一种锂碳复合材料及其制备方法、电极片和锂金属电池技术

本发明专利技术提供了一种锂碳复合材料，包括：交替叠加的锂层和碳层，所述锂碳复合材料的底层和表层均为碳层。本发明专利技术还提供了一种锂碳复合材料的制备方法，包括：将锂片和碳材料通过施压的方式复合在一起，得到锂碳复合材料。本发明专利技术还提供了一种电极片和锂金属电池。本发明专利技术提供的锂碳复合材料作为电极片进而制备得到锂金属电池，这种锂金属电池具有良好的循环稳定性。而且，本发明专利技术提供的锂碳复合材料的制备工艺简单，适合大规模工业化生产。

Lithium carbon composite material and its preparation method, electrode sheet and lithium metal battery

The invention provides a lithium-carbon composite material, which comprises an alternately superimposed lithium layer and a carbon layer. The bottom layer and the surface layer of the lithium-carbon composite material are carbon layers. The invention also provides a preparation method of lithium carbon composite material, including the lithium carbon composite material by compounding the lithium and carbon materials by pressing the material. The invention also provides an electrode plate and a lithium metal battery. The lithium-carbon composite material provided by the invention is used as an electrode sheet and then a lithium-metal battery is prepared. The lithium-metal battery has good cyclic stability. Moreover, the lithium carbon composite material provided by the invention has simple preparation process and is suitable for large-scale industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种锂碳复合材料及其制备方法、电极片和锂金属电池
本专利技术涉及复合材料
，尤其涉及一种锂碳复合材料及其制备方法、电极片和锂金属电池。
技术介绍
锂金属由于其高理论容量(3860mAhg-1)，低电化学电势(-3.04V)，低密度(0.534gcm-3)等特点而愈发在锂二次电池领域受到人们的关注。而且随着锂硫和锂空气电池的发展，锂金属负极的应用前景也愈发光明。但是，作为锂电池的负极材料，锂金属一直存在着锂枝晶问题：(1)锂枝晶在生长过程中，容易刺穿隔膜，导致电池短路，产生安全隐患。(2)锂枝晶在析出和沉积锂的过程中不断产生和破碎，产生一些游离于锂金属表面的锂，消耗所需的锂金属。(3)由于锂枝晶的存在，锂金属表面需要不断重新生成固体电解质界面膜(SolidElectrolyteInterface,SEI)，从而使得锂金属电池的循环稳定性和库伦效率受到很大的影响。(4)在大电流密度下，锂金属表面局部电流密度增大，更容易生长锂枝晶而导致恶性循环。针对以上问题，人们提供了很多的解决方案，包括：加入电解液添加剂(形成稳定的SEI膜)；在锂金属表面构筑保护层或使用固态电解质(高机械强度保护层阻碍锂枝晶的生长)；在锂金属表面构筑三维结构(增大比表面积，降低局部电流)以及形成三维锂复合结构等方法。其中，形成三维锂复合结构的改良作用相较于其它更为明显。三维锂复合骨架结构有以下优点：三维骨架结构可以容纳更多的锂，提高电池的性能；骨架本身机械强度高，可阻碍锂枝晶的长出；表面积大，降低了局部电流密度；导电性较好的骨架材料更有利于增加电极材料的导电性等。常用的三维骨架材料有金属和碳材料，金属骨架如铜导电性好，但是密度大，增加电了极片质量，降低总体的质量比容量。碳材料具备优良的导电性，密度低，物美价廉，以及比表面积较大、种类多等优点，是理想的构筑锂复合电极的三维骨架材料。目前锂碳复合材料的制备方法多采用熔融法或电沉积法。如：CuiY.等人将锂加热到熔点(180.54℃)以上，使其融化，然后将氧化石墨(GraphiteOxide，GO)膜与液态锂接触，发生“闪光”反应使GO迅速被部分还原，再通过毛细作用吸入锂，形成复合电极材料。但锂容易氧化，融熔锂对环境气氛要求严格，且操作步骤繁杂。而现有的电沉积法则无法直接得到锂碳复合电极片，需要组装半电池并将锂缓慢电沉积到碳中，制备时间较长。可以看出，现有技术制备锂碳复合材料的工艺方法繁杂，不利于大规模生产，因此，探寻一种操作简单，可工业化生产的方法来制备锂碳复合材料成分本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种锂碳复合材料及其制备方法、电极片和锂金属电池，本专利技术提供的锂碳复合材料的性能较好而且制备方法工艺简单。本专利技术提供了一种锂碳复合材料，包括：交替叠加的锂层和碳层；所述锂碳复合材料的底层和表层均为碳层。在本专利技术中，所述锂层的层数优选为1～20层，更优选为2～18层，更优选为5～15层，更优选为8～12层，最优选为10层。在本专利技术中，所述锂碳复合材料的厚度优选为50～1000微米，更优选为100～900微米，更优选为200～800微米，最优选为300～600微米。本专利技术提供了一种上述技术方案所述的锂碳复合材料的制备方法，包括：将锂片和碳材料通过施压的方式复合在一起，得到锂碳复合材料。本专利技术将锂片和碳材料采取层压的方式，得到锂和碳材料层层间隔堆叠结构的锂碳复合材料。本专利技术提供了一种制备锂金属和碳复合材料的冷轧加工方法，该方法操作简单，可大量生产。本专利技术提供了两种冷轧加工方法，分别是手压和机械辊压。本专利技术通过手压或机械辊压的方法实现锂金属和碳材料的复合，最终得到锂碳复合电极材料。由这种电极材料组装的锂金属半电池和对称电池在大电流密度下均展现出比锂金属更优异的循环性能。其中1mm厚的Li/aMEGO复合电极片中锂含量可达72.5％，组装的半电池在10mAcm-2大电流密度和10mAhcm-2大容量下循环240圈依然保持稳定的过电势值175mV。在本专利技术中，所述锂碳复合材料的制备方法优选为：将锂片包覆在碳材料中对碳材料施压，形成上、下层为碳层，中间层为锂层的第一结构层；将锂片放置在第一结构层的碳层表面，在锂片的表面覆盖碳材料对碳材料施压，得到第二结构层；重复上述将锂片放置在第二结构层的碳层表面覆盖碳材料施压的操作，得到锂碳复合材料。本专利技术优选将单片锂金属片(锂片)放在碳材料粉末中，简单冲压后，锂片上下面均覆盖有一层碳材料直至看不出锂片的银白色表面，然后在其上施加压力至锂片表面无碳材料粉末掉落为止。在本专利技术中，所述单片锂金属片(锂片)的厚度优选为0.4～0.5mm，更优选为0.42～0.48mm，最优选为0.46mm；直径优选为12～16mm，更优选为14mm。在本专利技术中，所述锂片优选为圆片，即本领域制备锂离子电池半电池负极材料的常规锂片。在本专利技术中，所述锂片也可以为其他形状的锂金属片，其厚度优选为50～1000μm，更优选为100～900μm，更优选为200～800μm，最优选为300～600μm，直径也可以大于等于1mm。在本专利技术中，所述施压的方式优选为手动用冲头的不锈钢平面正压。得到第一结构层后，本专利技术优选在第一结构层的碳层表面放上一片锂片，再撒上碳粉末，压实，至上下两片锂片不再分离，且看不出锂片的银白色表面。本专利技术优选重复上述将锂片放置在第二结构层的碳层表面覆盖碳材料施压的操作，直至叠加1～20层的锂片，然后再次施压获得厚度为50～1000μm的锂碳复合材料。本专利技术优选最后用圆形不锈钢冲头冲上述50～1000μm锂碳复合材料，得到厚度确定的锂碳复合材料。在本专利技术中，所述锂碳复合材料的制备方法优选为：将锂片包覆在碳材料中对碳材料施压，得到单片复合材料；将多个上述单片复合材料叠成一摞进行辊压，得到锂碳复合材料。本专利技术优选将单片锂片放在碳材料粉末中，简单手动冲压后，锂片上下面均覆盖有一层碳材料粉末直至看不见锂片的银白色表面，得到单片复合材料。本专利技术优选将多个上述单片复合材料叠加在一起，用辊压机辊压。在本专利技术中，若多个单片复合材料小于等于5层可直接从2mm或其相应厚度开始辊压，逐渐降低厚度，至1mm厚；若多个单片复合材料的层数大于5层，将每个单片复合材料先进行辊压，至0.2mm厚，再将多个辊压后的单片复合材料进行叠加并辊压降厚；若多个单片复合材料层数大于10层，将5层单片复合材料叠加后辊压至0.5mm厚，再将多个辊压后的5层单片复合材料进行叠加并降厚。本专利技术优选将上述一层或多层单片复合材料用辊压机多次缓慢辊压至50～1000μm之间所需厚度的锂碳复合材料，最后用圆形不锈钢冲头冲压上述50～1000μm厚度的锂碳复合材料，得到厚度可控的锂碳复合材料。在本专利技术中，优选在氩气手套箱中制备所述锂碳复合材料，所述氩气手套箱中的水氧含量优选均小于0.5ppm。在本专利技术中，所述锂碳复合材料制备完成后优选将其在电解液中洗刷后干燥，以去除其表面易掉落的碳材料粉末。本专利技术对所述电解液的成分没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的锂硫电解液或锂离子电解液即可。在本专利技术中，所述锂硫电解液优选为1MLiTFSI(DOL:DME＝1:1vol％)+2vol％LiNO3；所述锂离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂碳复合材料，包括：交替叠加的锂层和碳层；所述锂碳复合材料的底层和表层均为碳层。

【技术特征摘要】
1.一种锂碳复合材料，包括：交替叠加的锂层和碳层；所述锂碳复合材料的底层和表层均为碳层。2.根据权利要求1所述的锂碳复合材料，其特征在于，所述锂层的层数为1～20层。3.根据权利要求1所述的锂碳复合材料，其特征在于，所述锂碳复合材料的厚度为50～1000微米。4.一种权利要求1所述的锂碳复合材料的制备方法，包括：将锂片和碳材料通过施压的方式复合在一起，得到锂碳复合材料。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述锂碳复合材料的制备方法为：将锂片包覆在碳材料中对碳材料施压，形成上、下层为碳层，中间层为锂层的第一结构层；将锂片放置在第一结构层的碳层表面，在锂片的表面覆盖碳材料对碳材料施压，得到第二结构层；重复上述将...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱彦武，王欣媛，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34