一种锂金属负极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种锂金属负极及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的锂金属负极，包括依次层叠设置的锂片和LiAlO

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属负极及其制备方法和应用
本专利技术涉及电极材料
，尤其涉及一种锂金属负极及其制备方法和应用。
技术介绍
伴随着社会的持续进步，各种便携式电子产品逐渐成为人类日常生活必不可少的一部分。锂离子电池因其工作电压高、循环性能好、能量密度和功率密度高等特点被广泛使用于各个领域如便携式摄像机、手机、笔记本电脑以及电动汽车等。但是随着需求的提高，传统的锂离子电池逐渐无法满足需要，迫切需要开发高能量密度、高使用寿命的电极材料以满足新兴的高端储能器件。锂金属负极以其极高的理论容量(3860mAh/g)和最负的电势(-3.040Vvs标准氢电极)而被称为是“圣杯”电极，受到研究人员的极大关注。而目前金属锂电池存在严重的枝晶生长问题，难以稳定循环。锂枝晶生长会导致电池短路，进而可能形成热失控，引发潜在的着火爆炸的风险，此外，锂枝晶也可能会形成“死锂”，造成电池容量的不可逆损失。这些安全问题导致锂金属二次电池没有实现商业应用。近年来，科研工作者们为了实现金属锂作为商业负极材料使用已经提出了各种解决方法，但是都无法从根本上彻底解决锂枝晶的生长以及库伦效率低、电池循环性能差的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锂金属负极及其制备方法和应用，所述锂金属负极可抑制锂枝晶的生长，具有较高的循环稳定性。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种锂金属负极，包括依次层叠设置的锂片和LiAlO2保护层。优选的，所述LiAlO2保护层的厚度为1～20nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：采用原子层沉积法，在锂片表面沉积LiAlO2层，得到锂金属负极。优选的，所述沉积LiAlO2层的过程为：在真空反应腔室中通入铝源进行第一原子层沉积后，进行第一吹扫；通入第一水源进行第二原子层沉积后，进行第二吹扫，抽真空，记为第一亚循环；通入锂源进行第三原子层沉积后，进行第三吹扫；通入第二水源进行第四原子层沉积，进行第四吹扫，抽真空，记为第二亚循环；依次进行1次第一亚循环和10次第二亚循环记为第一循环；重复所述第一循环。优选的，所述锂源为叔丁醇锂；所述铝源为三甲基铝。优选的，所述沉积LiAlO2层的过程中，真空反应腔室的温度为100～200℃，锂源的温度为130～150℃，铝源或水源的温度为室温。优选的，所述锂源的通入时间独立的为0.5～2s，所述第三原子层沉积的时间独立的为0.5～1s；所述铝源的通入时间为0.2～1s，所述第一原子层沉积的时间为0.5～1s；所述第一水源和第二水源的通入时间独立的为0.2～1s，所述第二原子层沉积和第四原子层沉积的时间独立的为0.5～1s。优选的，所述第一吹扫、第二吹扫、第三吹扫和第四吹扫采用的气体为氩气；所述第一吹扫、第二吹扫、第三吹扫和第四吹扫的时间独立的为5～15s。优选的，重复所述第一循环的次数为5～150次。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂金属负极或上述技术方案所述的制备方法制备得到的锂金属负极在锂离子电池中的应用。本专利技术提供了一种锂金属负极，包括依次层叠设置的锂片和LiAlO2保护层。所述LiAlO2保护层作为一种固态电解质具有较高的离子电导率，可以加快锂离子的运输速率，保护层稳定性好，具有各向同性，能够使Li+更加均匀地沉积到锂金属表面，减少锂离子选择性沉积，有效地抑制锂枝晶生长。这些特点使得其在作为锂片的保护层时，大大提高了其在循环过程中的稳定性，使得电池循环寿命显著提高。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：采用原子层沉积法，在锂片表面沉积LiAlO2层，得到锂金属负极。所述原子层沉积法可以使LiAlO2层更加致密、更加均匀，能够更进一步的减少电池循环过程中锂离子的选择性沉积，更有效的抑制锂枝晶的生长，进而更有利于提高电池的循环寿命。附图说明图1为本专利技术所述锂金属负极的结构示意图；图2为本专利技术所述锂金属负极的制备过程示意图；图3为本专利技术制备所述锂金属负极的设备结构图，其中，1-手套箱，2-反应腔室，3-加热台，4-真空机械泵，5-锂源瓶，6-铝源瓶，7-水源瓶和8-惰性气体瓶；图4为测试例中实验组和对照组的充放电循环图；图5为测试例中实验组和对照组在第一圈和第100圈的充放电电压容量曲线图；图6为测试例中实验组和对照组在1mA/cm2的电流密度下的循环稳定性图；图7为测试例中实验组和对照组在3mA/cm2的电流密度下的循环稳定性图；图8为测试例中实验组和对照组在3mA/cm2的电流密度下进行循环稳定性测试后的电池拆开并清洗锂片的SEM测试。具体实施方式本专利技术提供了一种锂金属负极，包括依次层叠设置的锂片和LiAlO2保护层。本专利技术提供的锂金属负极包括锂片。在本专利技术中，所述锂片优选保存在H2O＜0.1ppm，O2＜0.1ppm的手套箱中，真空反应腔位于手套箱内部，锂金属一直处于惰性气体保护环境下。本专利技术对所述锂片的厚度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的能够应用于锂离子电池中的锂片的厚度即可。在本专利技术的实施例中，具体采用0.5mm厚的锂片。本专利技术提供的锂金属负极包括LiAlO2保护层，所述LiAlO2保护层的厚度优选为1～20nm，更优选为5～15nm，最优选为8～12nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：采用原子层沉积法，在锂片表面沉积LiAlO2层，得到锂金属负极。在本专利技术中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。在本专利技术中，所述沉积LiAlO2层的过程，优选为：在真空反应腔室中通入铝源进行第一原子层沉积后，进行第一吹扫；和通入第一水源进行第二原子层沉积后，进行第二吹扫，抽真空，记为第一亚循环；通入锂源进行第三原子层沉积后，进行第三吹扫；通入第二水源进行第四原子层沉积，进行第四吹扫，抽真空，记为第二亚循环；依次进行1次第一亚循环和10次第二亚循环记为第一循环；重复所述第一循环(所述制备过程如图2所示)。在本专利技术中，在所述真空反应腔室中通入铝源进行第一原子层沉积前，优选包括开启真空机械泵，将反应腔室和系统管路的气压抽至小于0.1Pa。在本专利技术中，所述沉积LiAlO2层的过程中，真空反应腔室的温度优选为100～200℃，更优选为120～180℃，最优选为140～160℃；系统管路的温度优选为150～180℃，更优选为160～170℃；锂源的温度优选为130～150℃，更优选为135～145℃；所述铝源或水源的温度优选为室温。在本专利技术中，所述锂源优选为叔丁醇锂；所述铝源优选为三甲基铝；所述第一水源和第二水源优选为去离子水。在本专利技术中，所述锂源的通入时间独立的优选为0.5～2s，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂金属负极，其特征在于，包括依次层叠设置的锂片和LiAlO

【技术特征摘要】
1.一种锂金属负极，其特征在于，包括依次层叠设置的锂片和LiAlO2保护层。


2.如权利要求1所述的锂金属负极，其特征在于，所述LiAlO2保护层的厚度为1～20nm。


3.权利要求1或2所述的锂金属负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用原子层沉积法，在锂片表面沉积LiAlO2层，得到锂金属负极。


4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述沉积LiAlO2层的过程为：
在真空反应腔室中通入铝源进行第一原子层沉积后，进行第一吹扫；通入第一水源进行第二原子层沉积后，进行第二吹扫，抽真空，记为第一亚循环；
通入锂源进行第三原子层沉积后，进行第三吹扫；通入第二水源进行第四原子层沉积，进行第四吹扫，抽真空，记为第二亚循环；
依次进行1次第一亚循环和10次第二亚循环记为第一循环；
重复所述第一循环。


5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述锂源为叔丁醇锂；所述铝源为三甲基铝。


6.如权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃飞，王明明，程晓鹏，牛佳佳，雷丹，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11