一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于锂金属电池技术领域，具体涉及一种金属锂/纳米h‑BN粉膜层的构造及其制备方法和应用。本发明专利技术所设计和制备的集流体/纳米h‑BN粉膜层，在充电前，纳米h‑BN粉膜层与集流体相连；在含Li电解液中充电后，金属锂沉积在集流体和纳米h‑BN粉膜层之间作为中间层，部分金属锂存在于纳米h‑BN粉膜层间隙中。本发明专利技术所设计和制备的金属锂/纳米h‑BN粉膜层的构造用作锂金属二次电池的负极时，表现出优异的电化学性能和循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造及其制备方法和应用
本专利技术属于锂金属电池
，具体涉及一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造及其制备方法和应用。
技术介绍
锂离子电池(LIBs)由于具备优越的综合电化学性能，已广泛应用于消费电子领域，电动汽车、大型储能设备等的发展迫切需要更高功率密度、更高能量密度的锂离子电池。传统的石墨负极材料(理论比容量仅为372mA·h/g)已经远远不能满足人们对高性能锂离子电池的需求，而金属锂具有高的理论比容量(3860mA·h/g)、很低的密度(0.59g/cm3)和最负的电极电势(-3.04Vvs.H+/H2)，是构建高比能电池的理想负极材料。金属锂负极虽然具有低电极电势、高比容量等的优势，但同时也存在易产生锂枝晶、充放电过程中有巨大的体积变化、锂与电解液之间的高反应活性等问题。针对锂金属负极存在的问题，主要有三种解决手段：电解液组份的调控；锂负极合金化，与集流体结构改性；界面工程。其中，界面工程一直是研究的热点，即通过各种方法用各种相关的无机物与有机物来修饰金属锂表面，以减缓金属锂与电解质的反应，抑制锂枝晶的产生。最近已有人关注h-BN在稳定金属锂负极方面的作用。以化学气相法的方式在集流体与电解质中间建立超薄h-BN致密膜，利用网状膜层抑制锂枝晶的生长；将微细h-BN粉体填充多孔隔离膜，阻挡锂枝晶穿到正极；将h-BN纳米粉溶入金属锂，改善金属锂与固体电解质的润湿性以消除固态锂离子电池中的孔洞。专利技术人认为，h-BN能在放电中起到关键作用是它的化学惰性作用，物理上可通导锂离子，在强电场中具有稳定性特征引起的，它的作用是在SEI膜中实现的，因此提出金属锂/h-BN涂覆膜的构造及制备方法。在此构造的条件下，发现了一系列的现象，能够解释放电性能的提高。依据理论上新的认识，本专利技术技术实现方法简单，效果明显，对提高锂金属负极的使用可靠性有很大的作用，在锂离子电池、锂-硫电池、锂固态电池中锂金属负极的认识与应用具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种涂层改性锂金属负极及其制备方法。在二维集流体表面覆盖一层纳米级h-BN粉组成的厚度到微米级膜层，充电后金属锂沉积到集流体与膜层之间，形成金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造，从而大幅提高电池的库伦效率与循环寿命。本专利技术还提供了实现金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法。本专利技术还提供了实现金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的应用。本专利技术一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造，在充电前，纳米h-BN粉膜层与集流体相连；在含Li电解液中充电后，金属锂沉积在集流体和纳米h-BN粉膜层之间作为中间层，部分金属锂存在于纳米h-BN粉膜层间隙中。本专利技术一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造，所述集流体的材质选自铜、铜合金、铝、铝合金中的一种。当然其他二维集流体均可用于本专利技术。本专利技术一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造，纳米h-BN粉膜层的厚度为1-25μm。在本专利技术中纳米h-BN粉膜层的厚度涵盖了6μm、8～10μm、14～16μm、18～19μm，优选为14-16μm、进一步优选为15μm。本专利技术一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法，包括以下步骤：步骤1：对h-BN粉末进行分散、烘干处理；步骤2：将h-BN粉末按照设定的比例配制成浆料,并均匀混合；步骤3：对集流体进行前处理；步骤4：将浆料均匀的涂覆在集流体上，并进行充分干燥，得到流体/纳米h-BN粉膜层；步骤5：在含Li电解液中充电后，锂沉积到集流体与纳米h-BN粉膜层之间，得到金属锂/纳米h-BN粉膜层构造物。本专利技术一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法，所述h-BN粉末平均粒径为50nm-1μm。更为优选地，h-BN粉末平均粒径可以为50nm～200nm、300～500nm、800～1000nm，进一步优选为300～500nm。h-BN粉末粒径过大，粉膜层中的粉末堆积密度过高，对锂离子的迁移阻力较大，不利于锂离子在集流体上的沉积和脱离行为；h-BN粉末粒径过小，粉膜层中的粉末堆积不够致密，会使粉末层构造蓬松，阻碍锂枝晶生长的作用减小。因此选择平均粒径为300nm-500nm的h-BN粉末最合适。本专利技术一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法，步骤1中所述分散、烘干处理具体为：将h-BN粉末用醇进行超声分散15～60min、优选为20～40min,再进行真空干燥。本专利技术一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法，步骤2中所述h-BN浆料的配制为：将h-BN与PVDF置于溶剂中，搅拌均匀；得到浆料；所述h-BN与PVDF的质量比为5:1-15:1：1、优选为7:1-13:1：1、进一步优选为9:1；所述溶剂优选为NMP；所述溶剂按1mgPVDF对应使用20-30μlNMP的比例进行配取。PVDF作为粘结剂，用量过少，会使h-BN粉末之间的结合不紧密，易脱落，降低活性物质(h-BN)的利用率；PVDF过多，在总量不变条件下，活性物质(h-BN)的量会减少，同时粘结剂包裹在活性物质周围也大大减少活性物质的有效面积，降低其利用率。因此本专利技术中h-BN与PVDF的质量比优选为9:1。NMP作为溶剂与PVDF相互作用形成胶粘剂，对粉膜层有较强附着力。当NMP用量过少时，配制的浆料黏度太大，流动性太差，无法实现在集流体上均匀涂布；当NMP用量过多时，配制的浆料黏度太小，会在集流体上自流动，难以在集流体上实现某一厚度的均匀涂布。本专利技术一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法，步骤2中所述h-BN浆料的配置为，先将NMP与PVDF在70～85℃、优选为80℃下均匀混合1-3h，然后加入h-BN粉末一起高速搅拌2～5min，再加入搅拌珠高速搅拌2-4次，每次3-4min，所述高速搅拌的转速为1000-2000转/min。在工程上应用时，搅拌珠的材质优选为氧化锆。作为优选，搅拌珠的粒径为3～8mm、进一步优选为3～5mm。本专利技术一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法，步骤3中所述集流体为铜箔；所述前处理为将集流体裁剪设定尺寸后，用醇进行清洗，再干燥。本专利技术一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法，步骤4中，涂层厚度为1-25μm，优选为6-19μm；更为优选地，涂层厚度为6～8、14～15、18～19μm，进一步优选为15μm；步骤4中，干燥分为2步，第一步是鼓风干燥4h-6h，温度60-90℃，第二步是真空干燥12h-14h,温度100-120℃。鼓风干燥的目的是烘走极片中大部分的水分和少部分的NMP，使集流体表面的浆料初步干燥，便于后续将其裁剪为一定尺寸的极片再进行真空干燥。真空干燥的目的是完全去除极片中的水分和NMP，对于NMP油系的烘烤温度需要100℃以上，在能够烘干的前提下，尽量降低烘烤温度，增加烘烤时间。只采用一步干燥，则无法充分烘干极片中的水分。最为优选工艺，本专利技术将浆料均匀的涂覆在集流体的一面上时，采用一次涂覆的工艺进行。本专利技术一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造，其特征在于：在充电前，纳米h-BN粉膜层与集流体相连；在含Li电解液中充电后，金属锂沉积在集流体和纳米h-BN粉膜层之间作为中间层，部分金属锂存在于纳米h-BN粉膜层间隙中。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造，其特征在于：在充电前，纳米h-BN粉膜层与集流体相连；在含Li电解液中充电后，金属锂沉积在集流体和纳米h-BN粉膜层之间作为中间层，部分金属锂存在于纳米h-BN粉膜层间隙中。


2.根据权利要求1所述的一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造，其特征在于：纳米h-BN粉膜层的厚度为1-25μm、优选为6-19μm、更优选为14-16μm。


3.一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：对h-BN粉末进行分散、烘干处理；
步骤2：将h-BN粉末按照设定的比例配制成浆料,并均匀混合；
步骤3：对集流体进行前处理；
步骤4：将浆料均匀的涂覆在集流体上，并进行充分干燥，得到集流体/纳米h-BN粉膜层；
步骤5：在含Li电解液中充电后，锂沉积到集流片与纳米h-BN粉膜层之间，得到金属锂/纳米h-BN粉膜层构造物。


4.根据权利要求3所述的一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法，其特征在于：所述h-BN粉末平均粒径为50nm-1μm。


5.根据权利要求3所述的一种金属锂/纳米h-BN粉膜层的构造的制备方法，其特征在于：步骤1中所述分散、烘干处理具体为：将h-BN粉末用醇进行超声分散15～60min、优选为20～40min，再进行真空干燥。


6.根据权利要求3所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志坚，刘小玉，陈立宝，黄海锋，陈月皎，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43