物。包括固态电解质和聚合物电解质的物理层的应用也用于防止有害的副反应。尽管这些方法有助于使锂金属电极具有更好的稳定性，但是在高电流密度和高循环容量下获得稳定的循环仍然是非常具有挑战性的。此外，这些方法很少尝试调节金属锂的基本性质，因此性能改进仍然受到其固有反应性的限制。

发明内容

在第一方面，本发明是一种包括锂金属和掺杂物的阳极。阳极具有至多50μm的厚度，以及掺杂物是电负性大于锂的金属。优选地，掺杂物包括银或铝。

在第二方面，本发明是一种电池组，包括阳极、阳极电荷收集元件、阴极、阴极电荷收集元件、电解质和壳体。阳极包括掺杂有掺杂物的锂。

在第三方面，本发明是一种制备掺杂的锂阳极的方法，包括：熔化锂金属，将掺杂物金属引入到锂金属中以形成熔化的掺杂的锂金属，固化该掺杂的锂金属，以及将掺杂的锂金属形成为具有至多450μm厚度的箔。

在第四方面，本发明是一种从上述电池组产生电力的方法，包括：将电池组的阳极和阴极连接到外部负载以完成电路。

在第五方面，本发明是一种对上述电池组进行再充电的方法，包括：将电池组连接到电源。

定义

“电池”是包含电极、隔板和电解质的基本电化学单元。

“电池组”被定义为电池或电池组件的集合，具有壳体、电连接件和可选的用于保护或控制的附加元件。

“掺杂物”是指在所使用的量下不与主要金属形成金属间化合物的任何金属添加物。

“阳极”是指在放电循环期间发生氧化反应的电极。阳极可以是一个连续体，或者它可以包括附接到电流收集元件的多于一个的薄膜。

“阴极”是指在放电循环期间发生还原反应的电极。阴极可以是一个连续体，或者它可以包括附接到电流收集元件的多于一个的薄膜。

“隔板”是指阴极和阳极之间的屏障，以防止它们接触。如果电解质是固体，则不需要隔板来避免阳极和阴极之间的接触。

“电解质”是指含有溶剂和离子的溶液，其传导离子但对电子是绝缘体。电解质可以是液体、固体或凝胶。