锂金属电池、保护锂金属负极的方法、和保护层技术

本发明专利技术涉及锂金属电池、保护锂金属负极的方法、和保护层。所述锂金属电池包括：锂金属负极；设置于所述锂金属负极上的保护层，所述保护层包括：聚合物、以及选自包含第1族或第2族元素的金属盐和含氮添加剂的至少一种；正极；以及设置于所述保护层和所述正极之间的液体电解质，所述液体电解质包括有机溶剂，其中所述选自包含第1族或第2族元素的金属盐和含氮添加剂的至少一种在所述液体电解质的有机溶剂中是不溶性的。

Lithium metal battery, method for protecting lithium metal negative pole and protective layer

The invention relates to a lithium metal cell, a method of protecting a lithium metal negative electrode, and a protective layer. The lithium metal batteries include lithium metal anode; the protective layer is arranged on the lithium metal anode, the protective layer comprises a polymer and metal salt selected from the group consisting of first or second elements and at least one nitrogen additive; cathode; and is arranged between the protective layer and the positive electrode of the liquid electrolyte, the electrolyte including organic solvent, insoluble in the metal salt selected from the group comprising first or second elements and at least one nitrogen additive in the liquid electrolyte in organic solvents.

【技术实现步骤摘要】
锂金属电池、保护锂金属负极的方法、和保护层
本公开内容涉及包括锂金属负极的锂金属电池。
技术介绍
锂二次电池是在可应用于多种领域中例如电动车的目前可得到的二次电池之中具有最高能量密度的高性能二次电池。锂二次电池可使用锂薄膜作为负极。当锂薄膜用作负极时，其可由于锂的高的反应性而在充电或放电期间对于液体电解质为高度反应性的，或者可导致在锂薄膜负极上的枝晶生长。因此，包括这样的锂金属薄膜的锂二次电池可具有降低的寿命和稳定性。因此，仍然存在对于具有改善的电池(单元电池，cell)性能的锂电池的需要。
技术实现思路
提供锂金属电池，其具有可抑制在锂金属负极的表面上的锂枝晶的形成的保护层。额外的方面将在随后的描述中部分地阐明，且部分地，将由所述描述明晰，或者可通过所呈现的示例性实施方式的实践获悉。根据一个示例性实施方式的方面，锂金属电池包括：锂金属负极；设置于所述锂金属负极上的保护层，所述保护层包括：聚合物、以及选自包含第1族或第2族元素的金属盐和含氮添加剂的至少一种；正极；以及设置于所述保护层和所述正极之间的液体电解质，所述液体电解质包括有机溶剂，其中所述选自包含第1族或第2族元素的金属盐和含氮添加剂的至少一种在所述液体电解质的有机溶剂中是不溶性的。附图说明由结合附图考虑的示例性实施方式的下列描述，这些和/或其它方面将变得明晰和更容易理解，其中：图1为说明根据一个实施方式的锂金属电池的结构的示意性横截面图；图2为说明根据另一实施方式的锂金属电池的结构的示意性横截面图；图3A和3B分别为在以0.1C充电之后实施例2的锂金属电池和对比例1的锂金属电池的锂金属负极表面的扫描电子显微镜(SEM)图像；图4A和4B分别为在以0.1C充电之后实施例2和对比例1的锂金属电池的锂金属负极横截面的SEM图像；图5为虚部阻抗-Z”(欧姆，Ω)对实部阻抗Z’(欧姆，Ω)的图，其说明实施例2和对比例1的锂金属电池的阻抗分析的结果；图6为放电容量(毫安时/克，mAh/g)对循环次数的图，其说明实施例1以及对比例1和4的锂金属电池的根据循环的放电特性的变化；图7为实施例1以及对比例1的锂金属电池的库仑效率(百分数，％)对循环次数的图；图8为应力(兆帕，MPa)对应变(百分数，％)的图，其为根据实施例1形成的保护层的应力-应变曲线；图9为在选择的倍率下的放电容量(毫安时/克，mAh/g)的柱状图，其说明实施例1和对比例1的锂金属电池的倍率性能；和图10为单元电池电压(伏，V)对时间(小时，hr)的图，其显示包括根据实施例2制备的具有保护层的锂金属负极的对称单元电池和包括根据对比例1的锂金属薄膜的对称单元电池的单元电池电压。具体实施方式现在将对锂金属电池及其制造方法的示例性实施方式详细地进行介绍，其实例说明于附图中，其中相同的附图标记始终指的是相同的元件。在这点上，本示例性实施方式可具有不同的形式且不应被解释为限于本文中阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述示例性实施方式，以说明本公开内容的方面。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关列举项目的一个或多个的任何和全部组合。表述例如“的至少一个(种)”当在要素列表之前或之后时，修饰整个要素列表且不修饰所述列表的单独要素。在本文中参照作为理想化实施方式的示意图的横截面图描述示例性实施方式。这样，将预计到作为例如制造技术和/或公差的结果的与图的形状的偏差。因而，本文中描述的实施方式不应解释为限于如本文中所示的区域的具体形状，而是包括由例如制造所导致的形状方面的偏差。例如，图示或描述为平坦的区域可具有粗糙的和/或非线性的特征。此外，所图示的尖锐的角可为圆形的。因而，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状不意图图示区域的精确形状，并且不意图限制本权利要求的范围。将理解，尽管术语第一、第二、第三等可在本文中用于描述各种元件、组分、区域、层和/或部分，但这些元件、组分、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组分、区域、层或部分区别于另外的元件、组分、区域、层或部分。因此，在不背离本实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组分、区域、层或部分可称为第二元件、组分、区域、层或部分。本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式的目的且不意图为限制性的。如本文中使用的，单数形式“一个(种)(a，an)”和“所述(该)(the)”也意图包括复数形式，除非上下文清楚地另外指明。术语“或”意味着“和/或”。如本文中所使用的，术语例如“包括”、“包含”、“具有”等意图表示在本说明书中公开的特征、区域、整体、步骤、操作、组分、和/或元件的存在，且不意图排除如下可能性：一个或多个其它特征或元件可存在，或者可添加一个或多个其它特征或元件。还将理解，当一个元件例如层、区域或部件被称为“在”另外的层或元件“上”时，其可直接在所述另外的层或元件上，或者还可存在中间层、区域、或部件。相反，当一个元件被称为“直接在”另外的元件“上”时，则不存在中间元件。在附图中，为了便于描述，元件的尺寸被放大或减小。为了更好的理解或便于描述，附图中显示的各元件的尺寸或厚度被任意地图示，且因而本公开内容不限于此。除非另外定义，在本文中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本总的专利技术构思所属领域的普通技术人员通常理解的相同。将进一步理解，术语，例如在常用字典中定义的那些，应被解释为其含义与它们在相关领域和本公开内容的背景中的含义一致，并且将不以理想化或过度形式的意义进行解释，除非在本文中清楚地如此定义。如本文中使用的“约”或“大约”包括所陈述的值且意味着在如由本领域普通技术人员考虑到所讨论的测量和与具体量的测量有关的误差(即，测量系统的限制)而确定的对于具体值的可接受的偏差范围内。例如，“约”可意味着在所陈述的值的一种或多种偏差范围内，或者在±30％、20％、10％、5％范围内。在下文中，参照附图，将详细地描述根据示例性实施方式的锂金属电池和其制备方法。然而，这些仅用于说明性目的且不意图限制本公开内容的范围。根据本公开内容的一个实施方式，提供锂金属电池，其包括：锂金属负极；设置于所述锂金属负极上的保护层，所述保护层包括：聚合物、以及选自包含第1族元素或第2族元素的金属盐和含氮添加剂的至少一种；正极；以及设置于所述保护层和所述正极之间的液体电解质，所述液体电解质包括有机溶剂，其中所述选自包含第1族元素或第2族元素的金属盐和含氮添加剂的至少一种在所述液体电解质的有机溶剂中是不溶性的。表述“在所述液体电解质的有机溶剂中是不溶性的”意味着，在25℃下选自金属盐和含氮添加剂的至少一种的溶解度为小于100百万分率(ppm)/升有机溶剂。所述包含第1族元素或第2族元素的金属盐可包括选自如下的至少一种金属：Cs、Rb、K、Ba、Sr、Ca、Na、和Mg。例如，所述包含第1族元素或第2族元素的金属盐可为选自如下的至少一种：CsTFSI、CsNO3、CsPF6、CsFSI、CsAsF6、CsClO4、CsBF4、RbTFSI、RbNO3、RbPF6、RbFSI、RbAsF6、RbClO4、RbBF4、KTFSI、KNO3、KPF6、KFSI、KAsF6、KClO4、KBF4、NaTFSI、NaNO3、NaPF6、NaFSI、本文档来自技高网...

【技术保护点】
锂金属电池，包括：锂金属负极；设置于所述锂金属负极上的保护层，所述保护层包括：i)聚合物、以及ii)选自包含第1族或第2族元素的金属盐和含氮添加剂的至少一种；正极；以及设置于所述保护层和所述正极之间的液体电解质，所述液体电解质包括有机溶剂，其中所述选自包含第1族或第2族元素的金属盐和含氮添加剂的至少一种在所述液体电解质的有机溶剂中是不溶性的。

【技术特征摘要】
2015.08.31 KR 10-2015-0123206;2016.06.10 KR 10-2011.锂金属电池，包括：锂金属负极；设置于所述锂金属负极上的保护层，所述保护层包括：i)聚合物、以及ii)选自包含第1族或第2族元素的金属盐和含氮添加剂的至少一种；正极；以及设置于所述保护层和所述正极之间的液体电解质，所述液体电解质包括有机溶剂，其中所述选自包含第1族或第2族元素的金属盐和含氮添加剂的至少一种在所述液体电解质的有机溶剂中是不溶性的。2.如权利要求1所述的锂金属电池，其中所述金属盐包含选自如下的至少一种：Cs、Rb、K、Ba、Sr、Ca、Na、和Mg。3.如权利要求1所述的锂金属电池，其中所述金属盐为选自如下的至少一种：Cs(双(三氟甲磺酰)亚胺)、CsNO3、CsPF6、Cs(双(氟磺酰)亚胺)、CsAsF6、CsClO4、CsBF4、Rb(双(三氟甲磺酰)亚胺)、RbNO3、RbPF6、Rb(双(氟磺酰)亚胺)、RbAsF6、RbClO4、RbBF4、K(双(三氟甲磺酰)亚胺)、KNO3、KPF6、K(双(氟磺酰)亚胺)、KAsF6、KClO4、KBF4、Na(双(三氟甲磺酰)亚胺)、NaNO3、NaPF6、Na(双(氟磺酰)亚胺)、NaAsF6、NaClO4、NaBF4、Ba(双(三氟甲磺酰)亚胺)2、Ba(NO3)2、Ba(PF6)2、Ba(双(氟磺酰)亚胺)2、Ba(AsF6)2、Ba(ClO4)2、Ba(BF4)2、Sr(双(三氟甲磺酰)亚胺)2、Sr(NO3)2、Sr(PF6)2、Sr(双(氟磺酰)亚胺)2、Sr(AsF6)2、Sr(ClO4)2、Sr(BF4)2、Ca(双(三氟甲磺酰)亚胺)2、Ca(NO3)2、Ca(PF6)2、Ca(双(氟磺酰)亚胺)2、Ca(AsF6)2、Ca(ClO4)2、Ca(BF4)2、Mg(双(三氟甲磺酰)亚胺)2、Mg(NO3)2、Mg(PF6)2、Mg(双(氟磺酰)亚胺)2、Mg(AsF6)2、Mg(ClO4)2、和Mg(BF4)2。4.如权利要求1所述的锂金属电池，其中所述含氮添加剂为选自如下的至少一种：无机硝酸盐、有机硝酸盐或酯、无机亚硝酸盐、有机亚硝酸酯或盐、有机硝基化合物、有机亚硝基化合物、N-O化合物、和氮化锂。5.如权利要求4所述的锂金属电池，其中所述无机硝酸盐为选自如下的至少一种：硝酸锂、硝酸钾、硝酸铯、硝酸钡、和硝酸铵，所述有机硝酸盐或酯为选自如下的至少一种：硝酸C1-C20二烷基咪唑、硝酸胍、硝酸乙酯、硝酸丙酯、硝酸丁酯、硝酸戊酯、和硝酸辛酯，所述有机亚硝酸酯为选自如下的至少一种：亚硝酸乙酯、亚硝酸丙酯、亚硝酸丁酯、亚硝酸戊酯、和亚硝酸辛酯，所述有机硝基化合物为选自如下的至少一种：硝基甲烷、硝基丙烷、硝基丁烷、硝基苯、二硝基苯、硝基甲苯、二硝基甲苯、和硝基吡啶，和所述N-O化合物为选自如下的至少一种：吡啶N-氧化物、C1-C20烷基吡啶N-氧化物、和四甲基哌啶N-氧基。6.如权利要求1所述的锂金属电池，其中所述保护层中的所述金属盐和所述含氮添加剂的量为0.1重量份-100重量份，基于100重量份的所述聚合物。7.如权利要求6所述的锂金属电池，其中所述保护层包括所述金属盐和所述含氮添加剂，其中所述金属盐的量为0.01重量份-99.99重量份，基于100重量份的所述聚合物，和其中所述含氮添加剂的量为0.01重量份-99.99重量份，基于100重量份的所述聚合物。8.如权利要求1所述的锂金属电池，其中所述保护层包括所述金属盐和所述含氮添加剂，和其中所述金属盐对所述含氮添加剂的混合重量比为1:9到9:1。9.如权利要求1所述的锂金属电池，其中所述聚合物为选自如下的至少一种聚合物：均聚物、嵌段共聚物、和接枝共聚物。10.如权利要求9所述的锂金属电池，其中所述均聚物为选自如下的至少一种：聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丙酯、聚丙烯酸丙酯、聚丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸戊酯、聚丙烯酸戊酯、聚甲基丙烯酸环己酯、聚丙烯酸环己酯、聚甲基丙烯酸己酯、聚丙烯酸己酯、聚(丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：S柳，李龙键，朴晶远，敏规杉本，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR