预嵌锂负极的制备方法及制备得到的预嵌锂负极、储能器件、储能系统及用电设备技术方案

本发明专利技术涉及新能源领域，具体而言，提供了一种预嵌锂负极的制备方法及制备得到的预嵌锂负极、储能器件、储能系统及用电设备。所述预嵌锂负极的制备方法，包括提供一半电池，对所述半电池进行充电或放电；其中，半电池的工作电极为金属材料，对电极为能够提供锂源的材料，电解液为含有添加剂的锂盐溶液；所述金属材料包括能够与锂离子发生合金化反应的金属、合金或金属复合材料；所述添加剂包括能够分解并在所述金属材料表面形成SEI膜的物质。该方法工艺简单、成本低廉，该方法能够在金属材料表面形成SEI钝化膜，避免负极产生体积膨胀和被粉化，从而提高负极的稳定性，而预嵌锂形成的合金有助于提高库伦效率，从而提高放电容量和循环性能。

Preparation method of pre-embedded lithium negative electrode and preparation of pre-embedded lithium negative electrode, energy storage device, energy storage system and electrical equipment

The invention relates to the field of new energy, in particular to a preparation method of pre-embedded lithium negative electrode and the prepared pre-embedded lithium negative electrode, energy storage device, energy storage system and electrical equipment. The preparation method of the pre-embedded lithium negative electrode includes providing half of the battery for charging or discharging the semi-battery; the working electrode of the semi-battery is a metal material, which can provide a lithium source for the electrode, and the electrolyte is a lithium salt solution containing additives; the metal material includes metal, alloy or metal composite materials capable of alloying reaction with lithium ions. The additive comprises a substance capable of decomposing and forming SEI film on the surface of the metal material. The process is simple and the cost is low. This method can form SEI passivation film on the surface of metal material, avoid the volume expansion and powdering of the negative electrode, thereby improving the stability of the negative electrode. The alloy formed by pre-inserting lithium can improve the Coulomb efficiency, thereby improving the discharge capacity and cycle performance.

【技术实现步骤摘要】
预嵌锂负极的制备方法及制备得到的预嵌锂负极、储能器件、储能系统及用电设备
本专利技术涉及新能源领域，具体而言，涉及一种预嵌锂负极的制备方法及制备得到的预嵌锂负极、储能器件、储能系统及用电设备。
技术介绍
作为绿色储能器件，以锂离子电池为代表的二次电池通过电能与化学能之间的可逆转化实现储电和放电，被广泛应用于各个领域。锂离子电池主要由正负极活性材料、集流体、电解液环和隔膜等主要部分组成。锂离子电池依靠锂离子在正极与负极之间来回移动(嵌入和脱嵌过程)实现电池的充放电过程(因此又称为“摇椅式电池”)，具体而言，在充电时，锂离子从正极脱出，经过电解液嵌入负极；放电过程则相反。由于受到正负极材料理论比容量的限制，商用锂离子电池的能量密度十分有限。其中，负极材料目前主要采用改性天然石墨、人造石墨等，然而，石墨电极的比容量有限(372mAh/g)并且已经几乎达到了极限；同时石墨负极压实密度较低，极大的限制了电池高体积能量密度的获得。因此，对于更加廉价、高效以及低成本的负极材料关键技术的研发显得尤为迫切。初步研究表明，以高容量、低成本的廉价金属箔材作为电池负极，利用金属与锂离子的合金化/去合金化过程实现电池的充放电反应，可以获得高比容量及高能量密度的新型锂离子电池。相比于传统商用石墨类负极，金属负极在提高电池容量方面具有非常明显的优势。以金属铝为例，其理论比容量高达993mAh/g(合金化形成LiAl)，约为石墨负极容量的3倍。此外，廉价金属铝具有优异的导电性，可以同时充当电池的负极活性材料和负极集流体，从而有利于减小电池体积重量，降低生产成本，同时增加锂离子电池的能量密度。中国科学院深圳先进技术研究院曾利用金属铝的高比容量和良好的导电特性，以金属铝箔同时作为负极活性材料和集流体，传统的钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料为正极活性材料，组建了新型电池体系，并申请了相关的专利(CN106654289A；PCT/CN2016/081346)。这一体系可以极大提高锂离子电池的能量密度，显著降低电池的综合成本，因此具有良好的商业化前景；然而金属铝箔在发生合金化/去合金化的过程中，体积会发生膨胀，造成粉化，导致电池库伦效率不高，容量衰减快。为了充分利用廉价、容量高和制备工艺简单的金属箔材作为电池负极，同时解决金属箔材作为电池负极而产生的库伦效率低以及容易粉化的问题，通常采用的办法是对箔材进行多孔化设计或者对其进行表面包覆。例如，专利PCT/CN2016/081344和PCT/CN2016/081345中提出，通过对金属铝箔进行多孔化设计，同时采用表面碳包覆的手段，能够有效抑制铝负极在充放电过程中的粉化，提高电池的循环使用寿命以及充放电倍率性能。然而，上述的方法需要采用比较复杂的工艺手段，譬如激光穿孔、电化学腐蚀、高温碳化等，从而增加了电池的整体成本。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种预嵌锂负极的制备方法，该方法工艺简单、成本低廉，该方法能够在金属材料表面形成SEI钝化膜，避免负极产生体积膨胀和被粉化，从而提高负极的稳定性，而预嵌锂形成的合金有助于提高库伦效率，从而提高放电容量和循环性能。本专利技术的第二目的在于提供一种采用上述预嵌锂负极的制备方法制备得到的预嵌锂负极，该负极具有成本低廉、稳定性高、自重低、能量密度高、比容量高、库仑效果高和循环性能好的优点。本专利技术的第三目的在于提供一种储能器件，该储能器件包括采用上述预嵌锂负极的制备方法制备而成的预嵌锂负极，具有器件成本低廉、结构稳定、库仑效率高、放电容量高、能量密度高和循环性能好的优点。本专利技术的第四目的在于提供一种储能系统，该储能系统包括上述储能器件，具有成本低廉、结构稳定、库仑效率高、比容量高、能量密度高和循环性能好的优点。本专利技术的第五目的在于提供一种用电设备，该用电设备包括上述储能器件，具有成本低廉、比容量高、能量密度高和循环性能好的优点，该用电设备在相同的充放电电流以及相同环境下使用时，使用寿命更长。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种预嵌锂负极的制备方法，提供一半电池，对所述半电池进行充电或放电；其中，所述半电池的工作电极为金属材料，对电极为能够提供锂源的材料，电解液为含有添加剂的锂盐溶液；所述金属材料包括能够与锂离子发生合金化反应的金属、合金或金属复合材料；所述添加剂包括能够分解并在所述金属材料表面形成SEI膜的物质。作为进一步优选地技术方案，所述金属为铝、锡、镁、锌、铜、铁、镍、钛、锰、锑或铋中的任意一种；或，所述合金为至少包括铝、锡、镁、锌、铜、铁、镍、钛、锰、锑或铋中的任意一种的合金；或，所述金属复合材料为至少包括铝、锡、镁、锌、铜、铁、镍、钛、锰、锑或铋中的任意一种的复合材料；优选地，所述金属材料的厚度为10-1000μm。作为进一步优选地技术方案，所述能够提供锂源的材料包括金属锂或锂的化合物；优选地，所述锂的化合物包括硫化锂、氧化锂、硒化锂、氟化锂、草酸锂、钴酸锂、碳酸锂或磷酸铁锂中的至少一种；优选地，所述对电极为金属锂，对以金属锂作为对电极的半电池进行放电；优选地，所述对电极为锂的化合物，对以锂的化合物作为对电极的半电池进行充电。作为进一步优选地技术方案，所述添加剂包括LiBOB、LiODFB、LiPO2F2、LiDFOP、LiBMB、LiDFMFMB、LiDFEFMB、LiDFPFMB或LiTFOP中的至少一种；优选地，所述添加剂在电解液中的质量分数为0.1％-30％，优选为8％-15％；优选地，电解液中的锂盐包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、氯化锂、碳酸锂、硫酸锂、硝酸锂、氟化锂、三氟甲磺酸锂、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂或高氯酸锂中的至少一种；优选地，所述电解液中，锂盐的浓度为0.1-10mol/L；优选地，所述电解液的溶剂包括酯类、砜类、醚类、腈类或烯烃类中的至少一种；优选地，所述电解液的溶剂包括碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、甲酸甲酯(MF)、乙酸甲酯(MA)、N,N-二甲基乙酰胺(DMA)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(EP)、乙酸乙酯(EA)、γ-丁内酯(GBL)、四氢呋喃(THF)、2-甲基四氢呋喃(2MeTHF)、1,3-二氧环戊烷(DOL)、4-甲基-1,3-二氧环戊烷(4MeDOL)、二甲氧甲烷(DMM)、1,2-二甲氧丙烷(DMP)、三乙二醇二甲醚(DG)、二甲基砜(MSM)、二甲醚(DME)、亚硫酸乙烯酯(ES)、亚硫酸丙烯脂(PS)、亚硫酸二甲脂(DMS)、亚硫酸二乙脂(DES)或冠醚(12-冠-4)中的至少一种。作为进一步优选地技术方案，充电或放电的电流为0.01-1mA/cm2，充电或放电的时间为100-1小时；优选地，所述半电池还包括隔膜，所述隔膜包括玻璃纤维、聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔膜中的至少一种。第二方面，本专利技术提供了一种采用上述预嵌锂负极的制备方法制备得到的预嵌锂负极。第三方面，本专利技术提供了一种储能器件，包括采用上述预嵌锂负极的制备方法制备而成的预嵌锂负极。作为进一步优选地技术方案，所述储能器件还包括正极材料；优选地，储能器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预嵌锂负极的制备方法，其特征在于，提供一半电池，对所述半电池进行充电或放电；其中，所述半电池的工作电极为金属材料，对电极为能够提供锂源的材料，电解液为含有添加剂的锂盐溶液；所述金属材料包括能够与锂离子发生合金化反应的金属、合金或金属复合材料；所述添加剂包括能够分解并在所述金属材料表面形成SEI膜的物质。

【技术特征摘要】
1.一种预嵌锂负极的制备方法，其特征在于，提供一半电池，对所述半电池进行充电或放电；其中，所述半电池的工作电极为金属材料，对电极为能够提供锂源的材料，电解液为含有添加剂的锂盐溶液；所述金属材料包括能够与锂离子发生合金化反应的金属、合金或金属复合材料；所述添加剂包括能够分解并在所述金属材料表面形成SEI膜的物质。2.根据权利要求1所述的预嵌锂负极的制备方法，其特征在于，所述金属为铝、锡、镁、锌、铜、铁、镍、钛、锰、锑或铋中的任意一种；或，所述合金为至少包括铝、锡、镁、锌、铜、铁、镍、钛、锰、锑或铋中的任意一种的合金；或，所述金属复合材料为至少包括铝、锡、镁、锌、铜、铁、镍、钛、锰、锑或铋中的任意一种的复合材料；优选地，所述金属材料的厚度为10-1000μm。3.根据权利要求1所述的预嵌锂负极的制备方法，其特征在于，所述能够提供锂源的材料包括金属锂或锂的化合物；优选地，所述锂的化合物包括硫化锂、氧化锂、硒化锂、氟化锂、草酸锂、钴酸锂、碳酸锂或磷酸铁锂中的至少一种；优选地，所述对电极为金属锂，对以金属锂作为对电极的半电池进行放电；优选地，所述对电极为锂的化合物，对以锂的化合物作为对电极的半电池进行充电。4.根据权利要求1所述的预嵌锂负极的制备方法，其特征在于，所述添加剂包括LiBOB、LiODFB、LiPO2F2、LiDFOP、LiBMB、LiDFMFMB、LiDFEFMB、LiDFPFMB或LiTFOP中的至少一种；优选地，所述添加剂在电解液中的质量分数为0.1％-30％，优选为8％-15％；优选地，电解液中的锂盐包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、氯化锂、碳酸锂、硫酸锂、硝酸锂、氟化锂、三氟甲磺酸锂、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂或高氯酸锂中的至少一种；优选地，所述电解液中，锂盐的浓度为0.1-10mol/L；优选地，所述电解液的溶剂包括酯类、砜类、醚类、腈类或烯烃类中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，张阁，欧学武，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44