[发明专利]锂金属电池的人造固体电解质界面膜、复合集流体、锂金属负极及其制备方法

说明书

本发明属于锂金属电池材料领域，具体公开了一种锂金属电池人造固体电解质界面膜，其化学式为(Ga_xIn_(1‑x))₂S₃，其中，x的取值范围为0＜x＜1。本发明还提供了所述的SEI膜材料的化学浴制备方法以及在锂金属电池中的应用。本发明提供了一种全新化学物，且发现该化合物作为SEI膜成分，能够显著改善锂金属电池的初始容量以及循环稳定性。

技术领域

本发明属于电池负极材料技术领域，具体涉及锂金属电池负极材料。

背景技术

随着锂离子电池正负极材料、隔膜和电解液等领域的技术突破，锂离子电池的比能量和比功率逐渐增加，目前石墨负极已经接近理论能量密度，很难再有较大提升。因而寻找更高能量密度的新型锂电池负极材料变得愈发重要，金属锂具有高能量密度、低电化学势等优点，是锂电池中的“圣杯级”负极材料，但是金属锂负极在充放电过程中存在的枝晶问题及不稳定的SEI膜是目前金属锂负极面临的最大问题。

锂枝晶是一类不规则锂沉积物的总称，枝晶的生长对锂电池的影响非常大。首先，枝晶有可能刺穿隔膜导致正负极材料接触、电池短路，这种短路常伴随着电池热量失控，引发电解液着火和电池的爆炸；其次，枝晶形貌的锂具有更大的比表面积，意味着需要形成更多的SEI膜，SEI膜的形成需要不可逆的消耗有机电解液和金属锂，导致负极库伦效率的降低；锂枝晶在溶解过程中，由于根部先得到电子，因而会优先溶解，造成枝晶脱出负极，这部分枝晶被SEI膜包裹，形成不可再次利用的死锂，死锂不仅严重阻碍锂离子和电子的传输，也会带来严重的极化和较低的库伦效率；最后，枝晶是一种多孔形貌，堆积密度较低，需要占据更大的体积，这样的结构在锂沉积/溶解过程中会有显著的体积效应，对金属锂的安全运转有着致命影响。同时，锂负极表面的SEI膜机械强度较差，在金属锂长循环过程中易出现破裂，破裂后锂负极和电解液接触重新生成SEI膜，SEI膜的重复破裂的生成导致活性锂和电解液的损失。因而，对于金属锂负极，对枝晶的抑制和人造SEI膜都是改善锂负极性能的有效措施。

目前，各类人造SEI膜，如Li₃PO₄(Y.G.Guo,Advanced Materials,2016,28,1853-1858.)、ZnO(Y.Cui,Nature Communications,2016,7)、LiPON(Z.Peng,AdvancedMaterials,2017,29,1701568-1701573)、Li₄SiO₄(J.K.Lee,ACSAppliedMaterialsInterfaces,2018,10,8692-8701.)等，采用的方法有直接涂覆法、磁控溅射法、热蒸发法、原子层沉积法等，这些方法存在的问题就是在平面基底上镀层的质量较好，但是在三维集流体上却无法实现镀层的均匀性，材料的性能还有待提升。

发明内容

为改善现有原位SEI膜机械性能差、锂负极库伦效率较低等问题，本发明公开了一种锂金属电池人造固体电解质界面膜(人造SEI膜)，旨在提高金属锂负极的循环性能和安全性能。

本发明第二目的在于，提供了一种所述的锂金属电池人造固体电解质界面膜的化学浴制备方法。

本发明第三目的在于，提供了一种包含所述的锂金属电池人造固体电解质界面膜的锂金属电池复合集流体。

本发明第四目的在于，提供了一种锂金属电池复合集流体的制备方法。

本发明第五目的在于，提供了一种锂金属负极。

本发明第六目的在于，提供了一种包含锂金属负极的锂金属电池。