锂金属复合电极材料及其制备方法与包含其的电极、电池、电池模块、电池包以及装置与流程

本发明涉及电池领域，具体的，涉及一种锂金属复合电极材料及其制备方法与包含其的电极、电池、电池模块、电池包和装置。

背景技术：

1、现代社会广泛使用可移动的化学电源。随着高新技术的不断发展，对供电系统的能量密度要求也不断提高，高能量密度的二次电池已经成为未来能源产业发展的重点，锂离子电池以其突出的性能优势成为应用最为普遍的二次电池体系。然而，现有的锂离子电池常采用石墨化碳材料作为负极材料，其理论比容量为370mah/g，相关电池的能量密度远不能满足现代社会的需求。特别是电动汽车等的迅速发展，迫切需要更高比能量的二次电池。

2、锂金属在固相材料中具有最高的理论比容量(3860mah/g)和最低的电极电位(-3.04v vs标准氢电极)，发展高能密度锂金属基二次电池已经成为研究的热点。但是采用锂金属作为负极材料存在三个主要问题：一是由于锂金属的高活泼性，且形成在表面的固体电解质界面膜不均匀，循环过程中极易与电解液发生不可逆反应，消耗电解液，并使库仑效率降低，最终导致电池失效。二是循环过程中锂金属易形成枝晶。脱离基体的锂枝晶因无法形成电子通路而形成“死锂”，这会降低锂电极的循环效率；若锂枝晶持续生长则会刺穿隔膜导致短路引起电池热失控，严重的会引起爆炸等一系列安全问题。三是锂金属的沉积与溶出涉及显著的电极厚度变化，影响电池结构的稳定性。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种用于锂金属电池的锂金属复合电极材料，以解决锂金属作为负极时易于消耗电解液、易于产生锂枝晶以及沉积和溶出易于导致电极厚度变化进而影响电池循环稳定性、电性能和结构稳定性的问题。

2、本发明的第二目的在于提供一种用于锂金属电池的锂金属复合电极材料的制备方法，以解决锂金属作为负极时易于消耗电解液、易于产生锂枝晶以及沉积和溶出易于导致电极厚度变化进而影响电池循环稳定性、电性能和结构稳定性的问题。

3、本发明的第三目的在于提供一种包含本发明锂金属复合电极材料的用于锂金属电池的锂金属复合电极。

4、本发明的第四目的在于提供一种包含本发明锂金属复合电极的锂金属电池。

5、本发明的第五目的在于提供一种包含本发明锂金属电池的电池模块。

6、本发明的第六目的在于提供一种包含本发明电池模块的电池包。

7、本发明的第七目的在于提供一种包含本发明的锂金属电池的装置，所述锂金属电池作为所述装置的电源。

8、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

9、第一方面，本发明提供一种用于锂金属电池的锂金属复合电极材料，包括：

10、锂金属颗粒和作为支撑骨架的含锂导电层，所述锂金属颗粒填充于所述支撑骨架中；所述含锂导电层中包括无机锂化合物和锂合金。

11、第二方面，本发明提供一种用于锂金属电池的锂金属复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

12、将锂金属颗粒填充于作为支撑骨架的含锂导电层中，得到所述锂金属复合电极材料；其中，所述含锂导电层中包括无机锂化合物和锂合金。

13、第三方面，本发明提供一种用于锂金属电池的锂金属复合电极，包含本发明第一方面锂金属复合电极材料或利用本发明第二方面的制备方法得到的锂金属复合电极材料。

14、第四方面，本发明提供一种锂金属电池，包括本发明第三方面的锂金属复合电极。

15、第五方面，本发明提供一种电池模块，包括本发明第四方面的锂金属电池。

16、第六方面，本发明提供一种电池包，包括本发明第五方面的电池模块。

17、第七方面，本发明提供一种使用锂金属电池作为电源的装置，包括本发明第六方面的电池包。

18、与现有技术相比，采用本发明的技术方案的优点在于：

19、本发明提供的锂金属复合电极材料，将锂金属颗粒填充于作为支撑骨架的含锂导电层的空隙中，其中，该含锂导电层中含有无机锂化合物和锂合金。含锂导电层作为三维支撑骨架结构将锂金属颗粒包覆其中，从而使锂金属颗粒与电解液隔离，减少了锂金属与电解液之间的不可逆反应。

20、锂金属颗粒表面包覆的含锂导电层可以调节锂金属复合电极材料中的电子与离子的传导机制以及锂金属界面处的物理环境和化学环境，有效降低锂金属活性相的表面活性，同时为锂金属的沉积提供足够的空间和活性位点，从而抑制锂枝晶的产生和电极的体积变化，改善电池的循环稳定性和安全性。

21、利用本发明提供的锂金属复合电极材料能够显著提高锂金属二次电池的循环稳定性和安全性。

22、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

技术特征：

1.一种用于锂金属电池的锂金属复合电极材料，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的锂金属复合电极材料，其特征在于，所述含锂导电层原位生长于所述锂金属颗粒的表面。

3.根据权利要求1所述的锂金属复合电极材料，其特征在于，所述无机锂化合物包括氮化锂、硫化锂或磷化锂中的至少一种；

4.根据权利要求1-3任一项所述的锂金属复合电极材料，其特征在于，所述含锂导电层在所述锂金属复合电极材料中的质量占比为10％～20％。

5.根据权利要求1-3任一项所述的锂金属复合电极材料，其特征在于，所述导电碳包括碳纳米管、碳纤维或石墨烯中的至少一种。

6.一种用于锂金属电池的锂金属复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，先将所述锂金属颗粒与所述金属化合物混合、研磨后，再加入导电碳混合研磨，然后再进行热处理，在所述锂金属颗粒表面原位生长所述含锂导电层；

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述金属化合物为无机金属化合物；

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述热处理中的热处理温度为100～300℃，热处理时间为1～2h；

11.一种用于锂金属电池的锂金属复合电极，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述锂金属复合电极材料或利用权利要求6-10任一项所述的制备方法得到的锂金属复合电极材料。

12.一种锂金属电池，其特征在于，包括权利要求11所述的锂金属复合电极。

13.一种电池模块，其特征在于，包括权利要求12所述的锂金属电池。

14.一种电池包，其特征在于，包括权利要求13所述的电池模块。

15.一种使用锂金属电池作为电源的装置，其特征在于，包括权利要求14所述的电池包。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置包括电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车、电动船舶、储能系统。

技术总结
本发明提供了一种用于锂金属电池的锂金属复合电极材料及其制备方法与包含其的电极、电池、电池模块、电池包和装置。该锂金属复合电极材料，包括：锂金属颗粒和作为支撑骨架的含锂导电层，所述锂金属颗粒填充于所述支撑骨架中；所述含锂导电层中包括无机锂化合物和锂合金。利用该锂金属复合电极材料能够解决锂金属作为负极时易于消耗电解液、易于产生锂枝晶以及沉积和溶出易于导致电极厚度变化进而影响电池循环稳定性、电性能和结构稳定性的问题，达到提高锂金属电极结构稳定性和循环稳定性的目的。

技术研发人员：梁成都,郭永胜,张涛,刘成勇,杨军
受保护的技术使用者：宁德时代新能源科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/7/15