锂金属电池及其制备方法、包含锂金属电池的装置和负极极片与流程

本申请属于二次电池技术领域，具体涉及一种锂金属电池及其制备方法、包含锂金属电池的装置和负极极片。

背景技术：

二次电池主要依靠活性离子在正极和负极之间的往复移动来进行可逆的充电、放电。其具有工作性能可靠，以及无污染、无记忆效应等优点，因而被广泛应用。

随着二次电池的应用范围越来越广泛，对其能量密度提出了更高的要求。金属锂具有极高的理论比容量(3860mah/g)、最低的还原电势(-3.04vvs标准氢电极)以及低密度(0.534g/cm³)的优点，因此有望成为下一代高能量密度二次电池的优选负极活性材料。然而，在实际研究中发现，锂金属负极的应用面临着较多困难而难以实现广泛应用。

技术实现要素：

本发明人发现，由于金属锂质地较软，并且在电池循环过程中不断沉积、剥离，容易产生各种缺陷，甚至破损等问题，因此常常将金属锂与铜箔金属集流体复合后作为负极极片使用，但是锂离子在该锂金属负极表面不规则沉积，容易引发不可控的锂枝晶生长，锂枝晶容易引发电池内部短路，带来安全隐患。另外，金属集流体的重量较高，因而还不利地影响了金属锂改善电池能量密度作用的发挥。

本发明人进行了大量研究，旨在提供一种重量减轻且能改善锂金属电池安全性能的负极极片，从而获得能具有较高的重量能量密度和较好的安全性能的锂金属电池。

本申请的第一方面提供一种锂金属电池，其包括正极极片、负极极片和电解质，正极极片包括正极集流体和设置于正极集流体至少一个表面且包括正极活性材料的正极活性物质层，其中，负极极片包括：高分子材料基层；锂基金属层，直接结合于高分子材料基层的至少一个表面。

本申请第二方面提供一种锂金属电池的制备方法，其包括将高分子材料基材和锂基金属片经层压复合制备负极极片的步骤。

本申请第三方面提供一种装置，其包括根据本申请第一方面的锂金属电池和/或根据本申请第二方面的制备方法制备得到的锂金属电池。

本申请第四方面提供一种负极极片，其包括：高分子材料基层；锂基金属层，直接结合于高分子材料基层的至少一个表面。

令人惊讶的发现，本申请通过将锂基金属层直接结合于高分子材料基层，不仅能通过高分子材料基层对锂基金属层起到良好的支撑和保护作用，而且能减轻负极极片的重量，并且还能降低电池发生内短路的风险、或者在电池内短路时增大短路电阻或切断导电通路，从而能提高锂金属电池的重量能量密度和安全性能。更优选地，电池还能具有较高的循环性能。本申请的装置包括本申请提供的锂金属电池，因而至少具有与锂金属电池相同的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。

图1是负极极片的一实施方式的示意图。

图2是锂金属电池的一实施方式的示意图。

图3是图2的分解图。

图4是电池模块的一实施方式的示意图。

图5是电池包的一实施方式的示意图。

图6是图5的分解图。

图7是锂金属电池用作电源的装置的一实施方式的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、电池包；

2、上箱体；

3、下箱体；

4、电池模块；

5、锂金属电池；51、壳体；52、电极组件；53、盖板；

10、高分子材料基层；20、锂基金属层。

具体实施方式

为了使本申请的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本申请进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本申请，并非为了限定本申请。

为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。

在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或几种”中“几种”的含义是两种或两种以上。

本申请的上述发明内容并不意欲描述本申请中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。

锂金属电池

本申请的实施方式提供一种能具有较高的能量密度和较好的安全性能的锂金属电池。锂金属电池包括正极极片、负极极片和电解质。在电池充放电过程中，锂离子在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出。电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。

[负极极片]

负极极片包括高分子材料基层以及直接结合于高分子材料基层的至少一个表面的锂基金属层。其中，锂基金属层既为能脱/嵌锂离子的负极活性物质层，又起到导电和集流的作用。

上述“直接结合”指的是锂基金属层与高分子材料基层实体地接触式结合。高分子材料基层与锂基金属层之间通过层间相互作用形成牢固地结合。层间相互作用可包括高分子材料与金属之间的物理相互作用(如静电力、范德华力)和化学相互作用(如配位键)中的一种或几种。

本申请的负极极片中，高分子材料基层能起到支撑和保护锂基金属层的作用。并且由于高分子材料基层比例如铜箔等金属集流体的密度明显减小，由此能显著减轻负极极片的重量，从而有利于提高锂金属电池的重量能量密度。

令人惊奇地发现，通过将锂基金属层直接结合于高分子材料基层，还使电池的安全性能得到提高。这是因为，一方面，相较于金属锂与金属集流体的复合结构来说，锂基金属层直接结合于高分子材料基层避免了金属集流体中的金属元素(如al等)与锂形成致使锂不均匀沉积的锂合金(锂铝合金)，或在由于锂对于金属不同晶面的沉积取向导致的沉积不均(如锂金属对cu(100)和(010)面的选择性)，由此能缓解锂枝晶生长或锂金属粉化的问题，从而能降低电池发生内短路的风险，提高电池的安全性能。另一方面，锂基金属层直接结合于高分子材料基层，当电池发生内短路时，高分子材料基层能够在内短路产生的高温环境下熔融，熔融的高分子材料包覆锂基金属层，能够增大短路电阻，减小短路电流及减少短路产热，甚至切断内短路的导电通路，由此能提高电池的安全性能。或者，当电池发生穿钉等异常情况时，由于高分子材料基层的延展率、电阻率较锂基金属层的延展率、电阻率大，且锂基金属层与高分子材料基层直接结合，由此高分子材料基层产生的毛刺可以很好地包裹锂基金属层的毛刺，同样能够增大短路电阻，甚至切断穿钉局部的导电通路。这样，穿钉造成的损坏局限于刺穿位点，形成点断路，从而使得电池能够在一定时间内正常工作。

在一些实施例中，高分子材料基层的厚度优选为3μm～20μm。高分子材料基层的厚度在适当范围内，其能具有足够的机械强度，在极片加工及电池循环过程中不易发生断裂，对锂基金属层起到良好的支撑和保护作用，从而能提高电池的循环性能。具有适当厚度的高分子材料基层能够更好地发挥改善电池安全性能的作用。并且，采用该负极极片能使电池具有较低的体积和重量，从而有利于提高电池的体积能量密度和重量能量密度。更优选地，高分子材料基层的厚度为4μm～15μm。尤其优选为5μm～10μm。例如，高分子材料基层的厚度为6μm、7μm、8μm、9μm、10μm或12μm。

在一些实施例中，高分子材料基层的拉伸强度可以为2mpa～500mpa，优选为50mpa～500mpa，更优选为200mpa～500mpa。高分子材料基层具有较高的力学性能，对锂基金属层起到良好的支撑作用的同时，不易发生断裂，并且能够防止其发生过大的延展或变形，从而有效地防止锂基金属层发生断带，同时使得高分子材料基层和锂基金属层之间具有较高的结合强度，使锂基金属层不易发生剥离。因此，电池能具有较高的循环性能。例如，高分子材料基层的拉伸强度为30mpa、100mpa、150mpa、200mpa、250mpa、300mpa、350mpa或400mpa。

在一些实施例中，高分子材料基层的耐穿刺强度≥0.1kn/mm，优选≥1kn/mm。更优选地，高分子材料基层的耐穿刺强度为2kn/mm～50kn/mm，更优选为20kn/mm～40kn/mm。高分子材料基层的耐穿刺强度较高，能提高电池的穿钉安全性能。高分子材料基层的耐穿刺强度在上述范围内，还能在有效地支撑和保护锂基金属层的同时，具有适当的柔韧性，能够防止其在极片卷绕或受到压力(如辊压力、电池循环膨胀力、外界撞击力等)发生断裂，从而更好地保护锂基金属层。例如，高分子材料基层的耐穿刺强度可以为2.5kn/mm、5kn/mm、10kn/mm、15kn/mm、25kn/mm、30kn/mm或35kn/mm。

在一些实施例中，高分子材料基层的断裂延伸率≥0.5％，优选为≥1％，更优选为≥1.6％。高分子材料基层具有适当的断裂延伸率，其在极片生产和电池循环过程中不易断裂，能提高电池的循环性能。高分子材料基层的断裂延伸率较大，在电池发生穿钉等异常情况时，高分子材料基层的毛刺能更好地包覆住锂基金属层的毛刺，从而提高电池的穿钉安全性能。特别地，锂基金属层的毛刺被迫延展而与锂基金属层主体分离，由此能切断局部导电通路，从而将电池的损坏局限于刺穿位点，形成点断路，使电池能在一定时间内正常工作。进一步地，高分子材料基层的断裂延伸率≥2％，≥3％，≥5％，≥8％，或≥10％。

在一些实施例中，高分子材料基层所含高分子材料的熔点为100℃～300℃，优选为150℃～250℃，更优选为180℃～220℃。高分子材料基层所含高分子材料的熔点在适当范围内，既能保证其具有耐热性，保证其在电池正常工作时发挥对锂基金属层的支撑和保护作用，又使其在电池发生内短路等意外情况导致的热失控时能够快速熔融，发挥熔融保护作用，提高电池的安全性能。

在一些实施例中，高分子材料基层所含高分子材料的热分解温度为250℃～550℃，优选为300℃～400℃，更优选为330℃～370℃。高分子材料基层所含高分子材料的热分解温度在适当范围内，既能保证其具有耐热性，保证其在电池正常工作时发挥对锂基金属层的支撑和保护作用，又使其在电池发生热失控或着火等异常情况时能够产生co2、h2o等气体，来起到阻燃的作用，进一步提高安全性能。

在一些实施例中，高分子材料基层所含高分子材料的重均分子量可以为1万～200万，进一步地为5万～200万，更进一步地为10万～100万。

在一些实施例中，高分子材料基层可包含聚烯烃、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、其共聚物中的一种或几种。优选地，高分子材料基层包含聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚氯乙烯(pvc)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚酰胺(pa)、聚酰亚胺(pi)、聚碳酸酯(pc)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚萘二甲酸丁二醇酯(pbn)、以上物质的共聚物中的一种或几种。更优选地，高分子材料基层包含聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯乙烯与聚乙烯的共聚物、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、以上物质的共聚物中的一种或几种。尤其优选地，高分子材料基层包含聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯与聚乙烯的共聚物(ps-pe)、以上物质的共聚物中的一种或几种。高分子材料基层选择适当的高分子材料，有利于进一步改善电池的安全性能和循环性能。

在一些实施例中，锂基金属层的厚度为3μm～60μm，优选为3μm～40μm，更优选为3μm～20μm。锂基金属层的厚度在适当范围内，使负极极片包含充足的有效锂含量，且具有较高的导电性能，并且在极片加工和电池循环过程中，锂基金属层不易发生断带或破损，从而使电池具有较高的循环性能。尤其是，当锂基金属层直接结合于高分子材料基层，且锂基金属层具有适当的厚度时，还能更加有效地发挥高分子材料基层的上述保护作用，使电池具有较高的安全性能。例如，锂基金属层的厚度为5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、25μm或30μm。

在一些优选的实施例中，高分子材料基层的厚度为3μm～20μm，优选为4μm～15μm，更优选为5μm～10μm；且锂基金属层的厚度为3μm～60μm，优选为3μm～40μm，更优选为3μm～20μm。这样能使锂金属电池具有较高的能量密度、安全性能和循环性能。

在一些实施例中，锂基金属层包括金属锂和锂合金中的一种或几种。锂合金中锂元素的含量优选为90wt％以上，优选为95wt％以上，更优选为99wt％以上。例如，锂合金中锂元素的含量可以为97wt％、97.5wt％、98wt％、98.5wt％、99.1wt％、99.3wt％、99.5wt％、99.7wt％或99.9wt％等。锂合金优选包括锂铟合金、锂锌合金、锂镁合金、锂锡合金和锂银合金中的一种或几种，例如包括锂银合金。优选地，锂银合金中锂元素和银元素的质量比为90～99.9:0.1～10，更优选为98～99:1～2。当负极极片中锂基金属层直接结合于高分子材料基层，且锂基金属层采用适当的材质时，能促进锂离子的均匀沉积，提高电池的安全性能，并且还有利于提高电池的循环性能。

在一些实施例中，锂基金属层包括相互层合的锂层和异种金属层，异种金属层与高分子材料基层接触连接，异种金属层包括铟、锌、镁、锡和银中的一种或几种。该锂基金属层经过活化(如电池进行充放电循环)之后，锂基金属层内形成锂和异种金属的合金(如锂铟合金、锂锌合金、锂镁合金、锂锡合金、锂银合金)，促进锂离子的均匀沉积。优选地，锂层和异种金属层的重量比为90～99.9:0.1～10，更优选为98～99:1～2。

在一些实施例中，负极极片的方块电阻≤100mω/□，优选为≤50mω/□，更优选为≤30mω/□。负极极片的方块电阻较低，能提高其过电流能力，使电池具有较高的循环性能。

在一些实施例中，负极极片的耐穿刺强度≥0.3kn/mm，优选≥0.6kn/mm。更优选地，高分子材料基层的耐穿刺强度为1kn/mm～10kn/mm。负极极片的耐穿刺强度能提高电池的穿钉安全性能。同时，负极极片还可具有适当的柔韧性，能够防止其在极片卷绕或受到压力(如辊压力、电池循环膨胀力、外界撞击力等)发生断裂，从而使电池具有较高的循环性能。例如，负极极片的耐穿刺强度为2kn/mm、3kn/mm、4kn/mm、5kn/mm、6kn/mm、7kn/mm、8kn/mm或9kn/mm。

在一些实施例中，负极极片的拉伸强度可以为20mpa～500mpa，优选为70mpa～500mpa，更优选为220mpa～500mpa。负极极片具有较高的力学强度，同时能够防止其发生过大的延展或变形，从而有效地防止锂基金属层发生断带，从而使电池具有较高的循环性能。

在一些实施例中，负极极片的断裂延伸率≥0.5％，优选为≥1％，更优选为≥1.6％。负极极片具有适当的断裂延伸率，其在生产和电池循环过程中不易断裂，能提高电池的循环性能。

在一些实施例中，高分子材料基层和锂基金属层之间的剥离强度≥10n/m，优选为≥20n/m，更优选为≥30n/m。高分子材料基层和锂基金属层之间的剥离强度较高，在电池循环过程中，锂基金属层不易剥离，有利于使电池具有较高的循环性能。

图1是作为一个示例的负极极片的结构示意图。参照图1，高分子材料基层10具有在其自身厚度方向相对的两个表面，锂基金属层20直接层合设置于高分子材料基层10相对的两个表面中的任意一者或两者上。

在本申请中，各锂基金属层的参数均是高分子材料基层单面的锂基金属层的参数范围。当锂基金属层设置在高分子材料基层的两个表面上时，其中任意一个表面上的锂基金属层参数满足本申请，即认为落入本申请的保护范围内。

在本申请中，高分子材料基层、锂基金属层的厚度测试可采用万分尺。

负极极片、高分子材料基层的拉伸强度为本领域公知的含义，可采用本领域已知的仪器和方法测试，如拉力试验机。示例性测试方法如下：取负极极片或高分子材料基层裁剪成15mm×200mm的样品，用万分尺量取样品的厚度h(μm)；在常温常压(25℃、0.1mpa)下使用拉力试验机(如instron3365型)进行拉伸测试，设置初始位置使夹具之间样品为50mm长，拉伸速度为50mm/min，记录拉伸至断裂的载荷l(n)；根据l/(15×h×10^-3)计算得到拉伸强度。测试可参考gb/t1040.1-2018。

负极极片、高分子材料基层的耐穿刺强度为本领域公知的含义，可采用本领域已知的仪器和方法测试，如拉力试验机。示例性测试方法如下：取负极极片或高分子材料基层裁剪成直径为100mm的圆片样品；测量样品的厚度d(μm)；在常温常压(25℃、0.1mpa)下使用装备穿刺夹具(穿刺钢针直径1mm，尖端半径0.5mm)的拉力试验机(如instron3365型)进行穿刺测试，穿刺速度为50mm/min，记录穿刺至断裂的载荷t(n)；计算耐穿刺强度(kn/mm)＝t/d。测试可参考gbt37841-2019。

负极极片、高分子材料基层的断裂延伸率为本领域公知的含义，可采用本领域已知的仪器和方法测试，如拉力试验机。示例性测试方法如下：取负极极片或高分子材料基层裁剪成15mm×200mm的样品，在常温常压(25℃、0.1mpa)下使用拉力试验机(如instron3365型)进行拉伸测试，设置初始位置使夹具之间样品长度为50mm，拉伸速度为50mm/min，记录拉伸断裂时的设备位移y(mm)，最后计算断裂延伸率为(y/50)×100％。测试可参考gb/t1040.1-2018。

高分子材料的熔点为本领域公知的含义，可采用本领域已知的仪器和方法测试，如差示扫描量热法(dsc)。示例性测试方法如下：称取干燥的1mg～20mg高分子材料样品放入铝或氧化铝坩埚中，封口后置于dsc(如梅特勒-托利多(mettler-toledo)的dsc-3)样品台上，设置测试温度区间为20℃～300℃，升温速率为10℃/min，计熔融峰峰顶数值tm为高分子材料的熔点。

高分子材料的热分解温度为本领域公知的含义，可采用本领域已知的仪器和方法测试，如热失重法(tga)。示例性测试方法如下：称取干燥的5mg～20mg高分子材料样品放入氧化铝坩埚中，置于tg(如梅特勒-托利多(mettler-toledo)的tga-2)样品台上，设置测试温度区间为20℃～550℃，升温速度为10℃/min，计热失重5％时的温度tn为高分子材料的热分解温度。

高分子材料的分子量为本领域公知的含义，可采用本领域已知的仪器和方法测试，如凝胶渗透色谱法(gpc)。示例性测试方法如下：选用四氢呋喃(thf)或二甲基甲酰胺(dmf)作为流动相，配制0.1mg/ml～5.0mg/ml的高分子材料/流动相待测溶液，以及对应高分子材料的标样的标准溶液，绘制高分子材料分子量标准曲线；随后进行注入20μl待测溶液，根据保留时间计算高分子材料的分子量。测试可采用安捷伦(agilent)1290infinityiigpc系统。

负极极片的方块电阻为本领域公知的含义，可采用本领域已知的仪器和方法测试，例如四探针法，可采用rts-9型双电测四探针测试仪进行。示例性测试方法如下：取负极极片裁剪成20mm×200mm的样品，采用四探针法测试样品的中心区域的方块电阻，包括：使用rts-9型双电测四探针测试仪，测试环境为常温23±2℃，0.1mpa，相对湿度≤65％。测试时，将样品进行表面清洁，然后水平置于测试台上，将四探针放下，使探针与锂基金属层表面良好接触；然后调节自动测试模式标定样品的电流量程，在合适的电流量程下进行方块电阻的测量，并采集相同样品的8至10个数据点作为数据测量准确性和误差分析。最后取平均值记录为负极极片的方块电阻值。

高分子材料基层与锂基金属层的剥离强度为本领域公知的含义，可采用本领域已知的仪器和方法测试。示例性测试方法如下：选用锂基金属层设置于高分子材料基层一面上的负极极片为待测样品，宽度d为0.02m；将3m双面胶均匀贴于不锈钢板上，再将待测样品均匀贴于双面胶上，其中使高分子材料基层与双面胶粘接；在常温常压(25℃、0.1mpa)下，使用拉力试验机(如instron3365型)将待测样品的锂基金属层与高分子材料基层以50mm/min进行180°连续剥离；根据拉力和位移的数据图，读取最大拉力x(n)，根据f＝x/d计算得到锂基金属层与高分子材料基层之间的剥离强度f(n/m)。

[正极极片]

正极极片包括正极集流体以及设置于正极集流体上的正极膜片。例如，正极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，正极膜片层合设置于正极集流体相对的两个表面中的任意一者或两者上。

正极膜片包括正极活性材料。所述正极活性材料的具体种类不受到具体的限制，可根据需求进行选择。优选地，所述正极活性材料选自钴酸锂(licoo2)、镍酸锂(linio2)、磷酸铁锂(lifepo4)、磷酸钴锂(licopo4)、磷酸锰锂(limnpo4)、磷酸镍锂(linipo4)、锰酸锂(limno2)、二元材料linixa(1-x)o2(a选自co、mn中的一种，0<x<1)、三元材料linimbnc(1-m-n)o2(b、c各自独立地选自co、al、mn中的至少一种，且b和c不相同，0<m<1，0<n<1)、其掺杂和/或包覆改性材料中的一种或几种。

正极膜片可选地包括粘结剂。所述粘结剂的具体种类不受到具体的限制，可根据需求进行选择。作为示例，粘结剂可包括聚偏氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚丙烯酸(paa)、聚乙烯醇(pva)、海藻酸钠(sa)、聚甲基丙烯酸(pmaa)及羧甲基壳聚糖(cmcs)中的一种或几种。

正极膜片可选地包括导电剂。所述导电剂的具体种类不受到具体的限制，可根据需求进行选择。作为示例，导电剂可包括石墨、超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的一种或几种。

在一些实施例中，正极膜片还可选地包括离子导体聚合物、锂盐、增塑剂。所述离子导体聚合物可选自聚环氧乙烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚碳酸亚丙酯、聚氯乙烯、偏氟乙烯、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、超支化聚丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯共聚物中的一种或几种。所述锂盐可选自六氟磷酸锂(lipf6)、四氟硼酸锂(libf4)、高氯酸锂(liclo4)、六氟砷酸锂(liasf6)、双氟磺酰亚胺锂(lifsi)、双三氟甲磺酰亚胺锂(litfsi)、三氟甲磺酸锂(licf3so3)中的一种或几种。所述增塑剂可选自聚乙二醇二缩水甘油醚(pegde)、聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda)、聚乙二醇胺(pegnh2)、丁二腈(sn)、磷酸三乙酯(tep)、氟代碳酸亚乙酯(tep)、二甲醚(dme)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸亚乙酯(ec)、邻苯二甲酸酯类中的一种或几种。

进一步地，正极膜片中离子导体聚合物的重量占比可以为1wt％～10wt％，如3wt％～8wt％。正极膜片中锂盐的重量占比可以为1wt％～5wt％，如1.5wt％～3wt％。正极膜片中增塑剂的重量占比可以为1wt％～5wt％，如1.5wt％～3wt％。

[电解质]

电解质可采用液态电解质(即电解液)及固态电解质中的至少一种。

在一些可选的实施例中，电解质采用电解液。电解液包括电解质盐和溶剂。

在一些实施例中，电解质盐可选自六氟磷酸锂(lipf6)、四氟硼酸锂(libf4)、高氯酸锂(liclo4)、六氟砷酸锂(liasf6)、双氟磺酰亚胺锂(lifsi)、双三氟甲磺酰亚胺锂(litfsi)、三氟甲磺酸锂(licf3so3)、二氟草酸硼酸锂(lidfob)、二草酸硼酸锂(libob)、二氟磷酸锂(lipo2f2)、二氟二草酸磷酸锂(lidfop)及四氟草酸磷酸锂(litfop)中的一种或几种。

在一些实施例中，溶剂可选自碳酸亚乙酯(ec)、碳酸亚丙酯(pc)、碳酸甲乙酯(emc)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二丙酯(dpc)、碳酸甲丙酯(mpc)、碳酸乙丙酯(epc)及碳酸亚丁酯(bc)中的一种或几种。

在一些实施例中，电解液中还可选地包括添加剂。例如添加剂可包括改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温性能的添加剂、改善电池低温性能的添加剂等。

在一些优选的实施例中，电解质包括固态电解质。固态电解质通常是以固态电解质膜的形式设置于正极极片和负极极片之间，进行传导离子。固态电解质膜可选自无机固态电解质膜、固态聚合物电解质膜及无机-有机复合固态电解质膜中的一种或几种。采用固态电解质膜有利于降低电池的厚度，同时相较于电解液来说，没有泄露的风险。在这些实施例中，锂金属电池为全固态电池或半固态电池。

优选地，固态电解质膜与负极极片的锂基金属层接触设置。固态电解质膜与锂基金属层接触设置，能够促使来自正极的锂离子更加均匀地沉积于锂基金属层，进一步抑制锂枝晶的产生，从而能进一步提高电池的安全性能。作为具体的示例，正极极片、固态电解质膜、负极极片可经叠片工艺或卷绕工艺制成电极组件，其中，固态电解膜介于正极极片和负极极片之间起到离子传导和电子绝缘的作用。

本申请的锂金属电池可采用本领域已知的固态电解质膜。在一些实施例中，固态电解质膜以重量份计，至少包括以下组分：聚合物基体100份；锂盐5～40份。所述聚合物基体可选自聚环氧乙烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚碳酸亚丙酯、聚氯乙烯、偏氟乙烯、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、超支化聚丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯共聚物中的一种或几种。所述锂盐可选自lipf6、libf4、liclo4、liasf6、licf3so3、lifsi、litfsi中的一种或几种。

进一步地，固态电解质膜还可选地包括无机填料。例如以重量份计，固态电解质膜包括10～60份的无机填料。所述无机填料可选自锂镧锆氧化物(llzo)、锂镧钛氧化物(llto)、钽掺杂的锂镧锆氧化物(llzto)、磷酸钛铝锂(latp)、磷酸锗铝锂(lagp)、硫代磷酸锂(li3ps4)、氯化硫代磷酸锂(li6ps5cl)、锗掺杂硫代磷酸锂(li10gep2s12)、氧化铝(al2o3)、氧化钛(tio2)中的一种或几种。

进一步地，固态电解质膜还可选地包括增塑剂。例如以重量份计，固态电解质膜包括1～20份的增塑剂。所述增塑剂可选自聚乙二醇二缩水甘油醚(pegde)、聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda)、聚乙二醇胺(pegnh2)、丁二腈(sn)、磷酸三乙酯(tep)、氟代碳酸亚乙酯(tep)、二甲醚(dme)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸亚乙酯(ec)、邻苯二甲酸酯类中的一种或几种。

可采用本领域已知的方法制备固态电解质膜。例如将聚合物基体、锂盐以及可选的无机填料和增塑剂分散于溶剂中，经流延成膜，之后经真空干燥后，制得固态电解质膜。

[隔离膜]

采用电解液的锂金属电池中，还可以包括隔离膜。隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，起到隔离的作用。当采用隔离膜时，正极极片、负极极片和隔离膜可经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件。本申请对隔离膜的种类没有特别的限制，可以选用任意公知的具有良好的化学稳定性和机械稳定性的多孔结构隔离膜。在一些实施例中，隔离膜可选自玻璃纤维膜、无纺布膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚偏二氟乙烯膜及它们的复合薄膜中的一种或几种。

本申请的锂金属电池中还包括外包装。外包装用于封装电极组件。当锂金属电池采用电解液时，电解液浸润于电极组件中。对外包装的类型没有特别的限制，可根据实际需求进行选择。在一些实施例中，锂金属电池的外包装可以是硬壳，例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。锂金属电池的外包装也可以是软包，例如袋式软包装。软包的材质可以是塑料，如可包括聚丙烯(pp)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚丁二酸丁二醇酯(pbs)等中的一种或几种。

本申请对锂金属电池的形状没有特别的限制，其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。如图2是作为一个示例的方形结构的锂金属电池5。

参照图2和图3，外包装可包括壳体51和盖板53。其中，壳体51可包括底板和连接于底板上的侧板，底板和侧板围合形成容纳腔。壳体51具有与容纳腔连通的开口，盖板53能够盖设于所述开口，以封闭所述容纳腔。电极组件52封装于所述容纳腔。锂金属电池5所含电极组件52的数量可以为一个或几个，可根据需求来调节。

在一些实施例中，锂金属电池可以组装成电池模块，电池模块所含锂金属电池的数量可以为多个，具体数量可根据电池模块的应用和容量来调节。

图4是作为一个示例的电池模块4。参照图4，在电池模块4中，多个锂金属电池5可以是沿电池模块4的长度方向依次排列设置。当然，也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件将该多个锂金属电池5进行固定。

可选地，电池模块4还可以包括具有容纳空间的外壳，多个锂金属电池5容纳于该容纳空间。

在一些实施例中，上述电池模块还可以组装成电池包，电池包所含电池模块的数量可以根据电池包的应用和容量进行调节。

图5和图6是作为一个示例的电池包1。参照图5和图6，在电池包1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模块4。电池箱包括上箱体2和下箱体3，上箱体2能够盖设于下箱体3，并形成用于容纳电池模块4的封闭空间。多个电池模块4可以按照任意的方式排布于电池箱中。

[制备方法]

在一些实施例中，锂金属电池的制备方法可包括将负极极片、正极极片和固态电解质膜组装形成锂金属电池的步骤。在一些实施例中，可将正极极片、固态电解质膜、负极极片经卷绕工艺或叠片工艺，制得电极组件；将电极组件置于外包装中，并封口，得到锂金属电池。

在一些实施例中，锂金属电池的制备还可包括制备正极极片的步骤。作为示例，将正极活性材料以及可选的导电剂、粘结剂、离子导体聚合物、锂盐和增塑剂分散于溶剂(例如n-甲基吡咯烷酮，简称nmp)中，形成均匀的正极浆料；将正极浆料涂覆在正极集流体上，经烘干、冷压等工序后，得到正极极片。

在一些实施例中，锂金属电池的制备还可包括制备负极极片的步骤。作为示例，将高分子材料基材和锂基金属片经层压复合制备负极极片的步骤。

负极极片可采用压延法制备。将锂金属片与高分子材料基材叠片后，经辊压制得负极极片。在一些实施例中，对于高分子材料基层的两面均结合有锂基金属层的负极极片，可将锂基金属片附于高分子材料基材的一面，经辊压，在高分子材料基层的一面结合锂基金属层；之后将另一锂基金属片附于高分子材料层的另一面，经辊压，得到双面负极极片。

层压复合工艺优选在湿度≤0.2％，温度10℃～28℃的环境下进行。这样能够减少锂金属在环境中的反应。

层压复合步骤中，压辊的温度优选为25℃～45℃，更优选为27℃～35℃。这样能使高分子材料层与锂基金属层之间具有较高的结合强度，同时确保锂基金属层的稳定性。

高分子材料基材可以是高分子材料的薄膜。其中可采用前文所述的高分子材料。高分子材料基材的厚度可以为3μm～20μm，优选为4μm～15μm，更优选为5μm～10μm。

锂金属片可以是锂带。锂带的厚度可以为60μm～100μm，优选为60μm～80μm。

作为一个具体的示例，在湿度≤0.2％，温度10℃～28℃的环境下，选用60μm～100μm的锂带附于3μm～20μm厚的高分子材料基材的一面，调整对辊机辊缝宽度为20μm～40μm，压辊温度为25℃～45℃，连续辊压完成单面负极极片的制备；收卷后，待卷温降至20℃，用相同方法完成双面负极极片的制备。

在一些实施例中，锂金属电池的制备方法可包括将负极极片、正极极片、固态电解质膜和电解液组装形成锂金属电池的步骤。

作为一个示例，可将正极极片、固态电解质膜、负极极片经卷绕工艺或叠片工艺，制得电极组件；将电极组件置于外包装中，注入电解液并封口，得到锂金属电池。

作为另一个示例，将难挥发电解液加入制备固态电解质膜的浆料和正极活性材料浆料中，制备出包含电解液的固态电解质膜和正极极片；将正极极片、固态电解质膜、负极极片经卷绕工艺或叠片工艺，制得电极组件；将电极组件置于外包装中，并封口，得到锂金属电池。难挥发电解液在固态电解质膜和正极极片的制备过程中几乎或完全不挥发。例如，难挥发电解液可包括离子液体类电解液。离子液体类电解液可包括1-甲基-1-丙基吡咯烷鎓双(氟磺酰)亚胺(py13fsi)、1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓双(氟磺酰)亚胺(py14fsi)、1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺(emimtfsi)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(emimbf4)等中的一种或几种。

在一些实施例中，锂金属电池的制备方法可包括将负极极片、正极极片、隔离膜和电解液组装形成锂金属电池的步骤。作为示例，可将正极极片、隔离膜、负极极片经卷绕工艺或叠片工艺，制得电极组件；将电极组件置于外包装中，注入电解液并封口，得到锂金属电池。

在这些实施例中，正极极片和负极极片可采用本领域公知的方法制备，例如前文所述的制备方法。

装置

本申请还提供一种装置，所述装置包括本申请任意一种或几种锂金属电池。所述锂金属电池可以用作所述装置的电源，也可以作为所述装置的能量存储单元。所述装置可以但不限于是移动设备(例如手机、笔记本电脑等)、电动车辆(例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等)、电气列车、船舶及卫星、储能系统等。

所述装置可以根据其使用需求来选择锂金属电池、电池模块或电池包。

图7是作为一个示例的装置。该装置为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该装置对电池的高功率和高能量密度的需求，可以采用电池包或电池模块。电池包或电池模块中包括本申请任意一种或几种锂金属电池。优选地，锂金属电池与动力型二次电池搭配使用。

作为另一个示例的装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该装置可以采用锂金属电池作为电源。

实施例

下述实施例更具体地描述了本申请公开的内容，这些实施例仅仅用于阐述性说明，因为在本申请公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明，以下实施例中所报道的所有份、百分比、和比值都是基于重量计，而且实施例中使用的所有试剂都可商购获得或是按照常规方法进行合成获得，并且可直接使用而无需进一步处理，以及实施例中使用的仪器均可商购获得。

实施例1

负极极片的制备

负极极片采用压延法制备。在湿度≤0.2％，温度18±3℃的干燥房内，选用50μm的锂带附于10μm厚的聚丙烯(pp)基材的一面，调整对辊机辊缝宽度28μm，压辊温度25℃，连续辊压完成单面负极极片的制备；收卷后，待卷温降至20℃，用相同方法完成双面负极极片的制备，双侧锂层厚度各20μm，pp基层厚度10μm。

正极极片的制备

将正极活性材料lifepo4、导电剂superp、导电剂vgcf(气相生长的碳纤维)、离子导体聚合物聚环氧乙烷peo、锂盐litfsi、增塑剂sn按88:1:1:6:2:2的质量比在适量的nmp中充分搅拌混合，使其形成均匀的正极浆料；将正极浆料涂覆于正极集流体铝箔(厚度为13μm)的表面上，经干燥、冷压后，得到正极极片。正极极片的压实密度为2.5g/cm³，面密度为18.1mg/cm²。

固态电解质膜

将100份聚环氧乙烷(peo)和35份litfsi溶解在乙腈中，搅拌溶解后，再加入12份latp和6份sn，搅拌均匀后，得到半透明粘稠液；将粘稠液浇筑于离型膜上流延成膜，经真空干燥后，得到固态电解质膜。所述份均为重量份。

锂金属电池的制备

将正极极片、固态电解质膜、负极极片按顺序堆叠并卷绕，得到电极组件；将电极组件加入外包装中，经真空封装、高温老化、小电流活化等工序后，得到锂金属电池。电池规格为900mm×700mm×50mm。

实施例2～16及对比例1～2

制备方法与实施例1类似，不同的是：调控负极极片的相关参数，得到相应的锂金属电池，详见表1至表3。

测试部分

1)电池的能量密度测试

在25℃，将实施例和对比例的电池以0.2c恒流充电至3.65v，然后恒压充电至电流为0.05c；将电池静置5min后，以0.2c恒流放电至2.5v，此为一个充放电循环。将电池按此方法进行30次充放电循环，以第30次循环的放电能量除以电池的总重量，即为电池的重量能量密度。

2)电池的循环性能测试

在25℃，将实施例和对比例的电池以0.2c恒流充电至3.65v，然后恒压充电至电流为0.05c；将电池静置5min后，以0.2c恒流放电至2.5v，此为一个充放电循环。将电池按此方法进行500次充放电循环。以第500次循环的放电容量/第2次循环的放电容量的容量保持率×100％，评价电池的循环性能。

3)电池的安全性能测试

(31)过充测试

在25℃，将实施例和对比例的电池以0.2c恒流充电至3.65v，然后恒压充电至电流为0.05c，此时电池的满充状态。将满充状态的电池按照3c过充进行过充试验，当电池过充时电压上升到5v时稳定7h，接近7h电池电压快速上升，随后电池盖帽拉断，电压跌至0v，电池没有起火、爆炸；即符合安全标准。

(32)短路测试

按照(31)中的方法将实施例以及对比例的电池满充后，用电阻为50mω的导线将电池正、负极短路，测试电池的表面温度变化，电池表面最高温度为140℃时，电池盖帽拉开，电池不起火、不爆炸；即符合安全标准。

(33)针刺测试

按照(31)中的方法将实施例以及对比例的电池满充后，将电池放在测试平台上，用直径3mm的钢针以100mm/min的速度垂直于电池的大面将电池刺穿，并在电池中保留2h，之后以同样的速度穿出。测试电池不起火、不爆炸即可；即符合安全标准。

表1：负极极片相关参数

表1中，mw表示高分子材料的重均分子量；pa66为聚己二酰己二胺，俗称尼龙-66；ps-pe为聚苯乙烯与聚乙烯的嵌段共聚物；锂铟合金(极片15和18)为含99重量％的锂和1重量％的铟；锂银合金(极片16)为含99重量％的锂和1重量％的银。

表2：负极极片相关参数

表3：电池的性能测试结果

从表3的测试结果可以看出：本申请通过将锂基金属层直接结合于高分子材料基层，不仅能通过高分子材料基层对锂基金属层起到良好的支撑和保护作用，而且能减轻负极极片的重量，并且还能降低电池发生内短路的风险、或者在电池内短路时增大短路电阻或切断导电通路，从而能提高锂金属电池的重量能量密度和安全性能。进一步地，电池还能具有较高的循环性能。

通过实施例16和实施例1-15的比较可知，高分子材料基层和负极极片拉伸强度在适当范围内，能提高锂金属电池的重量能量密度和安全性能的同时，使电池具有较高的循环性能。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。