[发明专利]一种多电极结构金属负极电池

说明书

技术领域

本发明涉及到一种多电极结构金属负极电池，特别是可以提高金属负极电池的安全性和实用性。

背景技术

随着社会的发展，人类的进步，对可移动式二次电源提出了越来越高的要求。目前，最广泛应用的二次电源为铅酸电池和锂离子电池。而随着人们生活要求的提升，对电池的容量密度提出了更高的要求。锂离子电池虽然容量大大高于传统铅酸电池，但是由于正负极容量的限制，电池容量难以有大幅度提升。据推算，锂离子电池的极限能量密度为300Wh/kg左右，目前人们已经开发出250Wh/kg的锂离子电池，已经很难有大幅度提升的空间。而随着电子设备的使用时间要求的提高，电动交通工具对续航里程要求的提升，锂离子电池已经难以满足未来高能量密度的需求。

金属负极电池由于负极具有非常高的理论比容量、原料广泛、原材料价格低廉等优势而备受瞩目，近些年逐渐成为研究的热点。其中，锌-空气电池研发较早，技术门槛较低，已经出现较成熟产品，但仅为一次电池，使用范围有限。作为下一代金属负极电池，锂、钠、镁、钙、铝、铁等金属进入了人们的视野，尤其是金属锂因电位最低、理论容量最高、活性最高等优势而备受关注。目前，金属锂负极电池获得了广泛深入的研究，锂硫电池被认为是取代锂离子电池的下一代电池，其实际能量密度可达500Wh/kg，可以使电动汽车的续航里程达到600km以上；而被誉为终极电池的锂空气电池，理论容量可达5kWh/kg，实际容量可以做到1-2kWh/kg，一旦研发成功将大大改善人们的生活，具有非常诱人的前景和广阔的研究空间。

纵观锂离子电池的发展历史，锂离子电池由锂电池发展而来。早期锂电池正极采用层状可插入锂离子材料，负极采用金属锂，具有较高的容量和较好的循环性能。但是，在循环过程中，负极金属锂表面容易形成锂枝晶，枝晶会逐渐长大，并最终刺穿隔膜，导致电池内短路，引起电池起火爆炸等安全事故，严重影响了电池的实用性。为了解决锂离子电池存在的安全隐患，人们发明了碳负极材料，大大提升了锂电池的安全性能，并最终促进了电池技术的革命。虽然取得了安全性能的提升，但碳材料的理论容量远远低于金属锂，导致锂离子电池的能量密度难以提升。为了突破能量密度的限制，人们开始重新研究金属负极电池，但同样要面对金属负极表面易形成枝晶、易造成安全事故这些存在多年的难题。

为了解决负极金属枝晶存在的安全隐患，人们针对金属枝晶特别是锂枝晶进行了大量深入的研究。研究发现，很难控制充放电过程中锂金属表面电流的均匀性，继而导致金属沉积过程出现一定的不均匀。随着循环次数的增多，这种效应会逐渐放大，锂离子优先在枝晶表面析出，导致枝晶逐渐长大。通过不断探索，目前解决的方法主要有（1）对金属锂表面进行涂层或包覆处理，减少锂枝晶的生成；（2）在电池电解质中加入一些添加剂，使电池负极表面形成一层致密的钝化层；（3）在电解液中加入铷、铯等盐，这些原子会优先于锂离子在锂金属表面沉积，减少锂枝晶。但是，这些方法仅能在一定程度上改善锂枝晶问题，并不能从根本上抑制锂枝晶的产生，也无法解决锂枝晶生长带来的安全问题。采用改善措施以后，电池依然存在内短路与爆炸起火的安全隐患，给用户带来潜在危险。与锂枝晶类似，其他金属在循环过程中同样会形成枝晶带来安全隐患，只是目前研究相对较少，相关资料尚不完善。

对于锂离子电池的下一代产品锂硫电池而言，除了锂枝晶问题，还有重要的问题是正极硫的“穿梭效应”，放电过程的中间产物多硫化锂溶解在电解液中，随着浓度的增加，会扩散迁移至锂负极附近，在锂负极表面直接与金属锂反应，再迁移至正极附近与硫反应，并不断穿梭于正负极之间。锂硫电池的穿梭效应导致电池库伦效率降低，正极硫的损失，以及腐蚀金属锂负极，是锂硫电池走向产业化的最大障碍之一。目前广泛采用的方法是用多孔材料将活性物质硫吸附或包覆，降低中间产物的迁移，提升电池库伦效率，以及提升电池循环寿命。但是，该方法只能从正极角度减缓降低硫的穿梭，并不能彻底解决该现象，因而锂硫电池的库伦效率普遍低于常规锂离子电池。后来，大量研究者提出采用碳材料作为锂硫电池的负极，可以消除锂枝晶和穿梭效应的影响，但同样会带来电池能量密度大大降低、活性锂难以引入等问题，降低了锂硫电池本应拥有的高能量密度的优势，难以有广泛应用前景。

发明内容

本发明针对金属负极电池在充放电过程中出现的枝晶问题，提出了一种多电极结构金属负极电池，消除金属枝晶带来的风险。

为实现本发明的目的，本发明的技术方案是在正极与金属负极之间，加入中间电极，并分别与正负极之间保持电子绝缘但离子可传导。