锂金属负极及其制造方法技术

本发明专利技术公开了锂金属负极及其制造方法。通过以下方法制造用于二次锂金属电池组的电化学电池的负极，其中将前体溶液施加到锂金属基材的主表面上以便在其上形成保护性界面层。该前体溶液包含第一有机溶剂混合物、二氧杂环戊烷类和氟化有机硅烷。该保护性界面层表现出包括聚合物基质组分和嵌在该聚合物基质组分中的含锂分散组分的复合结构。的含锂分散组分的复合结构。的含锂分散组分的复合结构。

【技术实现步骤摘要】
锂金属负极及其制造方法


[0001]本专利技术涉及锂金属电池组，更特别涉及锂金属负极的界面涂层。

技术介绍

[0002]锂金属因其高比容量（3,860
ꢁ
mAh/g）和低还原电位（相对于标准氢电极为
–
3.04
ꢁ
V）是用于二次锂金属电池组的理想的负极材料。在锂金属电池组中，元素锂金属在电池组充电和放电过程中镀覆在负极集流体表面上和从负极集流体表面剥离，导致负极在电池组循环过程中经历大的体积变化。由于锂金属的低还原电位，可以在锂金属负极与有机液体电解质之间的界面处固有地发生氧化还原反应，例如在电池组的初始充电过程中，这可能导致在锂金属负极表面上原位形成称为固体电解质界面（SEI）的电绝缘和离子传导的层。
[0003]在锂金属负极表面上形成天然SEI可防止有机液体电解质直接暴露于锂金属表面，并可以有助于促进电池组循环过程中锂离子在负极处的均匀镀覆和剥离，这可以有助于防止锂枝晶成核和生长。但是，固有形成的天然SEI层的机械稳定性和柔韧性可能不足以弥补锂金属负极在电池组反复循环过程中经历的大的体积变化。电池组寿命期间SEI层的裂纹或损伤可能导致有机液体电解质反复直接暴露于锂金属负极，形成附加的SEI材料，以及液体电解质的进一步分解和活性锂的消耗。
[0004]合意的是开发一种方法，该方法可用于在锂金属负极表面上形成电绝缘和离子传导的层，所述层表现出良好的机械稳定性和柔韧性，并可以在电池组的初始充电与寿命期间抑制负极的锂金属与液体电解质之间发生不合意的副反应。

技术实现思路

[0005]在用于二次锂金属电池组的电化学电池的负极的制造方法中，将前体溶液施加到锂金属基材的主表面上以便在其上形成保护性界面层。该前体溶液包含有机溶剂混合物、二氧杂环戊烷类和氟化有机硅烷。该保护性界面层表现出包括聚合物基质组分和嵌在该聚合物基质组分中的含锂分散组分的复合结构。
[0006]该二氧杂环戊烷类可以是含有二氧杂环戊烷环的化合物。
[0007]该二氧杂环戊烷类可以是1,3
‑
二氧杂环戊烷。
[0008]该二氧杂环戊烷类可以以按重量计构成该前体溶液的1%至60%的量包含在该前体溶液中。
[0009]该氟化有机硅烷可以是具有下式的化合物：R'R"
n
SiX4–
n
，其中n = 0、1或2，并且其中R'是多氟化C1
–
C8烷基，R"是甲基，且X是甲氧基或氯原子。
[0010]该氟化有机硅烷可以是(3,3,3
‑
三氟丙基甲基)二甲氧基硅烷、(3,3,3
‑
三氟丙基)三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H
‑
全氟辛基甲基二甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H
‑
全氟辛基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H
‑
全氟辛基二甲基氯硅烷、1H,1H,2H,2H
‑
全氟辛基甲基二氯硅烷、(1H,1H,2H,2H
‑
全氟
‑
正己基)甲基二氯硅烷或1H,1H,2H,2H
‑
全氟辛基三氯硅烷中的至少一种。
[0011]该氟化有机硅烷可以以按重量计构成该前体溶液的1%至10%的量包含在该前体溶
液中。
[0012]该有机溶剂混合物可包含无环醚和环醚的混合物。
[0013]该有机溶剂混合物可包含1,2
‑
二甲氧基乙烷和四氢呋喃的混合物。
[0014]该聚合物基质组分可经由多个硅
‑
氧键和/或醇盐键化学键合到锂金属基材的主表面上。
[0015]该聚合物基质组分可包含多个硅氧烷键。
[0016]该含锂分散组分可包含氟化锂。
[0017]该方法可进一步包括从保护性界面层除去未反应的二氧杂环戊烷类化合物、氟化有机硅烷化合物和/或移动的反应副产物。
[0018]可通过用非极性有机溶剂洗涤该保护性界面层而从该保护性界面层除去未反应的二氧杂环戊烷类化合物、氟化有机硅烷化合物和/或移动的反应副产物。
[0019]在用于二次锂金属电池组的电化学电池的负极的另一制造方法中，在金属基材的主表面上形成连续锂金属层。将前体溶液施加到连续锂金属层的主要相对表面上以便直接在连续锂金属层的主要相对表面上形成保护性界面层。该前体溶液包含有机溶剂混合物、二氧杂环戊烷类和氟化有机硅烷。该保护性界面层表现出包括聚合物基质组分和嵌在该聚合物基质组分中的含锂分散组分的复合结构。该聚合物基质组分经由多个硅
‑
氧键和/或醇盐键化学键合到连续锂金属层的主要相对表面上。
[0020]该聚合物基质组分可包含多个硅氧烷键，并且该含锂分散组分可包含氟化锂。
[0021]可通过将金属基材浸在该前体溶液中将该前体溶液施加到该连续锂金属层的主要相对表面上。
[0022]公开了锂金属电池组的电化学电池。该电化学电池包括正极、与该正极间隔开的锂金属负极、和与正极和锂金属负极离子接触的非水性液体电解质。正极包含可经历锂离子的可逆嵌入的过渡金属氧化物。该锂金属负极包括设置在负极集流体上的锂金属层。该锂金属层具有面向该正极的主要相对表面。沿锂金属负极与非水性液体电解质之间的界面，在锂金属层的主要相对表面上直接形成保护性界面层。该保护性界面层表现出包括聚合物基质组分和嵌在该聚合物基质组分中的含锂分散组分的复合结构。该聚合物基质组分经由多个硅
‑
氧键和/或醇盐键化学键合到该锂金属层上。
[0023]该锂金属层按重量计可包含大于97%的锂。
[0024]该正极的过渡金属氧化物可以是具有以下化学式的高镍含量的锂镍钴锰氧化物：，其中a = 0.1
–
0.2和b = 0.1
–
0.2。
[0025]该非水性液体电解质可包含非水性非质子有机溶剂和溶解在该非水性非质子有机溶剂中的锂盐。
[0026]本专利技术公开了以下技术方案：方案1．制造用于二次锂金属电池组的电化学电池的负极的方法，所述方法包括：将前体溶液施加到锂金属基材的主表面上以便在其上形成保护性界面层，其中所述前体溶液包含有机溶剂混合物、二氧杂环戊烷类和氟化有机硅烷，并且其中所述保护性界面层表现出包括聚合物基质组分和嵌在所述聚合物基质组分中的含锂分散组分的复合结构。
[0027]方案2．根据方案1所述的方法，其中所述二氧杂环戊烷类是含有二氧杂环戊烷环
的化合物。
[0028]方案3．根据方案1所述的方法，其中所述二氧杂环戊烷类是1,3
‑
二氧杂环戊烷。
[0029]方案4．根据方案1所述的方法，其中所述二氧杂环戊烷类以按重量计构成所述前体溶液的1%至60%的量包含在所述前体溶液中。
[0030]方案5．根据方案1所述的方法，其中所述氟化有机硅烷是具有下式的化合物：R'R"
n
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.制造用于二次锂金属电池组的电化学电池的负极的方法，所述方法包括：将前体溶液施加到锂金属基材的主表面上以便在其上形成保护性界面层，其中所述前体溶液包含有机溶剂混合物、二氧杂环戊烷类和氟化有机硅烷，其中所述二氧杂环戊烷类是包含二氧杂环戊烷环的化合物，并且其中所述保护性界面层表现出包括聚合物基质组分和嵌在所述聚合物基质组分中的含锂分散组分的复合结构。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述二氧杂环戊烷类是1,3
‑
二氧杂环戊烷。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述氟化有机硅烷是具有下式的化合物：R'R"
n
SiX4–
n
，其中n = 0、1或2，并且其中R'是多氟化C1
–
C8烷基，R"是甲基，且X是甲氧基或氯原子。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述氟化有机硅烷是(3,3,3
‑
三氟丙基甲基)二甲氧基硅烷、(3,3,3
‑
三氟丙基)三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H
‑
全氟辛基甲基二甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H
‑
全氟辛基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,...

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：