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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

技术编号:29464228 阅读:9 留言:0更新日期:2021-07-27 17:43
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
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【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

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