金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极及其制备方法，其中所述锂金属复合电极，包括集流体层、成核层和金属锂层；所述成核层在所述金属锂层与所述集流体层之间；或，所述金属锂层在所述成核层与所述集流体层之间，所述成核层由导电纳米片组成；所述集流体层为导电材料。本发明专利技术还包括制备该锂金属复合电极的制备方法，该制备方法简单易行，从金属锂表面成核的思路出发，避免了复杂的金属锂微观结构设计和制备，具有极好的实用性，得到的锂金属复合电极作为金属锂基电池负极表现出优异的循环性能，经多次充放电后表面平整，没有明显的枝晶形成。

【技术实现步骤摘要】
金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极及其制备方法
本专利技术属于二次电池领域，具体涉及一种金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极及其制备方法。
技术介绍
金属锂电池作为当今世界应用最广泛和最有发展前景的电池之一，具有比能量和放电性能高、工作和贮存寿命长、安全操作性能高和成本较低的优点。随着Li-S电池、Li-空气、Li-二氧化碳电池等新型高容量锂电池的出现，锂金属负极的安全应用成为了下一代能量存储系统的决定因素。锂金属一直被视作可再充锂电池的最理想的负极材料，它具有极高的理论比容量（3860mAh·g-1），低密度（0.59g·cm-3）和最负的电化学电势（相比标准氢电极大约-3.04V）等优异性能。然而由于锂金属负极充放电过程中存在的不可控沉积，其在重复充电/放电过程中存在枝晶生长、低库仑效率（CE）问题，导致基于锂金属负极的可充电电池至今尚未商业化。最近，研究的关注已经转移到控制锂金属的沉积生长方式来抑制锂枝晶的生长，调节锂的循环行为。通过贵金属控制锂金属的成核已经成为一项新的研究方向。但是贵金属的成本和设计纳米结构的材料也限制了它们的实际应用。因此，发展必要的锂金属设计的简易策略，设计合成可能的复合电极来控锂金属的成核及生长行为，从而实现卓越的电化学表现及成本效益，是实现锂金属进一步工业化的必要手段。
技术实现思路
针对锂金属负极充放电过程中不可控沉积，导致在其在重复充电/放电过程中枝晶无序生长的科学技术问题，本专利技术提出一种金属锂的可控成核及生长的锂金属复合电极及其制备方法。第一方面，本专利技术提供一种金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极，包括：集流体层、成核层和金属锂层；其中，成核层在金属锂层与集流体层之间，或，金属锂层在成核层与集流体层之间；成核层包括导电纳米片；集流体层为导电材料。在一些实施例中，导电纳米片的材料类型包括：金属、金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物、金属硫化物、或碳材料中的一种或多种。在一些实施例中，金属包括：铜、铝、金、银、钼、铁、锌、锡、锗、或该些金属的合金中的一种或多种；和/或，金属氧化物，包括氧化锌、氧化锡、氧化铁、四氧化三铁、氧化铟、氧化铜、或氧化锗中的一种或多种；和/或，碳材料包括：石墨烯量子点、碳纤维布、或碳纳米管薄膜中的一种或多种。在一些实施例中，导电纳米片的材料为二维材料，二维材料包括：石墨烯、氮化硼、氧化钼、二硫化钼、或过渡金属碳化物MXenes中的一种或多种；其中，过渡金属碳化物MXenes包括：Ti3C2Tx、Ti5C4、Ti4C3、Ti2C、Cr2TiC2、Hf2C、Mo2C、Mo2Ti2C3、Mo2TiC2、Mo2ScC2、Nb2C、Nb4C3、Nb5C4、V4C3、V2C、V3C2、Ta2C、Ta3C2、Ta4C3、Ta2C2、Ta5C4、Zr3C2、Zr2C、Sc2C、Cr2TiC2、或带有空位和缺陷的MXenes中的一种或多种。在一些实施例中，导电纳米片的厚度为0.3nm至100nm，片径为100nm至100μm。在一些实施例中，成核层为单层导电纳米片的均匀分散层；或，多层导电纳米片的层叠均匀分散层。在一些实施例中，集流体层的导电材料为金属材料，包括金属铜、镍、铁、或不锈钢中的一种或几种的合金；集流体层形态包括：箔状、片状、网络状、线状、或薄膜状中的一种或多种。在一些实施例中，金属锂层形态包括：金属锂带、金属锂片、金属锂线、金属锂箔、金属锂微纳米颗粒、或含有金属锂的复合材料中的一种或多种。在一些实施例中，锂复合电极的厚度为1微米至1厘米，成核层的厚度为0.3纳米至500微米，金属锂层的厚度为0.1纳米至500微米，集流体层的厚度为3微米至100微米。第二方面，本专利技术还包括一种金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极的制备方法，制备步骤包括以下两种方式：第一种方式将导电纳米片通过分散方法分散到集流体层表面得到集流体复合层；在惰性气体环境中，将金属锂通过物理方法或者化学方法制备到得到的集流体复合层上的导电纳米片的表面；或，第二种方式在惰性气体环境中，将金属锂通过物理方法或化学方法制备到集流体层表面得到集流体金属锂层；通过分散方法将导电纳米片分散到介质层上制备复合介质层；在惰性气体环境中，将复合介质层中的导电纳米片转移到上述得到的集流体金属锂层的金属锂层表面，并移除介质层。在一些实施例中，分散方法包括：Langmuir-Blodgett法、喷涂、电化学沉积、化学气相沉积、电镀、浸涂、旋涂、压滤、抽滤、3D打印、自组装中的一种；物理方法包括：辊压法、Langmuir-Blodgett法、喷涂、浸涂、旋涂、压滤、抽滤、3D打印中的一种；化学方法包括：化学气相沉积、电镀、自组装中的一种。第三方面，本专利技术还包括一种金属锂基电池，金属锂基电池包括：锂硫电池、锂金属电池、锂硫电池、锂空电池、锂二氧化碳电池，金属锂基电池内部包含本专利技术的金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极。本专利技术与现有技术相比具有的突出有益效果在于：（1）本专利技术金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极作为金属锂电池负极表现出优异的循环性能、良好的倍率性能、优异的深充深放性能和高的库伦效率，经多次充放电后表面平整，没有明显的枝晶形成。这是因为在充放电的过程中，导电纳米片起到金属锂的成核剂作用。在锂沉积过程中，金属锂在负极材料表面的导电纳米片上可控成核生长，有效地控制了尖锐锂支晶的形成，从而避免了充放电过程中锂支晶生长刺破隔膜层，导致电池短路而引发的严重安全问题。（2）本专利技术金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极中的成核层在锂金属复合电极中又能起到骨架的作用，在一定程度上抑制充放电过程中金属锂的体积膨胀，有益于提高锂金属复合电极的充放电过程中的库伦效率，延长电池的循环寿命。（3）此外本专利技术制备方法简单易行，从金属锂表面成核的思路出发，避免了复杂的金属锂微观结构设计和制备，具有极好的实用性，将制备得到的锂金属复合电极适用于金属锂基电池，在通讯设备、移动电子设备、交通工具及航天器上具有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例的成核层在金属锂层和集流体层之间的锂金属复合电极的结构示意图；图2为本专利技术实施例的金属锂层在成核层和集流体层之间的锂金属复合电极的结构示意图；图3为本专利技术实施例的锂金属复合电极结构一种制备方法的示意图；图4为本专利技术实施例的锂金属复合电极结构另一种制备方法的示意图；图5为本专利技术实施例的Langmuir-Blodgett法的实施过程的示意图；图6为本专利技术实施例的锂金属复合电极用于组装电池的一种内部结构的示意图；图7为本专利技术实施例的锂金属复合电极用于组装电池的另一种内部结构示意图；图8为本专利技术实施例锂金属复合电极对称电池在1毫安每平方厘米的电流、0.5毫安时每平方厘米的面容量下进行电化学测试结果；图9为本专利技术实施例的锂金属复合电极对称电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极，其特征在于，包括集流体层、成核层和金属锂层；其中，所述成核层在所述金属锂层与所述集流体层之间，或者所述金属锂层在所述成核层与所述集流体层之间；所述成核层包含导电纳米片；所述集流体层为导电材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极，其特征在于，包括集流体层、成核层和金属锂层；其中，所述成核层在所述金属锂层与所述集流体层之间，或者所述金属锂层在所述成核层与所述集流体层之间；所述成核层包含导电纳米片；所述集流体层为导电材料。


2.如权利要求1所述的金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极，其特征在于，所述导电纳米片的材料类型包括：金属、金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物、金属硫化物、或碳材料中的一种或多种。


3.如权利要求1或2所述的金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极，其特征在于，所述导电纳米片的材料为二维材料，所述二维材料包括：石墨烯、氮化硼、氧化钼、二硫化钼、或过渡金属碳化物MXenes中的一种或多种；其中，所述过渡金属碳化物MXenes包括：Ti3C2Tx、Ti5C4、Ti4C3、Ti2C、Cr2TiC2、Hf2C、Mo2C、Mo2Ti2C3、Mo2TiC2、Mo2ScC2、Nb2C、Nb4C3、Nb5C4、V4C3、V2C、V3C2、Ta2C、Ta3C2、Ta4C3、Ta2C2、Ta5C4、Zr3C2、Zr2C、Sc2C、Cr2TiC2或带有空位和缺陷的MXenes中的一种或多种。


4.如权利要求2所述的金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极，其特征在于，所述金属，包括：铜、铝、金、银、钼、铁、锌、锡、锗或该些金属的合金中的一种或多种；和/或，
所述金属氧化物，包括：氧化锌、氧化锡、氧化铁、四氧化三铁、氧化铟、氧化铜、或氧化锗中的一种或多种；和/或，
所述碳材料，包括：石墨烯量子点、碳纤维布、或碳纳米管薄膜中的一种或多种。


5.如权利要求1所述的金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极，其特征在于，所述导电纳米片的厚度为0.3nm至100nm，片径为100nm至100μm。


6.如权利要求1所述的金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极，其特征在于，所述成核层为单层，且由所述电纳米片均匀分散形成；或，所述成核层为多层，且由所述导电纳米片层叠均匀分散形成。

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，张迪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11