一种复合锂金属负极材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开一种复合锂金属负极材料的制备方法及应用，将负载材料均匀沉积在集流体表面，得到复合集流体；以复合集流体作为负极，加上隔膜、锂片、电解液组装成锂电池，进行充放电，在复合集流体上沉积锂金属，同时在高电位区负载材料被还原，原位形成人工SEI膜，形成复合锂金属负极材料；本发明专利技术复合集流体制备方法简单，材料易得等优点；得到的人工SEI膜保护层具有良好的锂离子导电性、高的弹性模量和电化学稳定性，能有效抑制锂枝晶的形成和界面副反应，提高锂金属负极的安全性和循环稳定性。

Preparation and application of a composite lithium metal anode material

【技术实现步骤摘要】
一种复合锂金属负极材料的制备方法及应用
本专利技术涉及一种复合锂金属负极材料的制备方法，属于材料合成及化学电源领域。
技术介绍
锂离子电池是一种高能量密度、高效率的电能存储装置，已被广泛应用于小型可移动电子设备。锂离子电池主要由负极、正极、隔膜和电解液四大关键部件构成，材料的性质与锂离子电池的性能有着非常重要的关系。锂离子电池负极材料为能可逆地嵌入-脱嵌锂离子/锂化-去锂化的化合物，铜箔为常用负极集流体。锂金属负极由于具有高的理论比容量和低的电位平台，被认为是锂电池负极材料的终极目标。然而，锂金属负极在长循环过程会出现锂金属的不均匀沉积，这将导致锂枝晶的生长，不断生长的锂枝晶会破坏固态电解质膜（SEI膜），使得副反应增多，造成活性材料和电池容量的损失；甚至可能会刺穿隔膜，导致电池短路，出现安全事故。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种复合锂金属负极材料的制备方法，具体步骤如下：（1）将负载材料均匀沉积在集流体表面，得到复合集流体；（2）以复合集流体作为负极，加上隔膜、锂片、电解液组装成锂电池，进行充放电，在复合集流体上沉积锂金属，同时在高电位区复合集流体上的负载材料被还原，原位形成人工SEI膜，形成包含集流体、SEI膜和锂金属沉积的复合锂金属负极材料。步骤（1）沉积方法为原子层沉积法、喷射沉积法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电泳沉积法或低能团簇束沉积法等。步骤（1）集流体为Cu箔、Cu合金箔（CuAl合金箔，CuSn箔及CuSi合金箔等）或碳基集流体，碳基集流体为碳纸、碳纳米管纸、石墨烯纸或各种碳纤维纸。步骤（1）负载材料为硫粉（S）或过渡金属硫化物（MSx）；所述过渡金属硫化物（MSx）为SnS2、In2S3、CoSx（1≤x≤2）、NiS和CuSx（1≤x≤2）等。步骤（1）负载材料的沉积厚度为2nm~20nm。步骤（2）电解液的电解质盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI），溶剂为1,3-二氧戊环(DOL)/乙二醇二甲醚(DME)=1:1（体积比），电解质盐LiTFSI的浓度为1mol/L。步骤（2）充放电电流密度为0.5~1mA/cm2，充放电截止条件按容量截止，具体截止容量据实际需要决定，一般为3~5mAh，循环10~15次。本专利技术复合锂金属负极材料在应用时，作为锂电池负极材料使用，循环性能好。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术的复合集流体具备制备方法简单，材料易得等优点。（2）本专利技术负极材料上生成的人工SEI膜保护层具有良好的锂离子导电性、高的弹性模量和电化学稳定性，能有效抑制锂枝晶的形成和界面副反应，提高锂金属负极的安全性和循环稳定性。附图说明图1为本专利技术实施例1制备流程图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。实施例1一种复合锂金属负极材料的制备方法，如图1所示，具体步骤如下：（1）通过原子层沉积法（ALD）将负载材料均匀沉积在集流体表面，集流体为Cu箔，负载材料为硫粉（S），得到复合集流体；具体步骤：1）将Cu箔进行清洗、烘干，放入原子层沉积设备的反应室中；2）将反应室真空度抽到0.5Pa以下，设置反应室温度为150℃；3）通入S粉作为前驱体，沉积到Cu箔表面，制备得到复合集流体；负载材料的沉积厚度为2nm~10nm；（2）以复合集流体作为负极，加上隔膜、锂片、电解液，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，电解液的电解质盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI），溶剂为1,3-二氧戊环(DOL)/乙二醇二甲醚(DME)=1:1（体积比），LiTFSI的浓度为1mol/L；隔膜PP/PE/PP；进行充放电，充放电电流密度为0.5mA/cm2，充放电截止容量为5mAh，在复合集流体上沉积锂金属，同时在高电位区复合集流体上的负载材料被还原，并在充放电过程中原位电化学形成Li2Sn（n=1或2）人工SEI膜和沉积锂金属，循环10次得到包含集流体、SEI膜和锂金属沉积的复合锂金属负极材料。将复合锂金属负极材料应用在锂电池上，组装成电池，循环性能好。实施例2一种复合锂金属负极材料的制备方法，具体步骤如下：（1）通过物理气相沉积法（PVD）将负载材料均匀沉积在集流体表面，集流体为CuAl合金箔，负载材料为SnS2，得到复合集流体；具体步骤：1）将厚度为0.03mm的CuAl合金箔，在室温下依次用丙酮、1mol/L稀盐酸、去离子水和乙醇各超声清洗5min，然后用高纯氮气将CuAl合金箔吹干；2）将吹干的CuAl合金箔作为基片固定在溅射腔体样品台上，并安装好SnS2靶；3）将腔体抽真空至1×10-4Pa后通入高纯氩气，在氩气气氛下进行沉积镀膜；4）镀膜时溅射压力为1Pa，功率25W，溅射时间10min~30min，最终得到镀SnS2膜的CuAl合金箔复合集流体，SnS2膜的厚度为10nm~20nm；（2）以复合集流体作为负极，加上隔膜、锂片、电解液，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，电解液的电解质盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI），溶剂为1,3-二氧戊环(DOL)/乙二醇二甲醚(DME)=1:1（体积比），LiTFSI的浓度为1mol/L；隔膜PP/PE/PP；进行充放电，充放电电流密度为1mA/cm2，充放电截止容量为3mAh，在复合集流体上沉积锂金属，同时在高电位区复合集流体上的负载材料被还原，并在充放电过程中原位电化学形成Sn/Li2Sn（n=1或2）人工SEI膜和沉积锂金属，循环15次得到包含集流体、SEI膜和锂金属沉积的复合锂金属负极材料。将复合锂金属负极材料应用在锂电池上，组装成电池，循环性能好。实施例3一种复合锂金属负极材料的制备方法，具体步骤如下：（1）通过喷射沉积法将负载材料均匀沉积在集流体表面，集流体为碳纳米管纸，负载材料为In2S3，得到复合集流体；具体步骤：1）将碳纳米管纸进行清洗、烘干；2）将In2S3粉末装入喷射沉积装置中在碳纳米管纸进行喷射沉积In2S3，在碳纳米管纸上制备In2S3膜，In2S3膜的厚度为5nm~10nm；（2）以复合集流体作为负极，加上隔膜、锂片、电解液，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，电解液的电解质盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI），溶剂为1,3-二氧戊环(DOL)/乙二醇二甲醚(DME)=1:1（体积比），LiTFSI的浓度为1mol/L；隔膜PP/PE/PP；进行充放电，充放电电流密度为1mA/cm2，充放电截止容量为3mAh，在复合集流体上沉积锂金属，同时在高电位区复合集流体上的负载材料被还原，并利用电池测试系统原位电化学形成In/Li2Sn（n=1或2）人工SEI膜和沉积锂金属，循环15次得到包含集流体、SEI膜和锂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：/n（1）将负载材料均匀沉积在集流体表面，得到复合集流体；/n（2）以复合集流体作为负极，加上隔膜、锂片、电解液组装成锂电池，进行充放电，在复合集流体上沉积锂金属，同时在高电位区复合集流体上的负载材料被还原，原位形成SEI膜，形成复合锂金属负极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将负载材料均匀沉积在集流体表面，得到复合集流体；
（2）以复合集流体作为负极，加上隔膜、锂片、电解液组装成锂电池，进行充放电，在复合集流体上沉积锂金属，同时在高电位区复合集流体上的负载材料被还原，原位形成SEI膜，形成复合锂金属负极材料。


2.根据权利要求1所述复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）沉积方法为原子层沉积法、喷射沉积法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电泳沉积法或低能团簇束沉积法。


3.根据权利要求1所述复合锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）集流体为Cu箔、Cu合金箔或碳基集流体，碳基集流体为碳纸、碳纳米管纸或石墨烯纸。


4.根据权利要求1所述复合锂金属负极材料的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张义永，李雪，张英杰，倪志聪，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53