[发明专利]一种复合高分子三维结构金属锂电极及锂离子电池

说明书

本发明提供一种复合高分子三维结构金属锂电极，其特征在于，包括高分子膜，电子导电材料、离子导电材料和金属锂，所述高分子膜内掺杂有所述电子导电材料和离子导电材料，所述高分子膜为多孔结构，所述高分子膜的孔中填充有所述金属锂。本发明提供的复合高分子三维结构金属锂电极，可直接用作负极，能够有效地避免死锂问题；可在即使形成死锂后，绕开负极材料塌陷的空壳结构进行离子导通；相比于传统负极，体积小、重量更轻，可大幅提高电池的体积比能量密度和质量比能量密度。另外还可用作负极的补锂材料，进行均匀补锂，提高电池的首周期充放电效率。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种复合高分子三维结构金属锂电极及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池相比其它二次电池具有高电压、高能量密度、长循环寿命和安全性能好等优势，成为应用最广泛的可充电电池，例如作为便携式电子产品电源、电动汽车等大型移动设备的动力电池。目前成熟的电池负极材料主要为石墨类材料，经过多年的发展，其能量密度已被开发至接近理论值水平（理论比容量372mAh/g），从而限制了电池能量密度的进一步提高，无法满足未来电池对高能量密度的需求。

相比于石墨类负极，金属锂的密度低(0.53g/cm3)、标准电极电位低(-3.04V)、理论比容量高(3860mAh/g)，这些特点使其作为负极使用时可显著提高电池的能量密度。但是，金属锂负极在充放电过程中锂金属的不均匀沉积会导致大量锂枝晶的产生，这些枝晶会刺穿电池隔膜，造成电池短路，并产生大量的热，引发着火甚至爆炸等事故。此外，锂枝晶的生长也使得电极表面难以形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜，从而导致大量锂被消耗，如果锂枝晶发生断裂，就会形成“死锂”，造成电池循环过程中库伦效率低、容量衰减快。另外金属锂负极在循环过程中存在电极体积膨胀，容易引发材料内部压力变化和界面波动等问题。

为了解决金属锂负极中的锂枝晶问题，现有技术中有通过使用电解液添加剂来改性金属锂负极的表面性能；但这种单一性的改性效果还不能达到实用标准，而且容易引起容量损失、内阻增大、电化学性能变差等，无法从根本上彻底解决金属锂电极带来的枝晶生长、库伦效率低、电池循环性差等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合高分子三维结构金属锂电极，可直接用作负极，能够有效地避免死锂问题；可在即使形成死锂后，绕开负极材料塌陷的空壳结构进行离子导通；相比于传统负极，体积小、重量更轻，可大幅提高电池的体积比能量密度和质量比能量密度。另外还可用作负极的补锂材料，进行均匀补锂，提高电池的首周期充放电效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下具体的技术方案：

本发明提供一种复合高分子三维结构金属锂电极，其特征在于，包括高分子膜，电子导电材料、离子导电材料和金属锂，所述高分子膜内掺杂有所述电子导电材料和离子导电材料，所述高分子膜为多孔结构，所述高分子膜的孔中填充有所述金属锂。

进一步地，所述高分子膜的材料为单层聚丙烯（PP）、单层聚乙烯（PE）、双层PP/PE、双层PP/PP 或三层PP/PE/PP、PET、PI、芳纶和植物纤维等中的任一种。

进一步地，所述电子导电材料为碳黑、柯琴碳、乙炔黑、Super P、石墨烯、氧化石墨烯、COF、MOF、单壁或者多壁碳纳米管、碳纤维、导电高分子材料、导电石墨、铜粉、铝粉、镍、钴、钛、铁、二氧化钌和二氧化钼中的一种或多种。

进一步地，所述离子导电材料可以为无机固态电解质材料。

进一步地，所述离子导电材料也可以为聚合物单锂离子导体材料。

进一步地，所述离子导电材料也可以为所述高分子膜的材料和锂盐的混合物。