制造锂金属负极的方法、由此方法制造的锂金属负极以及包含所述锂金属负极的锂硫电池技术

本发明专利技术涉及一种制造锂金属负极的方法、由此方法制造的锂金属负极和包含所述锂金属负极的锂硫电池，更具体地，本发明专利技术涉及一种制造锂金属负极的方法，所述方法包括如下步骤：(a)将氮化锂粉末涂布到包含锂金属的锂金属层的至少一个表面上；以及(b)对所述涂布的粉末进行压延以在所述包含锂金属的锂金属层的至少一个表面上形成粉末床的氮化锂保护层。一个表面上形成粉末床的氮化锂保护层。一个表面上形成粉末床的氮化锂保护层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造锂金属负极的方法、由此方法制造的锂金属负极以及包含所述锂金属负极的锂硫电池


[0001]本申请要求于2020年2月27日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10
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2020
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0024005号和于2021年2月23日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10
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2021
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0024094号的优先权，通过参考将其
技术实现思路
以其完整的形式并入本文中。
[0002]本专利技术涉及一种制造锂金属负极的方法、由此方法制造的锂金属负极以及包含所述锂金属负极的锂硫电池。

技术介绍

[0003]随着锂二次电池的应用范围不仅扩展到便携式电子装置，还扩展到电动车辆(EV)和电力存储系统(ESS)，对高容量、高能量密度和长寿命的锂二次电池的需求日益增加。
[0004]在各种锂二次电池中，锂硫电池是使用含有硫
‑
硫键的硫基材料作为正极活性材料，并使用锂金属、能够嵌入/脱嵌锂离子的碳基材料或与锂形成合金的硅、锡等作为负极活性材料的电池系统。
[0005]在锂硫电池中，具体如下如下优点：作为正极活性材料的主要材料的硫原子量低，资源非常丰富并由此易于供应和接收，并且价格便宜，无毒并且环境友好。
[0006]此外，锂硫电池通过在正极中锂离子与硫的转化反应(S8+16Li
+
+16e
‑
→
8Li2S)而具有1675mAh/g的理论比容量，并且当使用锂金属作为负极时，显示了2600Wh/kg的理论能量密度。因为锂硫电池的理论能量密度远高于目前正在研究的其它电池系统(Ni
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MH电池：450Wh/kg；Li
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FeS电池：480Wh/kg；Li
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MnO2电池：1000Wh/kg；Na
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S电池：800Wh/kg)和锂离子电池(250Wh/kg)的理论能量密度，所以锂硫电池作为迄今为止开发的二次电池中的高容量、环境友好并且廉价的锂二次电池而正受到关注。
[0007]此外，在锂硫电池的情况下，当将锂金属用作负极活性材料时，因为理论比容量为非常高的3860mAh/g，并且标准还原电位(标准氢电极；SHE)也为非常低的
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3.045V，所以可以实现具有高容量和高能量密度的电池，从而作为下一代电池系统正在进行多项研究。
[0008]然而，因为作为负极活性材料的锂金属由于其化学/电化学反应性高而容易与电解质发生反应，所以在负极表面上形成固体电解质界面层(SEI层)，所述固体电解质界面层(SEI层)是一种钝化层。因为以这种方式形成的固体电解质界面层能够通过抑制电解质与锂金属之间的直接反应来确保包含锂金属的负极活性材料具有特定水平的稳定性，所以在现有技术中尝试在锂金属的表面上稳定且均匀地形成这种固体电解质界面层。
[0009]然而，在锂硫电池的情况下，当负极活性材料为锂金属时，即使按上述形成了固体电解质界面层，也因为在锂金属的表面上连续发生电池的电化学反应而难以保持固体电解质界面层恒定。此外，因为通过电解质与锂金属之间的反应而形成的固体电解质界面层的机械强度较弱，所以随着电池充电/放电的进行，结构崩塌，造成电流密度局部差异，从而在锂金属表面上形成锂枝晶。此外，以这种方式形成的锂枝晶会造成电池的内部短路和惰性锂(死锂)，从而导致锂二次电池的物理和化学不稳定性增加并且电池容量降低和循环寿命
缩短的问题。
[0010]因为锂金属的高度不稳定性和上述产生锂枝晶的问题，所以使用锂金属作为负极的锂硫电池尚未上市。
[0011]因此，正在研究多种方法，例如在锂金属表面上引入保护层的方法或改变电解质的组成的方法。
[0012]例如，韩国专利公布第2016
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0034183号公开，通过在含锂金属或锂合金的负极活性材料层上形成保护层作为聚合物基体，能够防止电解质的损失和枝晶的产生，所述聚合物基体能够在保护负极的同时积聚电解质。
[0013]此外，韩国专利公布第2016
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0052351号公开，通过将用于锂枝晶的吸收材料并入形成在锂金属表面上的聚合物保护膜中，从而抑制锂枝晶的生长，能够改善锂二次电池的稳定性和寿命特性。
[0014]此外，Jiangfeng Qian等和韩国专利公布第2013
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0079126号公开，通过提高各种锂盐的浓度或通过并入包含1,3,5
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三烷、1,3
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二氧戊环和基于氟的环状碳酸酯的非水有机溶剂，能够改善包含锂金属的电池的特性。
[0015]这些现有技术在一定程度上抑制了电解质与锂金属之间的反应或锂枝晶的形成，但效果并不理想。另外，随着电池充电/放电的进行，存在诸如保护层变硬或膨胀的劣化的问题。此外，当使用包含特定组合物的电解质时，适用的电池存在限制并且可能导致电池性能劣化的问题。因此，需要开发一种能够通过简单的工艺制造同时解决锂金属的反应性问题的锂金属负极。
[0016]现有技术文献
[0017][专利文献][0018]韩国专利公布第2016
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0034183号(2016年3月29日)，用于充电锂电池的负极和包含该负极的可充电锂电池(NEGATIVE ELECTRODE FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY COMPRISING SAME)
[0019]韩国专利公布第2016
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0052351号(2016年5月12日)，用于锂二次电池的具有安全保护层的锂金属电极和包含所述锂金属电极的锂二次电池(LITHIUM METAL ELECTRODE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY WITH SAFE PROTECTIVE LAYER AND LITHIUM SECONDARY BATTERY COMPRISING THE SAME)
[0020]韩国专利公布第2013
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0079126号(2013年7月10日)，用于锂金属电池的电解质和包含所述电解质的锂金属电池(ELECTROLYTE FOR LITHIUM METAL BATTERY AND LITHIUM METAL BATTERY INCLUDING THE SAME)
[0021][非专利文献][0022]Jiangfeng Qian等，锂金属负极的高倍率稳定循环，Nature Communications，2015年，第6卷，第6362页

技术实现思路

[0023]技术问题
[0024]作为为了解决上述问题而进行多种研究的结果，本专利技术的专利技术人已经确认，当通过压延将氮化锂粉末固定到锂金属表面以形成粉末床的氮化锂保护层时，锂枝晶的生长受
到抑制并且锂的离子性得到改善，从而改善了锂硫电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造锂金属负极的方法，所述方法包括如下步骤：(a)将氮化锂粉末涂布到包含锂金属的锂金属层的至少一个表面上；以及(b)对所述涂布的粉末进行压延以在所述包含锂金属的锂金属层的至少一个表面上形成粉末床的氮化锂保护层。2.根据权利要求1所述的制造锂金属负极的方法，其中所述氮化锂粉末具有0.1μm至100μm的平均粒径(D
50
)。3.根据权利要求1所述的制造锂金属负极的方法，其中所述涂布步骤通过喷洒来进行。4.根据权利要求1所述的制造锂金属负极的方法，其中所述压延步骤通过将涂布有氮化锂粉末的所述锂金属层置于压延板之间，施加热或压力并移除所述压延板来进行。5.根据权利要求4所述的制造锂金属负极的方法，其中所述压延板为聚合物膜或金属板。6.根据权利要求1所述的制造锂金属负极的方法，其中所述压延步骤在室温(25℃)至120℃的温度条件下进行。7.根据权利要求1所述的制造锂金属负极的方法，其中所述压延步骤在0.1kN至980kN的压力条件下进行。8.根据权利要求1所述的制造锂金属负极的方法，其中所述锂金属层包含锂金属薄膜。9.根据权利要求1所述的制造锂金属负极的方法，其中所述锂金属负极用于锂硫电池。10.一种锂金属负极，所述锂金属负极包含：包含锂金属的锂金属层；...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑彦浒，李载佶，
申请(专利权)人：株式会社LG新能源，
类型：发明
国别省市：