一种锂金属电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电极及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的锂金属电极中的三维网状结构可以有效的加快电荷转移和降低界面阻力；与纯锂电极相比，其具有大的比表面积，可产生较低的局部电流密度，使得电荷分布均匀，Li沉积时会变得平滑并降低其生长速率，所述Al

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属电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电极及其制备方法和应用。
技术介绍
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，由于锂金属的不均匀沉积，造成SEI膜的持续破裂和形成，在循环过程中，SEI膜的不稳定又会进一步加速枝晶的生成，形成“死锂”，导致循环稳定性下降，安全问题提升；循环过程中不受限的体积变化，导致材料内部应力变化和界面波动，造成电池容量的不可逆损失。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锂金属电极及其制备方法和应用，所述锂金属电极在循环过程中具有较高的稳定性。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电极，包括依次层叠设置的锂片、Al2O3层、碳纳米管层和Li3PO4层；所述碳纳米管层为三维网状结构。优选的，所述Al2O3层的厚度为1～10nm。优选的，所述Li3PO4层的厚度为1～15nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂金属电极的制备方法，包括以下步骤：采用原子层沉积法，在锂片表面沉积Al2O3，得到Al2O3层；在所述Al2O3层的表面涂覆碳纳米管分散液，得到碳纳米管层；采用原子层沉积法，在所述碳纳米管层表面沉积Li3PO4层，得到所述锂金属电极。优选的，所述沉积Al2O3的过程为：在气压值<0.1Pa的真空反应腔室中，通入铝源进行原子层沉积后，吹扫残余气体和副产物；通入水源进行原子层沉积后，吹扫残余气体和副产物，抽真空至<0.1Pa；循环上述过程；所述真空反应腔室的温度为130～150℃，铝源和水源的温度为室温。优选的，所述铝源的通入时间为0.2～1s，通入铝源进行原子层沉积的时间为0.5～1s；所述水源的通入时间为0.2～1s，通入水源进行原子层沉积的时间为0.5～1s。优选的，所述碳纳米管分散液中碳纳米管的浓度为0.1～0.3g/L。优选的，所述沉积Li3PO4层的过程为：在气压值<0.1Pa的真空反应腔室中，通入锂源进行原子层沉积后，吹扫残余气体和副产物；通入磷源进行原子层沉积后，吹扫残余气体和副产物，抽真空至<0.1Pa；循环上述过程；所述真空反应腔室的温度为225～250℃，所述锂源的温度为180℃，所述磷源的温度为90℃。优选的，所述锂源的通入时间为0.1～2s，通入锂源进行原子层沉积的时间为2～5s；所述磷源的通入时间为0.2～3s，通入磷源进行原子层沉积的时间为1～6s。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂金属电极或上述技术方案所述的制备方法制备得到的锂金属电极在锂离子电池中的应用。本专利技术提供了一种锂金属电极，包括依次层叠设置的锂片、Al2O3层、碳纳米管层和Li3PO4层；所述碳纳米管层为三维网状结构。所述三维网状结构可以有效的加快电荷转移和降低界面阻力；与纯锂电极相比，其具有大的比表面积，可产生较低的局部电流密度，使得电荷分布均匀，Li沉积时会变得平滑并降低其生长速率，所述Al2O3层和Li3PO4层能够容纳电池循环过程中的体积膨胀，减少锂离子的优先沉积，促进锂金属表面的均匀沉积，使锂枝晶得到有效的抑制，提高电池的稳定性和循环寿命；且本专利技术所述的锂金属电极的结构特点可以减少材料的内部应力和界面波动，从而提高电池整体的机械稳定性及其完整性。本专利技术还提供了上述技术方案所述锂金属电极的制备方法，包括以下步骤：采用原子层沉积法，在锂片表面沉积Al2O3，得到Al2O3层；在所述Al2O3层的表面涂覆碳纳米管分散液，得到碳纳米管层；采用原子层沉积法，在所述碳纳米管层表面沉积Li3PO4层，得到所述锂金属电极。所述原子层沉积法可以使Al2O3层和Li3PO4层更致密、更均匀，能够更进一步的减少电池循环过程中锂离子的优先沉积，促进锂金属表面的均匀沉积，使锂枝晶得到有效的抑制，提高电池的稳定性和循环寿命。附图说明图1为本专利技术所述锂金属电极的结构示意图；图2为实施例1制备得到的锂金属电极和纯锂片的循环性能图。具体实施方式本专利技术提供了一种锂金属电极，包括依次层叠设置的锂片、Al2O3层、碳纳米管层和Li3PO4层；所述碳纳米管层为三维网状结构。本专利技术提供的锂金属电极包括锂片。本专利技术对所述锂片没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知应用于锂离子电池中的锂片即可。在本专利技术的实施例中，具体采用厚度为0.5nm的锂片。本专利技术提供的锂金属电极还包括Al2O3层，所述Al2O3层的厚度优选为1～10nm，更优选为2～8nm，最优选为4～6nm。在本专利技术中，所述Al2O3层为保护层，可以改善接触界面的亲锂性，同时兼具均匀沉积和减缓体积膨胀的优点，抑制锂枝晶的生长。本专利技术提供的锂金属电极还包括碳纳米管层，所述碳纳米管层为三维网状结构。所述碳纳米管层的厚度优选为1～5μm，更优选为2～4μm，最优选为3μm。在本专利技术中，所述碳纳米管层和Al2O3包覆的锂表面能够很好的结合，提高三维结构的储锂性能。本专利技术提供的锂金属电极还包括Li3PO4层，所述Li3PO4层的厚度优选为1～15nm，更优选为5～10nm。在本专利技术中，所述Li3PO4层可以提供高的离子电导率，使三维结构能够保持极好的离子传输性能，促进电池循环过程中负极锂离子的均匀沉积，降低锂枝晶的产生和生长。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂金属电极的制备方法，包括以下步骤：采用原子层沉积法，在锂片表面沉积Al2O3，得到Al2O3层；在所述Al2O3层的表面涂覆碳纳米管分散液，得到碳纳米管层；采用原子层沉积法，在所述碳纳米管层表面沉积Li3PO4层，得到所述锂金属电极。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。本专利技术采用原子层沉积法，在锂片表面沉积Al2O3，得到Al2O3层。在本专利技术中，所述沉积Al2O3的过程优选为：在气压值<0.1Pa的真空反应腔室中，通入铝源进行原子层沉积后，吹扫残余气体和副产物；通入水源进行原子层沉积后，吹扫残余气体和副产物，抽真空至<0.1Pa；循环上述过程；所述真空反应腔室的温度优选为130～150℃，系统管路、铝源和水源的温度优选为室温。在本专利技术中，所述真空反应腔室的气压值优选通过在通入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂金属电极，其特征在于，包括依次层叠设置的锂片、Al

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电极，其特征在于，包括依次层叠设置的锂片、Al2O3层、碳纳米管层和Li3PO4层；
所述碳纳米管层为三维网状结构。


2.如权利要求1所述的锂金属电极，其特征在于，所述Al2O3层的厚度为1～10nm。


3.如权利要求1或2所述的锂金属电极，其特征在于，所述Li3PO4层的厚度为1～15nm。


4.权利要求1～3任一项所述的锂金属电极的制备方法，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Al2O3，得到Al2O3层；
在所述Al2O3层的表面涂覆碳纳米管分散液，得到碳纳米管层；
采用原子层沉积法，在所述碳纳米管层表面沉积Li3PO4层，得到所述锂金属电极。


5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述沉积Al2O3的过程为：在气压值<0.1Pa的真空反应腔室中，通入铝源进行原子层沉积后，吹扫残余气体和副产物；通入水源进行原子层沉积后，吹扫残余气体和副产物，抽真空至<0.1Pa；循环上述过程；
所述真空反应腔室的温度为130～150℃，铝源和水源的温度为室温。


6.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃飞，曹天赐，王明明，程晓鹏，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