[发明专利]锂电极和包含所述锂电极的锂二次电池

说明书

本发明涉及一种锂电极和一种包含所述锂电极的锂二次电池。更具体地，所述锂电极通过设置含有共聚物的保护层而延长所述电池的寿命，所述共聚物含有：通过与锂金属发生化学反应而形成稳定的SEI层的缩醛官能团；和能够在所述锂金属的表面上形成富含LiF的SEI层的含氟官能团，从而抑制锂枝晶的形成并且抑制所述锂金属与电解液的副反应。

技术领域

本申请要求基于2018年7月30日提交的韩国专利申请第10-2018-0088273号和2019年7月24日提交的韩国专利申请第10-2019-0089820号的优先权的权益，所述韩国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。

本发明涉及一种具有改善的寿命特性的锂电极和一种包含所述锂电极的锂二次电池。

背景技术

直到近来，开发使用锂作为负极的具有高能量密度的电池已经引起了相当大的关注。例如，与具有由于存在非电活性材料而增加负极的重量和体积、因而降低电池的能量密度的锂插入式碳负极和镍或镉电极的其它电化学系统相比，由于锂金属具有低重量和高容量特性，因此锂金属作为电化学电池用负极活性材料而备受关注。锂金属负极或主要包含锂金属的负极为构建比诸如锂离子电池、镍金属氢化物电池或镍镉电池的电池更轻并且具有更高的能量密度的电池提供了机会。这些特征对于为较低的重量值支付额外费用的诸如移动电话和笔记本电脑的便携式电子装置用电池而言是非常理想的。

常规的锂离子电池通过使用石墨作为负极并且使用锂钴氧化物(LCO)作为正极而具有700wh/l的能量密度。然而，近年来，需要高能量密度的领域不断扩大，并且因此，持续需要增加锂离子电池的能量密度。例如，即使为了将电动汽车的单次充电行驶里程增加到500km以上，也需要增加能量密度。

为了增加锂离子电池的能量密度，锂电极的使用正在增加。然而，存在锂金属由于具有高反应性且难处理而难以在工序中处理的问题。

如果使用锂金属作为锂二次电池的负极，那么锂金属会与电解质和水或有机溶剂、锂盐等反应而形成钝化层(固体电解质界面膜：SEI)。这样的钝化层会导致局部电流密度差异而在充电期间促进锂金属形成枝晶，并且枝晶在充电/放电期间逐渐生长，从而导致正极与负极之间的内部短路。此外，所述枝晶具有机械上薄弱的部分(瓶颈)，并且因此，在放电期间形成与集电器失去电接触的惰性锂(死锂)，从而降低电池的容量，缩短循环寿命，并且不利地影响电池的稳定性。

为了改善如上文所述的锂金属负极的问题，已经开发了具有各种各样的组成或形式的保护层的锂金属负极。

韩国专利公布第2018-0041086号涉及一种通过将含有共聚物的浆料施涂到锂金属负极上而形成的保护层。作为用于形成所述共聚物的共聚单体，例示了全氟-2,2-二甲基-1,3-二氧杂环戊烯(PDD)或全氟-2-亚甲基-4-甲基-1,3-二氧戊环(PMD)。上面形成有包含所述共聚物的保护层的锂金属负极可以防止枝晶的形成，但是存在不容易将Li⁺离子均匀地分布在电极表面上并且不容易有效地形成SEI层以实现锂金属的均匀镀敷和剥离而改善电池性能的问题。

此外，韩国专利公布第2002-0091748号公开了一种用于抑制在锂金属负极的表面上形成枝晶的保护膜，其含有含氟聚合物。然而，所述保护膜的如下功能不足：将Li⁺离子均匀地分布在电极表面上，有效地形成SEI层，并且特别是，在应用于锂硫二次电池时防止由于在正极中形成的多硫化物而引起的穿梭现象。

如上文所述，到目前为止，已经对用于防止在使用锂金属负极的电池中的锂金属的枝晶生长的保护层的开发进行了研究，但是关于能够使得实现电池的整体性能的保护层的研究结果不足。

因此，为了改善使用锂金属作为负极的电池的电池性能，迫切需要开发一种上面形成有保护层的锂金属负极，所述保护层使得Li⁺离子能够均匀分布在电极表面上并且使得能够有效地形成SEI层，并且在应用于锂硫二次电池时，可以防止由于在正极中形成的多硫化物而引起的穿梭现象。