[发明专利]基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置及方法

说明书

本发明公开了基于外加超声场提升锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置，包括电池充电箱、电池充放电管理系统、控制器、超声激励信号发射器和超声换能装置，电池充电箱为一封闭的箱体结构，该电池充电箱内充满冷却液并且具有用于容纳锂金属电池的缺口槽；所述电池充放电管理系统用于与所述缺口槽内的锂金属电池连接；控制器通过超声激励信号发射器与所述超声换能装置连接，超声换能装置用于在锂金属电池充电时施加超声纵波在所述锂金属电池的多个外表面上。本发明运用超声的手段改善锂离子在电解质中的扩散速率，从而达到辅助提升锂金属电池稳定性和安全性的目的。与目前传统的改进策略不同，本发明工作模式简单，成本低，实用性强，改善效果明显。

技术领域

本发明属于化学电源技术领域，更具体地，涉及一种锂金属电池稳定性及安全性的辅助装置及方法。

背景技术

锂离子二次电池又称“摇椅电池”，其主要工作原理是借由锂离子在电池正负极材料间来回嵌入脱出，实现可重复的充放电应用。锂离子电池作为一种先进的电化学储能技术，在储能电站、3C电子、电动汽车等领域得到了广泛应。然而，目前锂离子电池的性能尤其是能量密度难以完全满足实际应用的需求。不幸的是，当前商业化电池的能量密度已经接近于其理论比容量，提升空间有限，因而开发高能量密度，倍率性能优异的下一代锂离子电池具有重要意义。

与石墨负极相比，近年来锂金属电池的金属锂负极因其极高的能量密度(3860mAh g^-1)和最低的电极电位(-3.040V vs标氢电位)受到了越来越多的关注。采用金属锂负极替代石墨负极可以极大提升电池的整体能量密度，同时金属锂还可以与一些特定的正极材料匹配成高比能全电池体系，如三元电池，锂硫电池和锂空气电池。然而由于在充放电过程中锂离子在金属锂负极表面不均匀沉积，导致锂枝晶的不断生长，使得金属锂负极的库伦效率低下，循环稳定性差。甚至还存在锂枝晶刺穿隔膜的风险，引发电池的热失控甚至起火爆炸。因而能否解决金属锂负极枝晶生长的问题是能否实现锂金属电池商业化的关键问题。

为提高锂金属电池的稳定性和安全性，近年来研究者们提出了多种策略来提高锂金属负极的稳定性和安全性。如在电解液中添加氟代碳酸亚乙酯(FEC)，双(草酸)硼酸锂(LiBOB)和硝酸锂(LiNO₃)等电解液添加剂。这些添加剂易于在电极表面形成富含LiF的更稳定的固体电解质中间相(SEI)层，能有效抑制电解液与锂金属的副反应和枝晶生长，从而极大地提高锂金属负极的稳定性。然而由于此类电解液添加剂会随着电池的循环不断被消耗，因而并不能持续有效的改善金属锂的性能。通过对金属锂负极的电极结构进行优化设计也是提高金属锂负极的稳定性的有效策略。如采用三维结构的铜箔，石墨烯基材料等作为锂的宿主材料，可以有效缓解金属锂循环过程中的体积膨胀。同时，所构建的基体结构拥有更大的比表面积，从而降低电流密度，有效抑制锂枝晶的生长。然而此类方法在降低电流密度的同时，也增加了金属锂与电解液反应的活性位点，会导致活性物质的进一步的损耗。采用固态电解质取代液态电解质也可以提升金属锂的安全性。与液态电解质相比，固态电解质因其高安全性、宽电压窗口和高剪切模量等优势吸引了越来越多的关注。但是固态电解质存在室温离子电导低，界面稳定性差等问题，严重制约了其产业化的发展。通过在锂金属负极表面构筑理想的固体电解质中间相(SEI)层也是一种有效的改性策略。通过在金属锂负极表面构筑一层具有优良机械性能和良好离子电导的人工 SEI层可以有效抑制电解液与金属锂负极的副反应，缓解锂枝晶生长。然而此类策略的规模化生产和长期有效性还有待提高。

综上所述，锂金属电池的循环稳定性和安全性主要取决于金属锂负极表面锂离子沉积和溶解的均匀性，当电解质中锂离子的浓度梯度变大，金属锂负极表面发生不均匀的锂离子的沉积和溶解，会导致锂枝晶的生长，引发电池库伦效率降低，容量衰减，甚至还存在锂枝晶刺穿隔膜的风险，引发电池的热失控甚至起火爆炸。传统的抑制锂枝晶，提升锂金属电池稳定性和安全性的方法具有工艺复杂，成本高，难规模化生产等缺点。因而开发一种对现有锂离子电池生产线友好，成本低廉，可规模化生产的新策略具有重要意义。

发明内容