[发明专利]用于锂金属二次电池的保护锂阳极的聚合物层及制造方法

说明书

提供了一种锂二次电池，所述锂二次电池包括阴极、阳极以及布置在所述阴极与所述阳极之间的电解质或隔膜‑电解质组件，其中所述阳极包括：(a)锂或锂合金的箔或涂层；以及(b)布置在所述箔/涂层与所述电解质(或隔膜‑电解质组件)之间的高弹性聚合物的薄层，所述高弹性聚合物具有不小于2％的可恢复拉伸应变、在室温下不小于10^‑6S/cm的锂离子电导率、以及从1nm至10μm的厚度，其中所述高弹性聚合物含有交联的聚合物链网络，所述交联的聚合物链网络在所述交联的聚合物链网络中具有醚键、腈衍生的键、过氧化苯甲酰衍生的键、环氧乙烷键、环氧丙烷键、乙烯醇键、氰基‑树脂键、三丙烯酸酯单体衍生的键、四丙烯酸酯单体衍生的键、或其组合。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月12日提交的美国专利申请号15/485,934的优先权，所述专利申请通过援引并入本文。

技术领域

本发明涉及具有锂金属层(呈薄的锂的箔、涂层或片的形式)作为阳极活性材料的可再充电锂金属电池及其制造方法的领域。

背景技术

锂离子和锂(Li)金属电芯(包括锂-硫电芯、Li-空气电芯等)被认为是用于电动车辆(EV)、混合电动车辆(HEV)和便携式电子装置，如膝上型计算机和手机的有前途的电源。与作为阳极活性材料的任何其他金属或金属插层化合物(除Li_4.4Si外)相比，锂金属具有最高的容量(3,861mAh/g)。因此，通常，可再充电Li金属电池具有比锂离子电池显著更高的能量密度。

在历史上，可再充电锂金属电池是使用具有高比容量的非锂化化合物如TiS₂、MoS₂、MnO₂、CoO₂、和V₂O₅作为阴极活性材料生产的，这些阴极活性材料与锂金属阳极耦合。当电池放电时，锂离子从锂金属阳极溶解并且通过电解质转移到阴极，并且因此阴极变得锂化。不幸的是，在循环时，锂金属导致枝晶的形成，最终引起电池中的不安全状况。因此，在二十世纪九十年代早期停止了这些类型的二次电池的生产，取而代之的是锂离子电池。

即使现在，对于EV、HEV和微电子装置应用而言，循环稳定性和安全性问题依然是妨碍Li金属电池进一步商业化的主要因素。这些问题主要是由于Li在重复充电-放电循环或过充电期间形成枝晶结构的高倾向性，导致内部电短路和热失控。已经进行了许多尝试来解决与枝晶有关的问题，如以下简要概述的：

Fauteux等人[D.Fauteux等人,“Secondary Electrolytic Cell andElectrolytic Process[二次电解池和电解工艺]”，美国专利号5,434,021，1995年7月18日]将保护性表面层(例如多核芳烃和聚环氧乙烷的混合物)施加到金属阳极，这使金属离子从金属阳极能够转移到电解质并返回。表面层也是电子导电的，所以在电沉积期间(即在电池再充电期间)，离子将被均匀地吸引回到金属阳极上。Alamgir等人[M.Alamgir等人“Solid polymer electrolyte batteries containing metallocenes[含有金属茂的固体聚合物电解质电池]”，美国专利号5,536,599，1996年7月16日]使用二茂铁来防止基于固体聚合物电解质的可再充电电池中的化学过充电和枝晶形成。