一种网格化锂金属负极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种网格化锂金属负极的制备方法，将一定配比的钝化锂金属粉末和碳纳米管分散液物理混合制成浆料后涂布在集流体表面，干燥后形成网格化锂金属负极。该网格化锂金属负极金属锂含量较高，且利用碳纳米管自组装形成的三维网络作为锂金属负极的支撑骨架，可以减缓充放电体积变化，提升电极机械特性。同时，通过碳纳米管的大比表面积优化电极电流密度分布，有效抑制了锂枝晶的生长。利用该网格化锂金属负极作为负极组装的锂电池具有很好的循环稳定性。好的循环稳定性。好的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种网格化锂金属负极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂电池
，特别是涉及一种网格化锂金属负极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]能源是人类发展的基石，随着科学技术的发展和能源需求的日益增加，迫切需要开发高效经济的储能技术。锂金属因其理论容量大(3860mAh/g)、电化学电位低(-3.04V，与标准氢电极相比)而被认为是高能量密度储能体系中最有前途的负极之一。
[0003]然而，金属锂负极在发展过程中面临着许多挑战：在电池的充放电过程中，锂金属表面不断形成的刺状锂枝晶会穿透隔膜，导致电池的短路甚至发生热失控，同时锂枝晶的生长增加了发生副反应的可能性，最终形成“死锂”；此外，由于锂的高活性，金属锂可以与大多数电解液发生反应，形成不稳定的SEI膜，会不可逆转的消耗金属锂和电解液，而且，锂金属在充放电过程中体积变化巨大，可能导致不稳定SEI膜的破裂。在实际应用中，这些问题相互交织在一起，严重影响了锂离子电池的库伦效率和使用寿命，安全问题也受到了广泛关注。因此，对锂金属负极的改性探究势在必行。
[0004]近十年来，人们对清洁、可持续能源的广泛探索，使锂金属负极的研究重新活跃起来。针对上述问题，研究者普遍采用的方法是通过优化电解液添加剂、负极表面修饰等手段进行锂金属保护，抑制枝晶效果显著，而且部分先导工作对各种锂电极及表面SEI膜的机械性能进行拉伸等力学表征。但这些工作尚存在一定不足：
①
难以避免锂金属的过量添加(实际添加量通常相当于15～150倍的理论需求量)；
②
由于锂金属的空气敏感的特性无法在空气中操作，影响大规模推广应用；
③
由于锂金属在充放电过程中大量溶出、沉积且体积变化巨大，需要对锂金属中加载稳定骨架支撑。这些问题都需要研究者们进一步的探索，以实现高性能的锂金属负极。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术不能满足高性能锂金属负极的需求，而提供一种网格化锂金属负极的制备方法，将一定配比的钝化锂金属粉末和碳纳米管分散液物理混合制成浆料后涂布在集流体表面，干燥后形成网格化锂金属负极。该网格化锂金属负极金属锂含量较高，且利用碳纳米管自组装形成的三维网络作为锂金属负极的支撑骨架，可以减缓充放电体积变化，提升电极机械特性。同时，通过碳纳米管的大比表面积优化电极电流密度分布，有效抑制了锂枝晶的生长。
[0006]本专利技术的另一目的是提供上述制备方法制备的网格化锂金属负极。
[0007]本专利技术的另一目的是提供上述网格化锂金属负极在锂电池中的应用。
[0008]本专利技术的另一目的是提供一种锂电池。
[0009]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0010]一种网格化锂金属负极的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1：将钝化锂金属粉末和碳纳米管分散液研磨混合得浆料；
[0012]其中，钝化锂金属粉末和碳纳米管分散液中固体的质量比为(85-98)：(2-15)；
[0013]所述钝化锂金属粉末中金属锂的质量分数为97-99％；所述碳纳米管分散液中固体含量为0.1-20％。
[0014]步骤2：将所得浆料涂布在集流体表面，干燥，在集流体表面形成涂层，得到极片；
[0015]其中，涂层的厚度为500-1000μm；
[0016]干燥方法为：待表面风干之后使用真空干燥箱50-60℃下干燥5-10h。
[0017]步骤3：将所得极片冲裁成直径为6-12mm的小圆片、加压活化得网格化锂金属负极；
[0018]其中，活化压力为6-10Mpa，活化时间为1-3min。
[0019]本专利技术的另一方面是提供上述制备方法制备的网格化锂金属负极，所述网格化锂金属负极的涂层中金属锂含量大于85wt％。
[0020]本专利技术的另一方面是提供上述网格化锂金属负极在锂电池中的应用。
[0021]本专利技术的另一方面是提供一种锂电池，包括正极、隔膜、电解液和上述网格化锂金属负极，所述正极为锂硫正极或三元材料正极。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0023]1.锂金属作为负极活性物质具有极高的比容量，对实现高比能量密度的能量存储体系有极重要作用。本申请中的网格化锂金属负极能够有效匹配多种高比容量的正极，并应用于各种锂离子电池中，从而制备更高能量密度的新型电池。
[0024]2.本专利技术提供的网格化锂金属负极的制备方法，将钝化锂金属粉末应用于锂金属负极的制备，与碳纳米管物理结合后形成了碳纳米管包覆钝化锂金属粉末的网格化极片结构。该结构的优势在于，网格状的碳纳米管不但可以提供较好的电荷输运通路和稳定的结构支撑，缓解锂金属负极在充放电过程中锂的大量溶出、沉积所引起的巨大体积膨胀，并更可以防止锂金属负极在循环过程中的粉化。
[0025]3.本专利技术提供的可调控面积容量的网格化锂金属负极。首先，由于该负极制备过程中使用碳纳米管分散液作为导电添加剂，而且极片中无需额外添加粘合剂，可有效提高极片涂层中锂金属的含量85％-98％；并可以利用对涂制浆料配比、刮刀厚度等工艺参数的改变，实现该负极面积容量的可控调节(2～20mAh cm-2
)。由此，可以根据不同电池体系中的正极(或对电极)所需的面积容量进行合理匹配，避免使用锂箔负极过程中锂金属的过量添加的行业难题。
[0026]4.本专利技术提供的网格化锂金属负极的制备方法与锂电池工艺兼容性较好。本专利技术所使用钝化锂金属粉末所具有的碳酸锂保护层使其具有空气和溶剂的稳定性。这使得钝化锂金属粉末能够干燥的空气(湿度为0)中操作，并与锂电池工艺常规的混料、涂制、辊压等工艺兼容性好。
[0027]5.本专利技术提供的网格化锂金属负极可以有效抑制锂枝晶，对锂金属负极界面稳定性有极大的提升作用。该网格化锂金属负极所组成的对称锂电池，在700个小时的循环后依然可以保持极稳定的锂沉积-脱出性能，相比于普通金属锂箔负极组成的对称电池循环稳定性更好。同时，利用该网格化锂金属负极与锂硫、三元等正极组成的扣式电池，可以实现稳定的循环。
附图说明
[0028]图1为实施例1制备新型锂金属负极的浆料制备及涂布实验过程；
[0029](a)为用刮刀将浆料涂布在铜箔上形成的极片；(b)为烘干后的极片；
[0030]图2为实施例1制备的网格化锂金属负极的SEM图(a、b)和理论结构示意图(c)；
[0031]图3为实施例1和对比例1组装的两种对称电池在电流密度为1mA cm-2
时的恒电流沉积-剥离测试图；
[0032](a)为实施例1；(b)为对比例1；
[0033]图4所示为实施例2所得网格化SLMP作负极的锂硫电池的循环性能图；
[0034]图5所示为实施例3所得网格化SLMP作对电极的硅负极锂离子电池的循环性能图；
[0035]图6所示为实施例4所得网格化SLMP作负极的三元锂离子电池的循环性能图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种网格化锂金属负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将钝化锂金属粉末和碳纳米管分散液研磨混合得浆料；步骤2：将所得浆料涂布在集流体表面，干燥，在集流体表面形成涂层，得到极片；步骤3：将所得极片冲裁、加压活化得网格化锂金属负极。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，钝化锂金属粉末和碳纳米管分散液中固体的质量比为(85-98)：(2-15)。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述钝化锂金属粉末中金属锂的质量分数为97-99％；所述碳纳米管分散液中，固体含量为0.1-20％。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述涂层厚度为500-1000μm。5.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾果，毛文峰，王金，许子佳，孙相如，
申请(专利权)人：天津师范大学，
类型：发明
国别省市：