一种具有三维结构的锂金属负极、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种具有三维结构的锂金属负极、其制备方法及应用，所述的制备方法包括：在胶带表面按轧切出预设形状的镂空结构，得到模切胶带，将模切胶带的粘性面粘贴于锂铜复合带的锂层一侧，压实后撕下模切胶带，形成具有预设形状的锂层凸起结构，得到所述的具有三维结构的锂金属负极。本发明专利技术在制备得到的锂金属负极表面以“转印”的方式制作保护层，并将该具有保护层的三维结构锂金属负极应用于固态电池领域。池领域。池领域。

【技术实现步骤摘要】
一种具有三维结构的锂金属负极、其制备方法及应用


[0001]本专利技术属于锂电池
，涉及一种具有三维结构的锂金属负极、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着消费电子产品、电动汽车的迅速发展，对电池的能量密度、安全可靠性及使用寿命的需求不断飙升。锂金属具有极高的理论比容量(3860mAh/Kg)和最低的电位(-3.04V)，因此锂金属二次电池是下一代高能量密度储能器件的首选体系。固态电池由于其内部不存在电解液，很好地避免了因为电解液的泄露等问题而造成的安全隐患，同时固态电池具有能量密度高、无记忆效应等优点而受到研究人员的广泛关注。
[0003]然而，由于锂金属的反应活性很高，与固态电解质不稳定的现象一直存在，锂金属与固态电解质的反应会造成电池内部阻抗增大，影响电池循环的倍率性能。另外固态电解质层中存在很多的空隙，在循环过程中很容易被锂枝晶刺穿，导致电池出现微短路，降低电池的循环寿命。
[0004]通过在锂金属的表面上形成三维结构可以增加电极的比表面积，从而可以降低有效电流密度；同时在锂金属负极表面覆盖一层能够阻挡锂枝晶，防止锂金属负极与电解质层直接接触而发生反应且能够减小界面阻抗的保护层是最为理想的。
[0005]目前制备三维锂金属负极的方法多为在负极集流体上使用掩模，再通过在设置有掩模的集流体通过蒸镀、溅射等手段来形成三维金属锂。但蒸镀、溅射等工艺操作时间较长，一次操作需要数小时之久，且制备样品的尺寸受限于蒸镀、溅射设备的仓位尺寸大小，这就限制了物理沉积手段的大规模应用。
>[0006]现有锂金属表面保护层制备方法的缺点：
[0007](1)在锂金属表面制备的合金保护层：现有的制备方法一般是液相法，利用氯化铟，氮化铝等无机粉末配成的溶液，涂覆在锂金属表面进行反应生成合金层。这种方法由于溶剂的存在会引入多种杂质，进而增加整个电池的阻抗，而且不同批次之间的反应程度会有差异，导致合金保护层一致性差。
[0008](2)聚合物膜作为锂金属负极保护层，用PEO、PVDF、PAN等聚合物加锂盐制成的聚合物膜，虽然能够有效降低固态电解质层与锂金属负极之间的界面阻抗，但聚合物膜一般机械强度较差，很难阻挡锂枝晶的刺穿，对延长电池的循环寿命方面作用不大。
[0009](3)在锂金属表面通过蒸镀、溅射等物理沉积手段在锂表面形成合金层。该方法能够在锂金属表面形成均匀的合金保护层，但由于物理沉积设备的限制，沉积的保护层厚度一般只能在纳米级别，一般不超过200nm，可造作性较差。且蒸镀、溅射等工艺操作时间较长，一般形成几十纳米的保护层需要数小时之久。这就限制了物理沉积手段的大规模应用。
[0010](4)在锂金属表面干法刮涂一层石墨或其它碳层，对锂金属进行保护。该方法很难控制保护层的厚度，且保护层很难制备均匀。
[0011]CN107863488A公开了一种复合锂金属负极片的制备方法，由压制后的编织锂网构
成复合的锂片主体结构，在编织锂网表面设置保护层构成复合锂金属网的支撑结构；具体步骤如下：选取直径为10微米～2000微米锂丝，将锂丝编织成多孔锂网；采用常规的磁控溅射、蒸镀或气相包覆方法，在锂网的外表面包覆保护层构成复合锂金属网的支撑结构；将上述制备复合锂金属网通过原位压制方法制成复合锂金属负极片。
[0012]CN108832131A公开了一种锂金属负极的制备方法，包括如下步骤：(1)在锂金属箔材上制备通透孔洞，孔直径在100nm～1mm，孔距为500nm～1cm；(2)将功能胶涂覆于造孔后的锂金属箔材正反面；(3)在50～150℃下真空干燥即可得到锂金属负极，干燥后的功能胶层厚度为100nm～10μm。
[0013]CN111435756A公开了一种锂电池，包括：依次叠放的锂金属负极片、固态电解质层和正极片，其中：所述固态电解质层靠近所述锂金属负极片的一面具有金属镀层，所述金属镀层采用物理气相沉积法形成，所述金属镀层与所述锂金属负极片相连且在二者的连接处镀层金属与锂金属形成合金层。
[0014]为了解决目前三维锂金属层制备时间过长、尺寸受限的缺点。且现有锂金属保护层：1.液相法制备的合金保护层一般杂质较多，影响充放电过程中锂离子的均匀沉积，并不能很好地抑制锂枝晶的产生；2.聚合物膜机械强度不够，容易被锂枝晶刺穿，影响电池循环寿命等问题；3.物理沉积手段形成的保护层厚度很难做厚，调控空间较小，且耗时较长；4.在锂金属表面干法刮涂一层石墨或其它碳层，对锂金属进行保护。现有方法很难控制保护层的厚度，且保护层很难制备均匀的缺点，需要重新对锂金属负极的制备工艺及包覆保护层的工艺进行改进。

技术实现思路

[0015]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种具有三维结构的锂金属负极、其制备方法及应用，本专利技术提供了一种能够快速且大规模制备三维结构的锂金属负极的方法，在制备得到的锂金属负极表面以“转印”的方式制作保护层，并将该具有保护层的三维结构锂金属负极应用于固态电池领域。
[0016]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0017]第一方面，本专利技术提供了一种具有三维结构的锂金属负极的制备方法，所述的制备方法包括：
[0018]在胶带表面按轧切出预设形状的镂空结构，得到模切胶带，将模切胶带的粘性面粘贴于锂铜复合带的锂层一侧，压实后撕下模切胶带，形成具有预设形状的锂层凸起结构，得到所述的具有三维结构的锂金属负极。
[0019]目前制备三维结构的锂金属负极的方法多为在负极集流体上使用掩模，在设置有掩模的集流体表面通过蒸镀、溅射等手段形成三维金属锂。但蒸镀、溅射等工艺操作时间较长，一次操作需要数小时之久，且制备样品的尺寸受限于蒸镀、溅射设备的仓位尺寸大小，从而就限制了物理沉积手段的大规模应用。而本申请通过镂空结构的模切胶带，将锂铜复合带上不需要的锂层部分粘离脱落，而需要的锂层部分则会因为镂空结构的存在而保留在铜集流体表面，与传统的蒸镀、溅射等手段相比，本申请的操作简单、生产成本低、周期短且可大规模制备。
[0020]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的锂铜复合带包括层叠设置的锂层和铜
层。
[0021]优选地，所述的锂层厚度为1～50μm，例如可以是1μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0022]优选地，所述的铜层厚度为5～15μm，例如可以是5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm或15μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0023]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的预设形状包括圆形、正方形、矩形或三角形，进一步优选为正方形。
[0024]优选地，所述的正方形的边长为0.1～0.2mm，例如可以是0.1mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有三维结构的锂金属负极的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：在胶带表面按轧切出预设形状的镂空结构，得到模切胶带，将模切胶带的粘性面粘贴于锂铜复合带的锂层一侧，压实后撕下模切胶带，形成具有预设形状的锂层凸起结构，得到所述的具有三维结构的锂金属负极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的锂铜复合带包括层叠设置的锂层和铜层；优选地，所述的锂层厚度为1～50μm；优选地，所述的铜层厚度为5～15μm。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的预设形状包括圆形、正方形、矩形或三角形，进一步优选为正方形；优选地，所述的正方形的边长为0.1～0.2mm；优选地，相邻两个正方形之间的距离为0.1～0.2mm；优选地，所述的预设形状的镂空结构铺满整个胶带表面；优选地，所述的压实方式采用辊压、平板压或等静压；优选地，所述的压实压力为3～10MPa。4.一种采用权利要求1-3任一项所述的制备方法制备得到的锂金属负极。5.一种在权利要求4所述的锂金属负极表面制备保护层的方法，所述方法包括：炭黑、粘结剂和溶剂按比例混合后形成的浆料涂布于离型膜上，得到一侧涂覆有炭层的离型膜，将离型膜的炭层一侧贴附于权利要求4所述的锂金属负极的锂层一侧，压实后炭层与具有预设形状的凸起结构锂层相互嵌合，使得炭层作为保护层包覆于锂金属负极表面，撕去离型膜后得到表面包覆有保护层的锂金属负极...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞杰，王磊，黄海强，陈少杰，周龙捷，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技无锡有限公司，
类型：发明
国别省市：