[发明专利]一种界面保护结构、制备方法以及包含该结构的电池

说明书

本发明提供了一种界面保护结构及其制备方法以及包含该界面保护结构的电池。该界面保护结构包含金属氟化物和粘结剂，所述金属氟化物为氟化镍、氟化锰、氟化铁、氟化钛、氟化铜、氟化锡等中的一种或几种，该结构能够在锂金属电池循环过程中形成具有含氟化锂的保护层，保护锂金属电极。上述界面保护结构通过以下方法制备：1)提供一混合浆料，所述混合浆料包含：金属氟化物、粘结剂、溶剂和/或碳材料；2)将所述混合浆料涂覆于隔膜一侧，得到含第一涂层的隔膜；3)烘烤处理所述含第一涂层的隔膜，即可得到界面保护结构。

【技术领域】

本发明涉及电化学领域，具体地涉及一种锂金属电池的界面保护结构、具有该涂层的隔膜结构及其制备和应用。

【背景技术】

得益于石墨负极在循环过程中～10％的较小体积变化，以其为负极材料的锂离子电池可以获得稳定的循环性能和较长的使用寿命。然而石墨负极材料储锂容量相对较低(锂嵌入情况下为339mAh/g，锂脱出情况下为372mAh/g)，在锂电池市场不断寻求更高能量密度体系的过程中，已无法满足行业需求。

如果将所有可能提升能量密度的潜在技术列入考虑范畴，未来锂离子电池所能达到的能量密度上限为400Wh/kg左右。在此背景下，一方面通过材料结构改性实现现有电池材料的实际容量提升，另一方面通过使用新型材料，如高容量低电位锂金属负极，是突破锂二次电池能量密度瓶颈的关键和重要发展趋势。

锂金属作为一种高能量密度负极材料，具有超高理论容量(3860mAh/g)和最低电极电势。开发有效的锂金属保护技术，实现以锂金属为负极材料的液态室温锂二次电池，是在以现有正极材料为基础的前提下，实现电池能量密度突破400Wh/kg的有效途径及关键技术。

目前，锂金属二次电池的商业应用只有聚合物电解质体系，法国boller公司将其应用于电动汽车，美国SEEO也在进行类似的开发工作。但是，聚合物电池需要在75-85℃才能够工作，严重限制了它的应用范围。因此，开发液态室温锂金属电池，能够给高能量密度储能电池带来革命性的变革。

然而锂金属在液态电池中的循环效率较低安全性不良等问题一直阻碍着其在电池工业中的进一步推广和应用。通过大量的研究发现，在电池充电过程中，不论是在锂金属或其它金属集流体表面，都会产生不均匀的锂沉积。随着持续的充电过程，不均匀的锂沉积不可避免地导致锂金属表面的巨大体积膨胀和局部锂枝晶生长。体积膨胀和枝晶问题可以导致电极界面阻抗增加、电池容量损耗。持续的枝晶生长可以刺穿电解液隔膜导致电池短路，使得锂金属负极在使用过程中始终伴随着巨大的安全隐患，这也使其难以被应用于诸如电动车、随身电子设备等对安全系数要求较高的工作环境中。近年来通过业界提出的各种解决方案，锂金属负极的使用寿命和效率已得到明显改善，但改善程度依旧难以满足大规模商业化的需求。

目前，对锂枝晶的防护方法如下：一，使用固态电解质可以在一定程度上抑制枝晶生长，然而较低的离子导电性和较差的电极/电解质接触面都会导致电池内阻大幅度增加；二，在电解液中加入促成膜型添加剂，可以在电极表面加快形成具有保护作用的钝化层，然而该钝化层本身并不具备抑制枝晶生长的机械属性，最终电极表面依然会发生不均匀的枝晶生长，而且枝晶的过度生长可以刺穿钝化层，使得没有钝化层覆盖的锂金属部分直接与电解液接触并再度生成新的钝化层，如此地反复发生钝化层破裂和再生将不断消耗系统中的锂和电解液。

综上所述，虽然本领域目前已存在可选的锂金属保护方法，但是锂金属负极的结构稳定性及循环效果均尚难以令人满意。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种界面保护结构，能够在锂金属电池循环过程中形成具有含氟化锂的保护层，保护锂金属电极。

本发明的另一目的在于提供上述界面保护结构的制备方法，能够在隔膜侧形成涂层，在电池循环过程中保护锂金属。

本发明的再一目的在于提供包含上述界面保护结构的电池，能够减少电极副反应，优化电极循环效率。