一种物相组分可控的锂铝合金负极材料、制备方法及应用技术

本发明专利技术提供一种物相组分可控的锂铝合金负极材料，所述负极材料为骨架状锂铝合金，或者为骨架状锂铝合金以及填充在所述骨架中的金属锂构成的合金。本发明专利技术提供的锂铝合金，对纯金属锂的性能作了修饰，既保持了锂容量优点，又改善了枝晶抑制效果，形成的锂铝合金为三维骨架结构，用作负极材料提高了电池充放电循环寿命。本发明专利技术提供的锂铝合金，对纯金属锂的性能作了修饰，既保持了锂容量优点，又改善了枝晶抑制效果，形成的锂铝合金为三维骨架结构，用作负极材料提高了电池充放电循环寿命。

A kind of cathode material of lithium aluminum alloy with controllable phase composition, preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种物相组分可控的锂铝合金负极材料、制备方法及应用
本专利技术属于有色冶金和二次电池负极材料
，具体涉及一种物相组分可控的锂铝合金负极材料制备方法，以及采用该负极材料的锂离子电池。
技术介绍
金属锂具有极高的理论比容量(3860mAh/g)和最负的电极电位(-3.04Vvs.SHE)，是最有前景的下一代锂电池负极材料。然而，循环过程中锂枝晶的形成以及金属锂与电解液的反应，会导致电池充放电循环效率降低和界面阻抗的增加；“枝晶”和“死锂”的产生，带来安全性和电极活性物质损失等问题，严重制约金属锂负极的应用。此外，金属锂还具有高活性，空气稳定性差等特点，增大了加工及运输过程的难度。近年来，抑制锂枝晶的形成，改善锂二次电池金属锂负极的安全性和稳定性已成为电池领域中重要的研究方向。三维结构负极采用具有三维结构导电集流体或三维结构中空材料作为骨架，并在其中填充金属锂形成具有三维导电网络的复合负极。这种复合结构能够有效的改善金属锂负极内部和界面的电场分布，并通过多孔微结构抑制金属锂枝晶生长，并提高负极倍率性能。同时，三维导电网络有助于减少负极中“死锂”的积累，降低负极循环容量损失。是目前金属锂电池行业中公认最可行的技术方案之一。Li-Al合金具有比重轻、密度低和力学性能优良等特点，已在航空航天领域发挥了重要的作用。然而，近年来Li-Al合金在二次电池领域的应用越来越受到人们的关注。例如申请号为CN94104418的专利申请公开了一种用于电池负极材料的锂铝合金及其制造方法，为一种β相LiAl合金，其特征是含锂18～24wt.％，余量为铝。但是，该方法制得的合金铝含量较高，增加了锂金属负极的电极反应电位，降低了负极材料的质量比容量。同时，锂脱嵌过程会发生相变，造成负极材料体积变化。又如CN103290293专利提供了一种制备铝含量0.1～4.0wt.％的锂铝合金的方法，但是该方法只能制备铝固溶于锂晶格中的锂固溶体，未形成三维骨架结构的化合物，无法达到抑制锂枝晶的作用。专利CN110120502提供了一种具有三维骨架结构的锂铝合金相Al4Li9，但是该制备方法不能自由调控Li-Al合金物相组成及活性Li的含量。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题及不足，本专利技术提供一种物相组分可控的锂铝合金负极材料及其制备方法，工艺简单，可适应大规模生产。本专利技术通过以下技术方案实现：一种物相组分可控的锂铝合金负极材料，所述锂铝合金负极材料为骨架状锂铝合金，或骨架状锂铝合金以及填充在所述骨架中的金属锂构成的锂铝合金。可选的，所述锂铝合金为金属锂和金属铝，或者金属锂、金属铝及金属M形成的合金，其中所述金属M为Si、Mg、Ag、Sn、Cu、B、W中的一种或几种；所述锂铝合金的物相为AlLi、Al2Li3、Al4Li9、LiMx、AlLixMy、Li、Al、M中的一种或几种。作为优选，所述锂铝合金中的金属铝、锂和M的摩尔比为1：1～9：0～0.1。本专利技术还提供一种锂离子电池，该电池包括电池壳体、电极组和电解液，所述电极组和电解液密封在电池壳体内，所述电极组包括正极、隔膜和负极，所述负极采用上述负极材料。本专利技术还提供上述物相组分可控的锂铝合金负极材料的制备方法，具体步骤如下：S1、将一定量的金属铝与金属锂，或者金属锂、金属铝和金属M在惰性气氛中进行充分混合，先后在不同烧结温度下分别加热一定时间并伴随充分搅拌，获得液态合金；S2、将S1制得的液态合金进行降温处理，冷却后加工为不同物相组成的合金负极片。根据铝、锂和M的实际配比，冷却后会分别形成骨架状锂铝合金和骨架状锂铝合金以及填充在所述骨架中的金属锂构成的不同物相的合金，其中骨架状锂铝合金物相可能为AlxLiy、AlLixMy和LiMx中的一种或几种。作为优选，所述S1中所述惰性气氛为氩气。作为优选，所述S1中所述的加热方式为多段式控温，第一段温度为181～320℃，加热时间为5～40分钟；第二段温度为330～760℃，加热时间为15～40分钟；搅拌的时间为20～80分钟。作为优选，所述S2中所述的降温处理是通过冷却系统控制柜实现，冷却速度为20℃/s～80℃/s。作为优选，所述步骤2中加工方法为浇铸、辊压、冲压中的一种或几种。相较于现有技术，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的锂铝合金，对纯金属锂的性能作了修饰，既保持了锂容量优点，又改善了枝晶抑制效果，形成的锂铝合金为三维骨架结构，用作负极材料提高了电池充放电循环寿命。三维骨架结构负极是具有三维结构导电集流体或三维结构中空纳米材料作为骨架，并在其中填充金属锂或具有可脱嵌性质的锂化合物，形成具有三维导电网络的复合负极。通过XRD可以看出，实施例1、2、3、4物相为铝锂金属间化合物及填充在其内部的金属锂和可脱嵌的锂化合物，说明其形成三为骨架结构。因骨架中有Li元素的存在，使得其具有亲锂性，能为Li离子提供更均匀的沉积位点，从而减少锂枝晶的生成。同时，这种三维结构能够有效的改善金属锂负极内部和界面的电场分布，并通过多孔微结构抑制金属锂枝晶生长，减少负极中“死锂”的积，提高负极倍率性能和降低负极循环容量损失。附图说明图1a是本专利技术实施例1制备的锂铝合金负极材料的XRD图；图1b是本专利技术实施例2制备的锂铝合金负极材料的XRD图；图1c是本专利技术实施例3制备的锂铝合金负极材料的XRD图；图1d是本专利技术实施例4制备的锂铝合金负极材料的XRD图；图2是本专利技术实施例3制备的锂铝合金负极材料的SEM图；从图中可以看出按实施例3制备的锂铝合金具有疏松多孔的结构；图3是本专利技术实施例4制备的锂铝合金负极材料的SEM图。从图中可以看出按实施例4制备的锂铝合金具有疏松多孔的结构。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术作进一步说明。实施例1本实施例中，锂铝合金负极材料的制备方法，其具体步骤如下：步骤1、在氩气环境下，首先将铝粉与金属锂块按摩尔比为1：1混合均匀后形成原料，然后将盛有原料的铁质坩埚置于加热炉中加热，温度为分段式控温，第一段温度为181℃，加热时间为40分钟；第二段温度为760℃，加热时间为40分钟。充分搅拌80分钟；步骤2、将熔融的液态合金倒入铁质模具中浇铸成型，按冷却速度50℃/s冷却处理，冷却至室温后使用冲压机冲压成合金负极片；本实施例制备得到的锂铝合金负极材料的XRD图如图1a示，物相组分主要分为AlLi余量为Li固溶到Al晶格中的固溶体。实施例2本实施例中，锂铝合金负极材料的制备方法，其具体步骤如下：步骤1、在氩气环境下，首先将铝粒与金属锂带按摩尔比为1：2混合均匀后形成原料，然后将盛有原料的铁质坩埚置于加热炉中加热，温度为分段式控温，第一段温度为320℃，加热时间为5分钟；第二段温度为650℃，加热时间为15分钟。充分搅拌20分钟；步骤2、将熔融的液态合金倒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种物相组分可控的锂铝合金负极材料，其特征在于，所述锂铝合金负极材料为骨架状锂铝合金，或骨架状锂铝合金以及填充在所述骨架中的金属锂构成的锂铝合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种物相组分可控的锂铝合金负极材料，其特征在于，所述锂铝合金负极材料为骨架状锂铝合金，或骨架状锂铝合金以及填充在所述骨架中的金属锂构成的锂铝合金。


2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于：所述锂铝合金为金属锂和金属铝，或者金属锂、金属铝及金属M形成的合金，其中所述金属M为Si、Mg、Ag、Sn、Cu、B、W中的一种或几种；所述锂铝合金的物相为AlLi、Al2Li3、Al4Li9、LiMx、AlLixMy、Li、Al、M中的一种或几种。


3.根据权利要求2所述的负极材料，其特征在于：所述锂铝合金中的金属铝、锂和M的摩尔比为1：1～9：0～0.1。


4.权利要求1至3中任一项所述的物相组分可控的锂铝合金负极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、将一定量的金属铝与金属锂，或者金属锂、金属铝和金属M在惰性气氛中进行充分混合，先后在不同烧结温度下...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱啸林，王胜彬，李文俊，
申请(专利权)人：北京卫蓝新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11