[发明专利]用于负极的组合物和包含该组合物的保护膜、负极和装置

说明书

本申请涉及一种用于负极的组合物和包含该组合物的保护膜、负极和装置。本申请的组合物包含硅材料和具有低电子电导率的锂离子导体，其中锂离子导体材料的电子电导率小于1E‑5S/cm。

技术领域

本申请涉及一种储能技术领域使用的组合物和包含该组合物的保护膜。特别地，本申请涉及一种用于制备锂金属负极保护膜的组合物和由此制备的保护膜。另外，本申请还涉及包含该锂金属负极的电化学装置和电子设备。

背景技术

锂离子电池具有比能量大、工作电压高、自放电率低、体积小、重量轻等优势，在消费电子领域具有广泛的应用。然而随着电动汽车和可移动电子设备的高速发展，人们对电池的能量密度、安全性、循环性能等相关需求越来越高。其中，体积能量密度与质量能量密度是衡量电池性能的一个重要参数。

锂金属是所有金属元素中相对原子质量最小(6.94)、标准电极电位(-3.045V)最低的金属，其理论克容量可达到3860mAh/g。因此，使用锂金属作为电池的负极，配合一些高能量密度的正极材料，可以大大提高电池的能量密度以及电池的工作电压。

然而，锂金属作为负极材料的电池真正实现商业化还面临着以下问题：

1)锂金属本身活泼性极高，相对氢标准电极的电位是-3.05V。新鲜生成的锂金属表面没有钝化层，非常容易与电解液体系发生一系列副反应，例如与电解液中的微量氟化氢反应生成氟化锂，或是与电解液常用溶剂碳酸丙烯酯反应生成C₃H₆OCO₂Li，导致锂金属与电解液同时被消耗，循环库伦效率大大低于商用石墨负极(99％-99.9％)

2)锂金属电池在充电过程中，锂会在负极集流体表面沉积。由于电流密度以及电解液中锂离子浓度的不均匀性，沉积过程中会出现某些位点沉积速度过快的现象，进而形成尖锐的枝晶结构。锂枝晶的存在会导致沉积密度的大大降低，使得能量密度降低。在一些锂金属电池中，锂金属的实际沉积密度为0.2g/cm³左右，远小于锂金属的真密度0.534g/cm³。能量密度由于锂金属的疏松沉积，会降低超过100Wh/L。此外，锂枝晶还可能会刺穿隔膜形成短路，引发安全问题。

3)随着锂金属负极的充电-放电，负极极片的厚度会发生剧烈的膨胀-收缩。这会导致负极极片与其他相邻结构之间的界面非常容易发生剥离，导致阻抗的剧烈升高，严重时甚至导致电池整体的变形。

基于上述讨论，减少锂金属与电解液的副反应、抑制锂枝晶的生长、解决膨胀-收缩过程中导致的界面剥离和保护层破碎是实现锂金属负极商业化应用的必要条件。

硅薄膜能保护锂金属表面，减少电解液与锂金属的接触，降低副反应；并且具有高机械强度，能抑制锂枝晶生长。然而，硅材料会与锂发生化学反应生成Li_xSi，由于Li_xSi具有较高的电子导电性，其导致电子容易穿过锂金属和保护膜，到达保护膜的表面并与电解液中的Li⁺结合，最终在保护膜表面形成锂金属沉积，导致保护膜在减小副反应、抑制锂枝晶方面的能力降低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种包含硅材料和具有低电子电导率的锂离子导体的组合物，该组合物可以用于制备负极保护膜。在一些实施例中，锂离子导体材料的电子电导率小于1E-5S/cm。