锂金属电池及用于制备锂金属负极中使用的锂金属的方法与流程

本发明涉及一种包括与用于锂金属电池的聚合物载体膜一体化的锂金属负极的锂金属电池及用于制备在锂金属负极中使用的锂金属的方法。

背景技术：

1、电动车辆可以使用超过锂离子电池容量的高容量电池，因此，期望具有高能量密度的负极材料与正极材料并且锂金属电池具有高能量密度和长期稳定性。

2、因此，锂金属（其具有3860 mah/g的高单位重量容量及低标准电极电位（-3.04 vvs标准氢电极））作为用于可充电锂电池的负极材料而受到关注。

3、锂金属电池是使用锂金属作为负极材料的可充电电池，并且锂金属（其比容量比用作用于可充电锂电池的负极的石墨高10倍，但还原电位低）是一种作为用于高能量密度可充电电池的负极的有前景的材料。正在进行实际使用锂金属作为负极材料的各种研究，以使这些锂金属电池商业化。

4、然而，锂负极在充电和放电的过程中可能会生长树脂状锂枝晶，并且锂枝晶可能会造成锂负极的损耗，从而不仅降低电池的容量和循环寿命特性，而且还导致负极和正极的短路，从而导致安全性问题。此外，锂金属的高反应性导致液体电解质的分解，从而在锂负极表面上形成具有低机械强度和高离子电阻的不稳定的绝缘膜。不稳定的膜不仅可能会抑制液体电解质的额外分解，而且还可能会阻碍锂离子的传导，从而降低电池的容量和循环寿命特性。

5、为了解决该问题，已经进行了各种研究（例如在锂表面上涂覆铁电聚合物以抑制锂枝晶生长，应用化学反应来解离由于在碳酸酯类电解质中的低溶解度而使用受限的大量物质，找到用于锂金属电池的电解质组成和添加剂以在锂金属表面上形成稳定的膜等）以通过对锂负极表面和电解质进行改性来改进锂金属电池的特性。

6、换言之，为了使锂金属电池商业化，正在通过在锂金属电池中添加聚合物膜并对电解质的组成（例如溶剂、锂盐、添加剂等）进行多样化和优化来进行积极地研究。

7、然而，在锂金属电池内添加能够抑制锂枝晶生长的聚合物膜的研究的缺点在于锂离子电导率根据聚合物膜的形态而降低，并且由于聚合物的机械性能而不能完全地抑制锂枝晶生长。

8、此外，通过对电解质的溶剂、锂盐、添加剂量等进行研究来探索用于锂金属电池的电解质的新组分的研究的缺点在于锂盐和添加剂的类型受限，其溶解度取决于电解质的溶剂而显著变化。特别地，当在锂金属电池运行过程中连续消耗的添加剂锂盐包含在电解质组成中时，在添加剂锂盐全部消耗之后，容量特性和循环寿命特性可能迅速下降。

9、本背景技术部分中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

技术实现思路

1、本发明的一个方面提供了一种用于制备与聚合物载体膜一体化的锂金属的方法和包括通过所述方法制备的锂金属作为锂金属负极的锂金属电池，所述聚合物载体膜储存能够改进锂金属电池的性能的添加剂锂盐。

2、根据实施方案的锂金属电池包括：正极、与正极相对的锂金属负极以及位于正极和负极之间的隔膜。锂金属负极与多孔聚合物载体膜一体化，所述多孔聚合物载体膜负载添加剂锂盐。

3、添加剂锂盐可以包括lino3、二氟(草酸)硼酸锂（lidfob）、libob（二(草酸)硼酸锂）、lipo2f2、lipf6、libf4、lin(so2f)2、lin(so2c2f5)2、licf3so3、lic4f9o3、lic6h5so3、liscn、lib(c2o4)2、lidfop（二氟(二草酸)磷酸锂）中的至少一种或其任意组合。

4、多孔聚合物载体膜还可以包含聚合物，并且聚合物可以包括聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)共聚物（pvdf-hfp）、聚偏二氟乙烯（pvdf）、聚四氟乙烯（ptfe）、聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）、聚氧化乙烯（peo）、聚丙烯（pp）、聚酰亚胺（pi）、聚酰胺酰亚胺（pai）、聚苯乙烯（ps）、聚氯乙烯（pvc）、聚醚醚酮（peek）、聚酯砜（pes）中的至少一种或其任意组合。

5、多孔聚合物载体膜的厚度可以小于或等于5 μm。

6、基于多孔聚合物载体膜的总量（100重量%），可以以范围为2重量%至20重量%的量包含添加剂锂盐。

7、锂金属负极的厚度可以在5 μm至200 μm的范围内。

8、与负载添加剂锂盐的多孔聚合物载体膜一体化的锂金属负极可以包括：集电体、位于集电体上的锂金属层以及多孔聚合物载体膜，所述多孔聚合物载体膜负载添加剂锂盐并且位于锂金属层的表面上。锂金属层和多孔聚合物载体膜可以是一体化的。

9、锂金属层的厚度可以大于集电体，并且集电体的厚度可以大于多孔聚合物载体膜。

10、添加剂锂盐可以包括第一添加剂锂盐和第二添加剂锂盐。第一添加剂锂盐可以包括lino3。第二添加剂锂盐可以包括lidfob、libob、lipo2f2、lipf6、libf4、lin(so2f)2、lin(so2c2f5)2、licf3so3、lic4f9o3、lic6h5so3、liscn、lib(c2o4)2、lidfop中的至少一种或其任意组合。所包含的第一添加剂锂盐的量可以大于第二添加剂锂盐的量。

11、可以以3:1至5:1的重量比包含第一添加剂锂盐和第二添加剂锂盐。

12、正极可以包含正极活性材料，并且正极活性材料可以包括licoo2、linixcoymnzo2（x、y和z各自独立地为0至1的实数，其中x+y+z=1）、linixcoyalzo2（x、y和z各自独立地为0至1的实数，其中x+y+z=1）、lifepo4、硫中的至少一种或其任意组合。

13、正极活性材料可以包括linixcoymnzo2（x、y和z各自独立地为0至1的实数，0.8≤x<1，x+y+z=1）、linixcoyalzo2（x、y和z各自独立地为0至1的实数，0.8≤x<1，x+y+z=1）或其组合。

14、根据另一个实施方案的用于制备与负载添加剂锂盐的多孔聚合物载体膜一体化的锂金属的方法包括：混合有机溶剂、聚合物和添加剂锂盐以获得聚合物溶液，将聚合物溶液涂覆到锂金属表面上，以及对涂覆在锂金属表面上的聚合物溶液进行干燥。

15、多孔聚合物载体膜中的添加剂锂盐和聚合物可以如上文所述。

16、聚合物溶液可以在锂金属表面上涂覆为范围为30 μm至80 μm的厚度。

17、基于聚合物溶液的总量（100重量%），可以以范围为2重量%至20重量%的量包含添加剂锂盐。

18、添加剂锂盐包括第一添加剂锂盐和第二添加剂锂盐。第一添加剂锂盐可以包括lino3。第二添加剂锂盐可以包括lidfob、libob、lipo2f2、lipf6、libf4、lin(so2f)2、lin(so2c2f5)2、licf3so3、lic4f9o3、lic6h5so3、liscn、lib(c2o4)2、lidfop中的至少一种或其任意组合。所包含的第一添加剂锂盐的量可以大于第二添加剂锂盐的量。

19、可以以3:1至5:1的重量比包含第一添加剂锂盐和第二添加剂锂盐。

20、可以以1:1的重量比包含有机溶剂和添加剂锂盐。

21、混合有机溶剂、聚合物和添加剂锂盐可以在范围为30°c至50°c的温度下进行。

22、对涂覆在锂金属表面上的聚合物溶液进行干燥可以在范围为80°c至100°c的温度下在真空条件下进行6至24小时。

23、根据实施方案的锂金属电池包括与负载添加剂锂盐的多孔聚合物载体膜一体化的锂金属负极，即使在溶解度极低的溶剂中也可以连续地溶出微量锂盐并产生电化学作用，从而能够显著改进锂金属电池的循环寿命特性。