CN207441857U - 一种具有高安全性与循环性能的锂金属电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种具有高安全性与循环性能的锂金属电池，包括负极极片、正极极片和用于隔离所述负极极片和所述正极极片的隔膜；所述负极极片朝向隔膜的表面通过磁控溅射法沉积有人工无机锂盐钝化保护层；所述人工无机锂盐钝化保护层的成分为氟化锂、溴化锂、氯化锂、碘化锂、碳酸锂、氢氧化锂、磷化锂、磷酸锂、硝酸锂、硫化锂、硫酸锂或氮化锂。本实用新型提供了一种锂金属电池，通过在负极极片上沉积人工无机锂盐钝化保护层，可以有效地抑制锂枝晶的生长，提高锂金属电池的安全性与循环性能。

Description

一种具有高安全性与循环性能的锂金属电池
技术领域
本实用新型明涉及锂电池领域，具体涉及一种具有高安全性与循环性能的锂金属电池。
背景技术
锂离子电池在现代生活中有着广泛的应用。尽管锂离子电池已经被广泛应用于各种电子设备，混合动力汽车，纯电动汽车上，但是由于它的石墨负极与锂化的正极，容量已经几乎达到了理论容量。锂金属电池由于其高的比容量，是理想的下一代电池。
锂金属电池仍有许多问题需要解决，最大的挑战就是锂枝晶生长的问题。随着电池的循环，锂枝晶会不断的生长与积累，一旦锂枝晶刺穿电池的隔膜，使电池正负极相连，便会造成电池的短路，同时增加欧姆热量，如果使用的是醚类电解液，还会造成电解液燃烧，带来安全隐患。通过对锂负极的改性，可以促进锂的均匀沉积，抑制锂枝晶的生长，解决锂金属电池的安全问题，增加循环性能。
根据目前的研究，对锂负极改性的研究多局限于对电解液的改性，如使用聚合物电解质、离子液体电解质、有机-无机混合电解质等；又或者，通过使用电解液添加剂调控锂负极表面的固体电解质界面膜的成分与结构，如无机类添加剂二氧化碳、卤化锂盐等，或有机类添加剂氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯等。上述的改性方法可以在一定程度上解决锂织晶的问题，但是还不能在根本上解决。
除上述改性方法外，斯坦福大学的崔屹教授提出将单层纳米碳球包覆在金属锂负极的表面，在锂负极和固体电解质界面膜之间构筑一层具有优异机械性能的缓冲层，防止沉积的锂刺穿界面膜。这种方式极大地提高了负极的循环稳定性，抑制了枝晶的产生(Zheng et al.Interconnected hollow carbon nanospheres for stable lithiummetal anodes.Nature Nanotechnology 2014,doi:10.1038/nnano.2014.152)。清华大学张强课题组从金属锂负极本身的结构入手，使用三维Li7B6纳米纤维作为金属锂沉积的骨架，通过设计材料的纳米结构，赋予其自抑制枝晶生长的特性，相关工作近期发表于Small。但这些方式增加了电池整体重量，且制备过程繁琐，不利于商业化生产。
实用新型内容
本实用新型提供了一种锂金属电池，通过在负极极片上沉积人工无机锂盐钝化保护层，可以有效地抑制锂枝晶的生长，提高锂金属电池的安全性与循环性能。
具体技术方案如下：
一种具有高安全性与循环性能的锂金属电池，包括负极极片、正极极片和用于隔离所述负极极片和所述正极极片的隔膜；
所述负极极片朝向隔膜的表面通过磁控溅射法沉积有人工无机锂盐钝化保护层；
所述人工无机锂盐钝化保护层的成分为氟化锂、溴化锂、氯化锂、碘化锂、碳酸锂、氢氧化锂、磷化锂、磷酸锂、硝酸锂、硫化锂、硫酸锂或氮化锂。
作为优选，所述的负极极片为锂片，厚度为0.5～1mm。
人工无机锂盐钝化保护层的厚度对于抑制锂枝晶的生长有着显著影响，作为优选，所述的人工固体电解质界面膜的厚度为100～200nm。该厚度下既可以有效抑制锂织晶生长，又不会显著增加电池内阻。
人工无机锂盐钝化保护层的成分对于抑制锂枝晶的生长也有显著影响。作为优选，所述的人工无机锂盐钝化保护层为氟化锂层、溴化锂层或磷化锂层；进一步优选，所述的人工无机锂盐钝化保护层为氟化锂层。经试验发现，相较于其它种类的人工无机锂盐钝化保护层，氟化锂层对锂枝晶生长的抑制效果更佳。
最优选，当以厚度为500nm的锂片为负极极片，在其上沉积厚度为 100～200nm的氟化锂层作为人工无机锂盐钝化保护层时，获得的锂金属电池，其安全性能与循环性能最佳。
作为优选，所述的正极极片包括集流体和正极活性组分；所述的正极活性组分选自钛酸锂、钴酸锂或磷酸铁锂。
作为优选，所述锂金属电池的电解液吸附于所述的隔膜内形成电解液层。
与现有技术相比，本实用新型具有以下突出优势：
本实用新型经简单的磁控溅射工艺，在作为负极极片的锂片表面沉积一定厚度、一定组成的人工固体电解质界面膜，有效地抑制锂枝晶的生长，获得了一种具有高安全性与循环性能的锂金属电池。
附图说明
图1为本实用新型锂金属电池的结构示意图：
图中，1-负极极片，2-人工无机锂盐钝化保护层，3-隔膜，4-正极极片；
图2为本实用新型锂金属电池的电性能；
图3为本实用新型锂金属电池经10次电性能循环测试前、后，沉积有氟化锂膜的锂片表面的SEM图。
具体实施方式
以下的实施例将对本实用新型进行更为全面的描述。
实施例
本实用新型的金属电池包括负极极片1、正极极片4和用于隔离负极极片1和正极极片4的隔膜3；其中，负极极片1朝向隔膜3的一侧表面通过磁控溅射法沉积有人工无机锂盐钝化保护层2。
本实施例中，以锂片作为负极极片，在其表面沉积氟化锂层作为人工无机锂盐钝化保护层，具体工艺为：
以氟化锂为靶材，以厚度为500nm的锂片为基底，磁控溅射的功率设置为80W，气压设置为10mTorr，时间设置为20min，在锂片的一侧表面沉积得到厚度为150nm的氟化锂层。
正极极片以铜箔为集流体，以钛酸锂为活性组分，将活性组分与导电剂、粘结剂和溶剂混合后涂覆于集流体上，得到正极极片。
本实施例中锂金属电池的装配工艺如下：
向锂片上沉积有氟化锂层的一侧滴加电解液(1M的双三氟甲烷磺酰亚胺锂/碳酸丙烯酯)，放置PP/PE/PP隔膜，继续滴加电解液(1M的双三氟甲烷磺酰亚胺锂/碳酸丙烯酯)；隔膜两侧滴加的电解液均会吸附于隔膜内形成电解液层。再放置正极极片；最后使用2032型号的纽扣电池在氩气保护的手套箱中进行封装。
该锂金属电池在恒电流测试的电流密度为1mA cm-2，容量为1mAh cm-2，性能参见图2。
经循环10次后，表面沉积有氟化锂膜的锂片表面的SEM图如图3(下图)所示，并给出测试前的表面沉积有氟化锂膜的锂片表面的SEM图进行对比(图3上图)，观察图3可知，循环过后的锂金属表面没有锂织晶生成。

Claims (7)

1.一种具有高安全性与循环性能的锂金属电池，包括负极极片、正极极片和用于隔离所述负极极片和所述正极极片的隔膜；
其特征在于：
所述负极极片朝向隔膜的表面通过磁控溅射法沉积有人工无机锂盐钝化保护层；
所述人工无机锂盐钝化保护层的成分为氟化锂、溴化锂、氯化锂、碘化锂、碳酸锂、氢氧化锂、磷化锂、磷酸锂、硝酸锂、硫化锂、硫酸锂或氮化锂。
2.根据权利要求1所述的具有高安全性与循环性能的锂金属电池，其特征在于，所述的负极极片为锂片，厚度为0.5～1mm。
3.根据权利要求1所述的具有高安全性与循环性能的锂金属电池，其特征在于，所述的人工无机锂盐钝化保护层的厚度为50～500nm。
4.根据权利要求1所述的具有高安全性与循环性能的锂金属电池，其特征在于，所述的人工无机锂盐钝化保护层为氟化锂层、溴化锂层或磷化锂层。
5.根据权利要求1所述的具有高安全性与循环性能的锂金属电池，其特征在于，所述的人工无机锂盐钝化保护层为氟化锂层，厚度为100～200nm。
6.根据权利要求1所述的具有高安全性与循环性能的锂金属电池，其特征在于，所述的正极极片包括集流体和正极活性组分。
7.根据权利要求1所述的具有高安全性与循环性能的锂金属电池，其特征在于，所述锂金属电池的电解液吸附于所述的隔膜内形成电解液层。
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