复合负极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了复合负极及其制备方法和应用，其中，复合负极包括金属复合层和负极片基体，所述金属复合层包括负极材料层和渗入所述负极材料层中的金属纳米颗粒；所述负极片基体具有锂金属层，所述金属复合层与所述锂金属层贴合。该复合负极利用金属纳米颗粒与锂离子的合金化限域作用来控制锂枝晶，延缓或抑制锂离子在锂金属层上的沉积，使锂离子在每个通道上相对均匀地沉积、成核和生长，解决了锂离子不均匀沉积而导致负极表面锂枝晶生长及电池内短路的问题，能够显著改善电池的循环性能、倍率性能、安全性能和使用寿命等。

【技术实现步骤摘要】
复合负极及其制备方法和应用
本专利技术属于锂电池领域，具体而言，涉及复合负极及其制备方法和应用。
技术介绍
随着电器设备向大型化和多功能化方向发展，对锂离子二次电池的能量密度及使用寿命提出了更高的要求，并且由于各种便携式电子设备和电动汽车的快速发展和广泛应用，对于能量高、循环寿命长的锂离子电池的需求十分迫切。目前商业化锂离子电池的负极材料主要为石墨，由于其理论容量低(372mAh/g)，高倍率充放电性能差，限制了锂离子电池能量的进一步提高。而硅碳材料又面临首次充放电效率低、膨胀大、长循环等带来的材料粉化问题。为了满足可充电电池的能量密度要求，目前的研究方向主要集中于高比容量电池体系，例如：硅、锡、锂金属、锂硫电池等。锂金属具有极高的理论比容量和低电化学电位，是非常有前景的负极材料。然而，由于其安全性和效率的原因，很难应用于商业化的锂电池中，具体地，在锂金属反复地沉积和溶解过程中，锂离子的不均匀沉积会导致负极表面不可避免地发生锂枝晶的生长，从而刺穿隔膜引起电池的内短路；并且，锂枝晶和电解液界面高的比表面积会促进SEI膜的不断形成，导致内阻增加引起库伦效率的快速降低。因此，具有能量密度高、循环寿命长和安全性能好的锂电池有待进一步研究。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种复合负极及其制备方法和应用，以解决锂离子的不均匀沉积导致负极表面锂枝晶生长及电池内短路的问题，达到防止或抑制锂枝晶的产生和生长的目的，从而显著改善电池的循环性能、倍率性能、安全性能和使用寿命等。为达到上述目的，根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提出了一种复合负极。根据本专利技术的实施例，该复合负极包括：金属复合层，所述金属复合层包括负极材料层和渗入所述负极材料层中的金属纳米颗粒；负极片基体，所述负极片基体具有锂金属层，所述金属复合层与所述锂金属层贴合。进一步地，所述金属纳米颗粒均匀分布在所述负极材料层中。进一步地，所述负极材料层包括选自碳基材料、硅基材料和硅氧基材料中的至少一种。进一步地，所述金属纳米颗粒为选自银颗粒、铝颗粒、镁颗粒、锌颗粒和金颗粒中的至少一种。进一步地，所述金属纳米颗粒的金属纯度为99.99～99.999％。进一步地，渗入所述负极材料层中的所述金属纳米颗粒的总体积为厚度为5～1000nm的所述负极材料层的体积。进一步地，所述负极材料层的厚度为10～60μm，所述负极材料层的孔隙率为30～55％。进一步地，所述负极片基体包括相互贴合的锂金属层和铜金属层。进一步地，所述锂金属层的厚度为5～50μm。相对于现有技术，本专利技术所述的复合负极至少具有以下优势：1、通过在负极材料层中渗入金属纳米颗粒，可以使金属纳米颗粒与负极材料如石墨、硅、氧化硅等进行复合，形成致密均匀的金属复合薄层。将该金属复合层与负极片基体的锂金属层贴合形成复合负极后，可以使得锂离子在沉积过程中先与金属纳米颗粒Ag、Mg、Au、Zn、Al等合金化后再沉积或渗入负极材料中，最终有序、缓慢地沉积到电位更低的锂金属层上，即可以利用金属纳米颗粒与锂离子的合金化限域作用来控制锂枝晶，延缓或抑制锂离子在锂金属层上的沉积，使锂离子在每个通道上相对均匀地沉积、成核和生长，避免引起个别超长的枝晶生长而产生内短路，有利于提高电池循环性能；2、金属复合层与负极片基体的锂金属层贴合后，还会有部分金属纳米颗粒直接与锂金属层接触并发生合金化反应，在金属复合层与锂金属层的接触位置形成薄薄的一层合金层，由此可以更有利于负极表面电位的均匀分布，使锂离子在充放电过程中能够更均匀沉积，从而能够进一步抑制锂枝晶的形成；3、即便锂金属层上形成有锂枝晶，由于负极材料层的存在，还可以进一步降低锂枝晶刺穿电解质层的风险；4、负极片基体不仅可以提供低电位和高容量，还可以起到补锂作用，从而能够进一步提高电池的首效和容量；5、将该复合负极用于制备电池可以显著提高电池的循环性能、倍率性能、安全性能和使用寿命等，其中，电池的首效可高达85％以上，充放电循环80周后容量保持率不低于95％。本专利技术的另一目的在于提出一种制备上述复合负极的方法，以使复合负极能够显著改善电池的循环性能、安全性能和使用寿命等。为达到上述目的，根据本专利技术的第二个方面，本专利技术提出了一种制备复合负极的方法。根据本专利技术的实施例，该方法采用方案1或方案2，其中，所述方案1包括：预先在铝箔上形成负极材料层并利用所述铝箔将所述负极材料层转移至所述负极片基体的锂金属层上，再采用物理气相沉积法使金属纳米颗粒渗入所述负极材料层中；所述方案2包括：预先在铝箔上形成负极材料层并采用物理气相沉积法使金属纳米颗粒渗入所述负极材料层中，再利用所述铝箔将形成的金属复合层转移至所述负极片基体的锂金属层上。进一步地，所述方案1或所述方案2中，所述物理气相沉积法在露点不高于零下40℃的干燥环境下进行。进一步地，所述物理气相沉积法为真空蒸镀法、电子束蒸镀法、离子溅射法、磁控溅射法、电弧等离子体法或分子束外延法。进一步地，所述方案1包括：(1)在铝箔上形成负极材料层并利用所述铝箔将所述负极材料层转移至所述负极片基体的锂金属层上，以便得到复合基体；(2)在露点不高于零下40℃的干燥环境下将所述复合基体置于真空蒸镀装置的真空室基片台上，对所述复合基体进行加热和匀速旋转，同时将高纯金属加热蒸发成原子态，使金属原子蒸汽流渗入所述负极材料层，以便得到所述复合负极。进一步地，步骤(2)中，所述加热的温度为50～170℃、所述匀速旋转的转速为1～20转/分，所述高纯金属的蒸发速率为0.001～0.3nm/s、所述真空室的真空度为10-4～10-6Pa。相对于现有技术，本专利技术所述的制备复合负极的方法至少具有以下优势：1、通过采用物理气相沉积法可以使金属纳米颗粒更均匀、致密地渗入到负极材料层中，由此可以进一步提高锂离子在每个通道上沉积、成核及生长的均匀性，不会引起个别超长的枝晶生长而产生内短路，从而更有利于提高电池循环性能；2、制备得到的复合负极可以使得锂离子在沉积过程中先与金属纳米颗粒Ag、Mg、Au、Zn、Al等合金化后再沉积或渗入负极材料中，最终有序、缓慢地沉积到电位更低的锂金属层上，即可以利用金属纳米颗粒与锂离子的合金化限域作用来控制锂枝晶，延缓或抑制锂离子在锂金属层上的沉积，使锂离子在每个通道上相对均匀地沉积、成核和生长，避免引起个别超长的枝晶生长而产生内短路，有利于提高电池循环性能；3、金属复合层与负极片基体的锂金属层贴合后，还会有部分金属纳米颗粒直接与锂金属层接触并发生合金化反应，在金属复合层与锂金属层的接触位置形成薄薄的一层合金层，由此可以更有利于负极表面电位的均匀分布，使锂离子在充放电过程中能够更均匀沉积，从而能够进一步抑制锂枝晶的形成；4、即便锂金属层上形成有锂枝晶，由于负极材料层的存在，还可以进一步降低锂枝晶刺穿电解质层的风险；5、负极片基体不仅可以提供低电位和高容量，还可以起到补锂作用，从而能够进一步提高电池的首效和容量；6、该方法工艺简单，便本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合负极，其特征在于，包括：/n金属复合层，所述金属复合层包括负极材料层和渗入所述负极材料层中的金属纳米颗粒；/n负极片基体，所述负极片基体具有锂金属层，所述金属复合层与所述锂金属层贴合。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合负极，其特征在于，包括：
金属复合层，所述金属复合层包括负极材料层和渗入所述负极材料层中的金属纳米颗粒；
负极片基体，所述负极片基体具有锂金属层，所述金属复合层与所述锂金属层贴合。


2.根据权利要求1所述的复合负极，其特征在于，所述金属纳米颗粒均匀分布在所述负极材料层中，
任选地，所述负极材料层包括选自碳基材料、硅基材料和硅氧基材料中的至少一种，
任选地，所述金属纳米颗粒为选自银颗粒、铝颗粒、镁颗粒、锌颗粒和金颗粒中的至少一种，
任选地，所述金属纳米颗粒的金属纯度为99.99～99.999％。


3.根据权利要求1或2所述的复合负极，其特征在于，渗入所述负极材料层中的所述金属纳米颗粒的总体积为厚度为5～1000nm的所述负极材料层的体积，
任选地，所述负极材料层的厚度为10～60μm，所述负极材料层的孔隙率为30～55％。


4.根据权利要求1所述的复合负极，其特征在于，所述负极片基体包括相互贴合的锂金属层和铜金属层，
任选地，所述锂金属层的厚度为5～50μm。


5.一种制备权利要求1～4中任一项所述的复合负极的方法，其特征在于，采用方案1或方案2，其中，
所述方案1包括：预先在铝箔上形成负极材料层并利用所述铝箔将所述负极材料层转移至所述负极片基体的锂金属层上，再采用物理气相沉积法使金属纳米颗粒渗入所述负极材料层中；
所述方案2包括：预先...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈少杰，黄海强，郑晓醒，秦士林，马忠龙，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32