一种有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法技术

本发明专利技术公开了一种有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法。该方法的具体过程为：将有机化合物涂抹在金属锂表面作为保护层，并直接用于电池负极。本发明专利技术中的有机化合物一方面富含路易斯酸性官能团可与电解液中阴离子相互作用，减缓阴离子的移动速率，缓解负极表面的空间电荷影响从而抑制枝晶生长；另一方面，富含亲锂元素可调节锂离子分布，减少局部锂离子浓度过高的现象，抑制枝晶的生长。因此，将包覆后的金属锂用于锂电池中能够有效提高电池的库伦效率和放电容量，降低锂电池的极化，延长锂二次电池的寿命。

A method of inhibiting dendrite growth of lithium by organic compound coating

【技术实现步骤摘要】
一种有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法
本专利技术属于电池
，具体涉及一种有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法。
技术介绍
随着经济社会的全面发展，人们的生活水平显著提高，对移动电子设备，新能源汽车等的要求也越来越高。相应的，要求电池具有高能量密度和功率密度。基于金属锂片的轻质性以及极高的容量密度和最低的氧化还原电位，金属锂被视为新一代电池最理想的负极材料之一。然而金属锂在实际应用中存在诸多问题，如反应活性高、枝晶生长以及体积膨胀等。其中枝晶生长会刺穿电池隔膜，造成电池内部短路甚至引发爆炸或火灾。因此，抑制锂枝晶的生长对锂金属电极的应用至关重要。而引起枝晶生长的因素有很多，如电极表面较高的电流密度、锂离子不均匀分布引起的局部锂离子浓度过高、负极附近离子快速消耗引起的空间电荷层等等。同时，金属锂的高反应活性会造成活性物质(金属锂、电解液等)的消耗以及非活性物质(死锂、固体电解液界面膜)的堆积；活性物质的消耗致使电池库伦效率底下、循环寿命降低，而非活性物质的堆积则会影响离子传递，增大电池内阻，加剧电池的极化从而影响电池性能。因此，为了解决金属锂电极枝晶生长的问题。目前已有研究提出通过引入保护膜以抑制枝晶生长，提高电池稳定性。或者引入多维集流体降低电极的实际电流密度以抑制枝晶，提高稳定性。然而引入多维集流体则会增加电解液与金属锂之间的接触，从而加剧副反应的发生，消耗活性物质。而引入保护层则有可能会增加电池内阻，且保护层的引入工艺存在操作复杂且成本高等问题，不适合大规模使用。此外，由于金属锂的高反应活性，在金属锂的修饰过程中都要求无水无氧操作，这进一步增加了工艺难度和成本。因此，基于多种因素，寻找一种方便有效的方法抑制枝晶生长、提高金属锂电池的稳定性是发展锂金属电池的关键和热点。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供一种通过有机化合物包覆的方法抑制金属锂枝晶生长的方法。本专利技术从缓解空间电荷层和控制锂离子分布两方面入手，综合起来共同用于抑制枝晶的生长，同时操作简单，成本低廉。可有效解决现有金属锂作为锂电池使用时枝晶生长的问题。为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法，该方法的具体过程包括以下步骤：(1)制备富含路易斯酸性官能团和亲锂元素的有机化合物。其中路易斯酸性官能团为醛基、酚、醇、羧基、烷基、硝基、磺酸中的一种或者几种。亲锂元素为：氮、氧、硼、硫中的一种或者几种；(2)将步骤(1)所得的有机化合物与粘结剂、惰性溶剂混合研磨均匀。有机化合物与粘结剂的比例为20:1至2:1。其中粘结剂为聚偏二氟乙烯、羟甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚四氟乙烯中的一种或者几种。惰性溶剂为二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲醚和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种；(3)将步骤(2)中所得的浆料均匀涂敷在金属锂表面，使有机化合物厚度为100纳米至500微米；(4)将步骤(3)所得金属锂置于无水无氧充满氮气的手套箱中自然风干，即可直接用于电池负极。进一步地，步骤(1)所述路易斯酸性官能团为醛基官能团。进一步地，步骤(1)所述亲锂元素为氮。进一步地，步骤(1)所述有机化合物为有机共价化合物框架(COF)-LZU1。进一步地，步骤(1)所述有机化合物制备具体过程为：(a)1.3克1,3,5-三甲酰基苯溶于80毫升的1,4-二氧六环，然后加入1.3克1,4-苯二胺，超声溶解；(b)将16毫升浓度为3.0mol/L的醋酸溶液缓慢滴入到步骤(a)所得的混合液中。然后在室温下静置72个小时；(c)收集步骤(b)所获得的材料，用二甲基甲酰胺和四氢呋喃交替清洗，并离心分离，最后置于60℃烘箱中烘干；进一步地，步骤(2)所述的粘结剂为聚偏二氟乙烯。进一步地，步骤(2)所述的惰性溶剂为N-甲基吡咯烷酮。进一步地，步骤(2)所述的有机化合物与粘结剂的比例为9:1。进一步地，步骤(3)所述的有机化合物厚度为100微米。本专利技术提供的有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法具有以下优点：(1)路易斯酸性官能团能与路易斯碱性的电解液阴离子发生相互作用，从而减缓阴离子的移动速率，增加锂离子迁移率，将阴离子固定在负极附近，有效缓解负极附近因离子消耗而产生的空间电荷层造成的影响，由此抑制枝晶生长；(2)亲锂元素能有效调节锂离子在电场中的分布，均匀锂离子浓度，减少局部锂离子浓度过高的区域，从而减少枝晶生长位点；(3)从以上两方面入手，共同作用抑制枝晶生长，同时有机化合物的包覆还能减少金属锂与电解液之间的反应，减少副反应的发生。因此将包覆后的金属锂用于锂电池中能够有效提高电池的库伦效率和放电容量，降低锂电池的极化，延长锂二次电池的寿命；(4)本专利技术使用的有机化合物制备方法简单、成本低，包覆工艺简单快捷，可大规模使用；附图说明图1为本专利技术中的有机化合物COF-LZU1的SEM图；图2为本专利技术中的有机化合物COF-LZU1的XRD图；图3为本专利技术中的有机化合物COF-LZU1的FT-IR图；图4为本专利技术中的有机化合物COF-LZU1的13C-NMR图；图5为本专利技术中的有机化合物COF-LZU1包覆在金属锂表面的侧面SEM图；图6为有机化合物包覆的金属锂与商业金属锂对电解液的浸润性比较图；图7为在0.5mAcm-2电流密度下COF-LZU1包覆金属锂电极在锂-锂电池中的电镀/剥离锂的循环对比图；图8为在0.5mAcm-2电流密度下商业锂电极在锂-锂电池中循环电镀/剥离锂100圈后电极SEM图；图9为在0.5mAcm-2电流密度下COF-LZU1包覆金属锂电极在锂-锂电池中循环电镀/剥离锂100圈后电极SEM图；图10为在0.5mAcm-2电流密度下COF-LZU1包覆金属锂电极在锂-锂电池中循环电镀/剥离锂不同次数下的EIS图；图11为在5.0mAcm-2电流密度下COF-LZU1包覆金属锂电极在锂-锂电池中的电镀/剥离锂的循环对比图；图12为在1.0mAcm-2电流密度下和2.0mAhcm-2的容量密度下，COF-LZU1包覆金属锂电极在锂-铜电池中的电镀/剥离锂的库伦效率对比图；图13为在1.0mAcm-2电流密度下和2.0mAhcm-2的容量密度下，COF-LZU1包覆金属锂电极在锂-铜电池中的电镀/剥离锂的电压时间曲线对比图；图14为COF-LZU1包覆的金属锂作为负极，正极为硫的全电池在0.5C下的库伦效率和放电容量对比图；图15为COF-LZU1包覆的金属锂作为负极，正极为硫的全电池的倍率性能对比图；具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)制备富含路易斯酸性官能团和亲锂元素的有机化合物；其中路易斯酸性官能团为醛基、酚、醇、羧基、烷基、硝基、磺酸中的一种或者几种，亲锂元素为：氮、氧、硼、硫中的一种或者几种；/n(2)将步骤(1)所得的有机化合物与粘结剂、惰性溶剂混合研磨均匀，有机化合物与粘结剂的比例为20:1至2:1；其中粘结剂为聚偏二氟乙烯、羟甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚四氟乙烯中的一种或者几种，惰性溶剂为二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲醚和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种；/n(3)将步骤(2)中所得的浆料均匀涂敷在金属锂表面，使有机化合物厚度为100纳米至500微米；/n(4)将步骤(3)所得金属锂置于无水无氧充满氮气的手套箱中自然风干，即可直接用于电池负极。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备富含路易斯酸性官能团和亲锂元素的有机化合物；其中路易斯酸性官能团为醛基、酚、醇、羧基、烷基、硝基、磺酸中的一种或者几种，亲锂元素为：氮、氧、硼、硫中的一种或者几种；
(2)将步骤(1)所得的有机化合物与粘结剂、惰性溶剂混合研磨均匀，有机化合物与粘结剂的比例为20:1至2:1；其中粘结剂为聚偏二氟乙烯、羟甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚四氟乙烯中的一种或者几种，惰性溶剂为二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲醚和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种；
(3)将步骤(2)中所得的浆料均匀涂敷在金属锂表面，使有机化合物厚度为100纳米至500微米；
(4)将步骤(3)所得金属锂置于无水无氧充满氮气的手套箱中自然风干，即可直接用于电池负极。


2.根据权利要求1所述的有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法，其特征在于，步骤(1)所述路易斯酸性官能团为醛基官能团。


3.根据权利要求1所述的有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法，其特征在于，步骤(1)所述亲锂元素为氮。


4.根据权利要求1所述的有机化合物包覆抑制锂枝晶生长的方法，其特征在于，步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：康毅进，徐英，李涛，周阳，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51