本发明涉及一种聚合物锂金属电池金属锂负极异质界面层。
背景技术：
1、开发新型动力电池来推动新能源汽车产业高速发展，加快我国由汽车大国向汽车强国转型是国家的重大战略需求。目前，商用的锂离子电池能量密度已接近理论极限，亟需发展与新能源汽车匹配的高比能、高倍率、长寿命的动力电池体系，推进我国汽车结构转型，加速实现“双碳”目标。
2、聚合物锂金属电池具有能量密度高等优点，是下一代高性能动力电池极具竞争力的二次电池体系。然而，高电流、低温条件加剧枝晶生长的问题仍未完全解决，严重影响高功率聚合物锂金属电池的实用化。虽然聚合物电解质安全性相较于有机电解液有所提高，但是聚合物电池仍然面临着由枝晶生长引发的安全问题的威胁。brissot与chazalviel提出的模型指出：枝晶生长的时间τ与电流密度j-2成正比，即提高电流密度会加速锂枝晶生长，这极大影响聚合物锂电池的循环稳定性和倍率性能。
3、大量研究认为，聚合物电池的倍率性能主要受聚合物电解质的体相离子电导率的影响。基于此，研究人员通过聚合物交联、嵌段共聚、无机颗粒掺杂、原位自聚合等策略提高聚合物电解质的离子电导率，并取得了显著效果。然而部分研究表明，聚合物电解质/锂负极界面性能同样有可能影响电池的倍率性能。如图3所示，由于大部分电解质的最低未占轨道(lumo)能量低于金属锂，电解质在与金属锂接触时，能够原位反应形成固态电解质界面层(sei)。该层sei成分、结构、均匀性与机械性能会影响锂离子的传输速率与均匀性，进而影响锂的沉积形貌。sei在一定程度上可以阻碍电解质与锂的直接接触，阻碍了锂与电解质之间副反应的进一步发生，实现高的锂离子选择性透过性。然而，大部分sei都是不均匀的，锂离子在界面分布不均匀，容易导致锂沉积不均匀。此外，高电流密度运行会加剧浓差极化，进一步加速锂枝晶生长。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种应用效果好的锂金属负极及其制备方法和应用。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、本发明提供一种带有异质界面层的锂金属负极，所述异质界面层主要由lif/li3n或lif/li3po4一种及其以上构成的马赛克结构异质界面层其余少量组分为聚合物链段分子及其衍生物。
4、进一步地，在上述技术方案中，lif/li3n中lif：li3n按照摩尔比为5：1到300：1，优选摩尔百为5：1到50：1。
5、进一步地，在上述技术方案中，lif/li3po4中lif：li3po4按照摩尔比为5：1到300：1，优选摩尔百比为5：1到50：1。
6、进一步地，在上述技术方案中，所述异质界面层中的lif是由锂盐分解形成，li3n或li3po4是由li3n或li3po4是由含有硝基或磷酸基团一种及其以上的化合物与金属锂原位反应形成，锂盐和添加剂都优先于聚合物基质与金属锂反应。
7、进一步地，在上述技术方案中，所述异质界面层的厚度为500nm～80μm。
8、进一步地，在上述技术方案中，与金属锂原位反应形成异质界面层的聚合物电解质包括聚合物基质、有机锂盐、添加剂，添加剂占聚合物电解质总质量的质量分数为1％～20％，锂盐质量分数为15～87％，其余为聚合物基质。优选添加剂质量分数为5％～10％，锂盐质量分数为15～50％。
9、进一步地，在上述技术方案中，
10、所述聚合物基质为聚环氧乙烷、聚乙二醇二甲醚、聚硅氧烷、聚乙二醇丁二酸酯、聚(β-丙内酯)、聚(乙二醇)甲基醚丙烯酸酯、聚二氧戊环聚磷腈、聚碳酸酯、聚腈基丙烯酸酯、聚丙二酰胺以及聚草酸酯中的一种或二种以上，优选聚合物相对分子质量(mn)为200～2000。
11、所述有机锂盐为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、三氟甲基磺酸锂、双氟磺酸亚胺锂中的一种或二种以上。
12、所述添加剂为硝酸锂、硝酸铯、硝化纤维素、聚乙烯醇硝酸酯、硝酸酯、苯甲基膦酸二甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三(2,2,2-三氟乙基)酯、磷酸双(2,2,2-三氟乙基)-乙基酯、磷酸酯中的一种或二种以上。
13、本发明提供上述锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：
14、(1)将有机锂盐溶解于聚合物基质中，得到均匀电解质；
15、(2)将添加剂溶解在上述电解质中，搅拌均匀得到所需聚合物电解质；
16、所述添加剂占总电解质的质量分数为1％～20％；
17、所述锂盐作为支持电解质占总电解质质量分数为15～87％。
18、(3)将上述电解质用于组装聚合物锂金属电池，电池静置10-60min，制得带有异质界面层的锂金属负极。
19、进一步地，在上述技术方案中，所述聚合物锂金属电池，负极为带有异质界面层的锂金属；正极材料包括碳硫复合物、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、钴酸锂、磷酸钒锂中的一种；电解质为所述聚合物电解质。
20、本发明提供一种聚合物锂金属电池，在聚合物锂金属电池负极侧采用上述任意一项所述锂金属负极作为负极。
21、本发明的有益结果为：
22、本发明涉及提高聚合物锂金属电池倍率性能的异质界面层的锂金属负极的制备和应用，
23、(1)聚合物电解质中的含氟锂盐、以及含有硝基或磷酸基团的添加剂，优先于聚合物基质与金属锂反应，形成主要为lif/li3n或lif/li3po4的无机异质sei。
24、(2)相较聚合物基质诱导形成的低离子导的有机sei，无机异质sei具有低扩散能垒的lif与高离子导的li3n或li3po4的协同作用，有利于锂离子的快速迁移与均匀沉积。
25、(2)相较聚合物基质诱导形成的疏松多孔的有机sei，致密的异质界面层能有效抑制聚合物基质在锂表面持续反应与消耗，提高电池的循环寿命与稳定性。
26、(3)所形成的多功能异质界面层不仅促进锂离子在界面的快速传输，有利于锂离子在高倍率条件下的均匀沉积；并且拥有高机械强度与电子绝缘性，抑制枝晶生长和后续的界面副反应，进而提高聚合物电池的倍率性能和循环稳定性。
1.一种带有异质界面层的锂金属负极，其特征在于：所述异质界面层主要由lif/li3n或lif/li3po4一种及其以上构成，异质界面层中其余少量组分为聚合物链段分子及其衍生物。
2.根据权利要求1所述的锂金属负极，其特征在于：所述异质界面层中的lif是由锂盐分解形成，li3n或li3po4是由含有硝基或磷酸基团一种及其以上的化合物作为添加剂与金属锂原位反应形成，锂盐和添加剂都优先于聚合物基质与金属锂反应。
3.按照权利要求1或2所述的锂金属负极，其特征在于：所述异质界面层的厚度为500nm～80μm。
4.根据权利要求2所述的锂金属负极，其特征在于：聚合物电解质包括聚合物基质、锂盐、添加剂，添加剂占聚合物电解质总质量的质量分数为1％～20％，锂盐质量分数为15～87％，其余为聚合物基质。
5.根据权利要求4所述的锂金属负极，其特征在于：
6.一种权利要求1-5任意一项所述锂金属负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述聚合物锂金属电池，负极为带有异质界面层的锂金属；正极材料包括碳硫复合物、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、钴酸锂、磷酸钒锂中的一种；电解质为所述聚合物电解质。
8.一种聚合物锂金属电池，其特征在于：在聚合物锂金属电池负极侧采用权利要求1-5任意一项所述锂金属负极作为负极。
