锂金属电池的制作方法

本发明涉及电池领域，具体涉及一种锂金属电池。

背景技术：

1、锂金属电池作为现代能源存储领域的产品，其发展前景可谓广阔而充满挑战。随着全球对可持续能源和绿色出行方式的需求日益增长，锂金属电池以其高能量密度、长循环寿命和快速充电能力，正逐渐成为电动汽车、移动设备、可穿戴设备等领域的主导电源。锂金属电池虽然在许多领域都有广泛的应用，但目前也面临着一系列问题和挑战。锂金属电池在充放电循环过程中容易形成锂枝晶，这会导致容量衰减、循环寿命降低以及容易发生短路或过充等安全问题。尤其是在快速充电的需求下，锂金属电池的循环寿命和安全问题更加突出。

2、为了解决上述循环寿命和安全问题，一般使用的手段是overhand，即负极尺寸比正极尺寸更大。当负极片的尺寸超出正极片的尺寸时，能够为锂离子提供充足的嵌入位点，使得在锂金属电池充放电循环过程中，有更多的锂离子参与电化学反应，不仅能够增加电池的容量，还能够改善由于嵌锂空间不足所导致的锂枝晶以及锂金属颗粒的形成。

3、但是当负极片的尺寸超出正极片的尺寸时，会导致电池的低温性能变差；并且对形成锂枝晶的改善效果有限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供了一种锂金属电池。本发明的锂金属电池中负极片与电解液相适配，能够有效降低锂金属电池在充放电循环过程中(尤其是快速充电条件下)发生短路或过充的风险，提高锂金属电池的循环寿命和低温性能。

2、相关技术中锂金属电池通过overhand手段来改善锂枝晶的形成，从而提高电池的循环寿命和安全问题。但是当负极片的尺寸超出正极片的尺寸时，会导致电池的低温性能变差，并且还是会形成锂枝晶，影响电池的安全使用；另外该安全问题在快速充电的条件下会变得更加严重。本发明的发明人经过大量研究发现，造成上述问题的原因可能是：锂金属电池的负极具有极高的化学活性，使得在与电解液接触时容易发生副反应，不仅会导致锂枝晶的形成，还会消耗负极锂金属。锂枝晶的形成使得负极表面形成的sei膜不均匀，破坏了负极的稳定性，从而导致电池的稳定性变差。虽然当负极片的尺寸超出正极片的尺寸时，能够为锂离子提供充足的嵌入位点，从而改善由于嵌锂空间不足所导致的锂枝晶；但是同时会导致锂金属电池内部电流分布不均匀，使得电流在某些区域过于集中，而在其他区域则相对较弱。这种不均匀的电流分布会增大锂金属电池的内阻，降低其效率和性能。其次，负极片超出正极片的部分更容易与电解液发生副反应，会加剧锂枝晶的形成。基于上述发现，本发明的发明人提出了如下方案：

3、本发明提供了一种锂金属电池，所述锂金属电池包括负极片、正极片和电解液；在第一方向上，所述负极片的尺寸大于所述正极片的尺寸，在与所述第一方向相垂直的第二方向上，所述负极片的尺寸大于所述正极片的尺寸；所述电解液包括锂盐、第一有机溶剂和第二有机溶剂，所述第一有机溶剂包括式i所示的物质和/或式ii所示的物质，所述第二有机溶剂包括式iii所示的物质，

4、

5、其中，r1和r2各自独立地选自氟原子取代或未取代的下列基团：c1-10的烃基或c1-10的烷氧基，r1和r2中所述氟原子取代的总数量≤4个；r3和r4各自独立地选自氟原子取代或未取代的c1-10的亚烷基，r5选自氟原子取代或未取代的c1-5的烃基，r3、r4和r5中所述氟原子取代的总数量≤4个；r6和r7各自独立地选自氟原子取代的c1-10的烃基，r6和r7中所述氟原子取代的总数量>4个。

6、本发明锂金属电池的电解液包括具有特定结构的第一有机溶剂，该第一有机溶剂与传统碳酸酯类溶剂相比，与锂金属电池的负极适配性更高，具体表现为：第一，能够在有锂盐存在的条件下，与锂离子配位形成溶剂化结构，该溶剂化结构使得第一有机溶剂不容易失去电子，从而能够在一定程度上抑制电解液与负极之间副反应的发生；第二，由于锂盐中的阴离子参加了锂离子配位，因此，更容易在负极表面形成富含lif的致密的sei膜，能够对负极形成更好的保护作用；第三，第一有机溶剂具有更高的lumo能级，能够提高电解液在负极的耐还原性。以上三点共同作用，可以显著改善负极界面的副反应，从而抑制锂枝晶的形成。

7、但是当电解液中添加第一有机溶剂后，由于电解液中锂盐的浓度较高，会导致电解液的粘度较大，使得锂金属电池的阻抗增加。本发明的发明人发现，将第一有机溶剂与第二有机溶剂组合使用，能够改善第一有机溶剂和负极片超出正极片的部分对电池阻抗的不利影响。这可能是因为：第二有机溶剂本身不参与电化学反应，与电解液中其它成分的相容性较好，将其加入电解液中，能够有效降低电解液的黏度，提高锂离子的传输速度，尤其是在低温条件下，锂离子也能够快速通过，从而使电池具有良好的低温性能。另外，第二有机溶剂不易燃，降低了电解液整体的易燃性，提高了锂金属电池高温安全性能。

8、另外，当使用包括第一有机溶剂和第二有机溶剂的电解液时，能够显著改善由于负极片超出正极片的部分所带来的锂枝晶问题，这是由于：上述电解液具有较低黏度，能够提高锂离子在电解液中的迁移速率，更快的迁移速率使得锂离子能够更均匀地到达负极的各个区域，而不是在某些特定区域过度集中，因而减少了锂离子在负极表面停留时间，降低了锂枝晶的形成风险。并且该电解液对负极具有较强的保护作用，能够降低负极片超出正极片的部分与电解液发生副反应的风险。

9、通过上述技术方案，本发明与现有技术相比至少具有以下优势：本发明的锂金属电池中的负极片结构与电解液相适配，能够有效抑制死锂和锂枝晶的形成，使得锂离子的脱嵌能够正常进行，从而降低了锂金属电池在充放电循环过程中(尤其是快速充电条件下)发生短路或过充的风险，提高了锂金属电池的循环寿命和低温性能。

10、在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

技术特征：

1.一种锂金属电池，其特征在于，所述锂金属电池包括负极片、正极片和电解液；在第一方向上，所述负极片的尺寸大于所述正极片的尺寸，在与所述第一方向相垂直的第二方向上，所述负极片的尺寸大于所述正极片的尺寸；所述电解液包括锂盐、第一有机溶剂和第二有机溶剂，所述第一有机溶剂包括式i所示的物质和/或式ii所示的物质，所述第二有机溶剂包括式iii所示的物质，

2.根据权利要求1所述的锂金属电池，其中，在所述第一方向上，所述负极片单侧超出所述正极片的尺寸为m；在所述第二方向上，所述负极片单侧超出所述正极片的尺寸为n；0.1mm≤m≤3mm，0.1mm≤n≤3mm；

3.根据权利要求1或2所述的锂金属电池，其中，以所述电解液的总重量为基准，所述第一有机溶剂的含量为a，所述第二有机溶剂的含量为b，所述锂盐的含量为c，10％≤a≤50％，10％≤b≤65％，10％≤c≤50％；

4.根据权利要求1或2所述的锂金属电池，其中，以所述电解液的总重量为基准，所述第一有机溶剂的含量为a，所述第二有机溶剂的含量为b；在所述第一方向上，所述负极片单侧超出所述正极片的尺寸为m，在所述第二方向上，所述负极片单侧超出所述正极片的尺寸为n；满足1.5×n≤(a+b)×10≤8；

5.根据权利要求1或2所述的锂金属电池，其中，所述负极片包括负极集流体和在所述负极集流体至少一侧表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层的单侧厚度为d，15μm≤d≤40μm；

6.根据权利要求1或2所述的锂金属电池，其中，所述负极片包括负极集流体和在所述负极集流体至少一侧表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层包括金属m1，所述金属m1包括mg、zn、ga、ba、al、fe、cr、sn、v、mn、sc、ti、nb、mo、ag、in和zr中的至少一种；

7.根据权利要求1或2所述的锂金属电池，其中，所述第一有机溶剂包括中的至少一种；

8.根据权利要求1或2所述的锂金属电池，其中，所述电解液还包括碳酸酯和磺酸类物质；

9.根据权利要求8所述的锂金属电池，其中，所述电解液还包括腈类物质；

10.根据权利要求1或2所述的锂金属电池，其中，所述正极片包括正极活性物质，所述正极活性物质包括过渡金属锂氧化物、磷酸铁锂和锰酸锂中的至少一种；所述过渡金属锂氧化物的化学式为li1+xniycozm21-y-zo2，-0.1≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤y+z≤1，m2包括mg、zn、ga、ba、al、fe、cr、sn、v、mn、sc、ti、nb、mo和zr中的至少一种；

11.根据权利要求1或2所述的锂金属电池，其中，所述正极片的面密度为2.5mah/cm2-4.5mah/cm2。

技术总结本发明涉及电池领域，具体涉及一种锂金属电池。所述锂金属电池包括负极片、正极片和电解液；在第一方向上，所述负极片的尺寸大于所述正极片的尺寸，在与所述第一方向相垂直的第二方向上，所述负极片的尺寸大于所述正极片的尺寸；所述电解液包括锂盐、第一有机溶剂和第二有机溶剂。本发明的锂金属电池的负极片与电解液相适配，能够有效降低锂金属电池在充放电循环过程中发生短路或过充的风险，提高锂金属电池的循环寿命和低温性能。技术研发人员：邱亚明,王海受保护的技术使用者：珠海冠宇电池股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/27