耐高温金属锂负极及其制备方法和用途技术

公开了耐高温金属锂负极及其制备方法和用途。耐高温金属锂负极包括金属锂芯；与所述金属锂芯接触的极耳；以及用于包封所述金属锂芯的包封层，其中包封层包括多孔保护层和外部封装层，所述多孔保护层由耐高温材料形成，包封所述金属锂芯的除极耳接触部分以外的全部结构；所述外部封装层为固态电解质层，形成于所述多孔保护层的与金属锂芯主表面相反的表面上，或者形成在所述多孔保护层的全部外表面上。本发明专利技术解决了常规金属锂负极高温下熔融失效的问题，使用本发明专利技术的金属锂负极，即使在超过金属锂的熔点的工作环境下，耐高温金属锂负极依然可以执行负极的功能，而不会破坏电池结构，导致电池失效。

【技术实现步骤摘要】
耐高温金属锂负极及其制备方法和用途
本专利技术涉及锂电池
，尤其涉及一种可用于一次锂电池和二次锂电池的金属锂负极及其制备方法和用途。
技术介绍
锂电池因其能量密度高，循环寿命长和适用温度范围广的优点而被广泛的应用于航空航天，计算机，移动通讯设备，机器人和电动汽车等领域。金属锂可作为先进高能量密度电池的负极，如锂硫电池/全固态电池/锂空气电池等。这些电池的单体能量密度高于目前成熟的锂离子电池，因此，也是未来需要大力发展的电池形态。但是金属锂本身熔点较低，为180℃，在电池使用过程中，特别是在过充电、电池器件失效或外部高温等恶劣工况下，很容易使电池温度达到180℃，引发金属锂负极熔融，进而导致整个电池结构的破坏，引发电池安全事故。因此，确有必要提供一种耐高温金属锂负极，使得金属锂负极可用于高于金属锂熔点的温度环境下。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种耐高温金属锂负极及其制备方法和用途。本专利技术的金属锂负极工作温度可以超过180℃，即使金属锂熔融后，电池的结构也不会被破坏，熔融金属锂也可发挥负极作用，不会使电池发生失效。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现。本专利技术的一个方面提供一种耐高温金属锂负极，所述耐高温金属锂负极包括：金属锂芯；与所述金属锂芯接触的极耳；以及用于包封所述金属锂芯的包封层，其中所述金属锂芯由支撑骨架和负载在支撑骨架上的金属锂或锂合金形成，具有上下两个主表面和位于两个主表面之间的侧表面；所述包封层包括多孔保护层和外部封装层，所述多孔保护层由耐高温材料形成，与所述金属锂芯接触并且包封所述金属锂芯的除极耳接触部分以外的全部结构；所述外部封装层为固态电解质层，形成于所述多孔保护层的与金属锂芯主表面相反的表面上，或者形成在所述多孔保护层的全部外表面上。可选地，所述支撑骨架具有由导电纤维或改性不导电纤维形成的三维多孔结构，其中，所述改性不导电纤维用导电剂处理而具有导电功能。可选地，所述支撑骨架表面用纳米金属颗粒进行表面处理。可选地，所述多孔保护层具有小于10微米的平均孔隙直径，可选地，所述多孔保护层由选自耐高温高分子材料、耐高温无机材料和耐高温金属有机框架材料的耐高温材料形成。本专利技术的另一个方面提供一种制备上述耐高温金属锂负极的方法，所述方法包括：步骤1，制备金属锂芯通过辊压、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积或熔融涂布将金属锂或锂合金负载在支撑骨架上，形成金属锂芯，所述金属锂芯具有相对的两个主表面和介于两个主表面之间的侧表面；步骤2，制备多孔保护层采用静电纺丝、蒸镀、磁控溅射或化学气相沉积在金属锂芯的表面上形成多孔保护层；步骤3，制备外部封装层通过涂布、浸涂、气相沉积或磁控溅射在多孔保护层与金属锂芯的主表面相反的表面上形成外部封装层，任选地，在位于金属锂芯侧表面上的多孔保护层上采用与外部封装层相同或不同的材料进行封装，其中，在进行步骤1的同时或在进行步骤1之后且进行步骤2之前通过辊压将极耳结合到金属锂芯。可选地，所述支撑骨架通过静电纺丝制备。可选地，步骤1还包括对支撑骨架进行表面处理。可选地，所述支撑骨架表面处理方式包括蒸镀、磁控溅射、气相沉积、熔融涂布。可选地，所述步骤1还包括对金属锂芯进行表面抛光、整平。本专利技术的再一个方面提供如上所述的耐高温金属锂负极的用途，其用于锂离子电池、锂硫电池、准固态电池、全固态电池或锂空气电池。本专利技术的技术方案至少具有以下优点之一：1、解决了常规金属锂负极不耐高温的问题，即使超过金属锂的熔点，耐高温金属锂负极依然可以执行负极的功能，而不会破坏电池结构，导致电池失效。2、使用本专利技术制备的耐高温金属锂负极组装的锂电池，即使发生热失控，该负极结构也不会遭到破坏，这样可避免熔融金属锂泄露。3、本专利技术的耐高温金属锂负极可以广泛应用于一次电池和二次电池。附图说明图1是本专利技术制备的耐高温金属锂负极的一个剖视图。图2是本专利技术实施例1制备的耐高温金属锂负极200℃高温下循环次数与电池比容量的关系图附图标记说明：1支撑骨架2金属锂或锂合金3多孔保护层4外部封装层5极耳具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述。应当理解，在不脱离本专利技术的范围或精神的情况下，本领域技术人员能够根据本公开的教导设想其他各种实施方案并能够对其进行修改。因此，以下的具体实施方式不具有限制性意义。图1是本专利技术制备的一种耐高温金属锂负极的剖视图。如图1所示，耐高温金属锂负极包括：由支撑骨架1和负载在支撑骨架上的金属锂或锂合金2形成的金属锂芯；包封在金属锂芯四周的、由多孔保护层3和外部封装层4构成的包封层；以及穿过包封层与金属锂芯接触的极耳5。耐高温金属锂负极的核心层为金属锂芯，其中金属锂或锂合金2起负极作用，而支撑骨架1起到支撑作用并且可以提供一定体积变化空间，以容纳金属锂熔融后的体积变化。支撑骨架可以由导电纤维或不导电纤维形成。在由不导电纤维形成时，可对支撑骨架进行处理，例如对不导电纤维进行改性处理，或者采用不导电纤维加导电剂的组合形成支撑骨架。如此，支撑骨架可以起到以下两个主要作用：1、提供支撑，防止金属锂芯在受热时塌陷变形；2、提供导电网络，起到集流作用。由于支撑骨架具有导电作用，这样的网络可以优化电子传输通路，使电子快速到达极耳，不必绕行其他导电金属锂位置。在支撑骨架结构由使用导电纤维形成时，在纤维之间也可采用其他导电材料进行导电网络的优化。可用于本专利技术的导电纤维包括碳纳米管、碳纤维、金属纳米纤维(如：Ni，Pt，Au等)、半导体纳米纤维(如：InP，Si，GaN等)；不导电纤维包括有机高分子纤维(如：尼龙纤维、聚酰胺纤维、聚氧化乙烯纤维等)、无机氧化物纳米纤维(如：SiO2，TiO2等)；改性纤维由导电纤维或不导电纤维功能化处理得到，如：纤维材料改性(如：尼龙接枝聚合等)、纤维表面处理(碳纳米纤维表面石墨化、氨基化、酸蚀、SiO2纤维包覆聚氧化乙烯、尼龙纤维表面镀银、聚酰胺纤维表面沉积纳米氧化铝等)、纤维掺杂(尼龙纤维中纳米银颗粒掺杂，碳纤维与石墨烯掺杂编织、碳纳米管与导电石墨掺杂编织等)等功能化处理。这些材料形成三维多孔结构，以容纳金属锂或锂合金。多孔结构的孔隙直径可以为10nm至10mm，例如10nm至1000nm，1μm至1000μm等。可以通过将熔融金属锂或锂合金喷淋到支撑骨架上或者将支撑骨架浸渍在熔融金属锂或锂合金中，使金属锂或锂合金负载在支撑骨架上。为了提高金属锂与支撑骨架的亲和力，可以对支撑骨架表面进行表面处理，使支撑骨架表面具备一定数量的金属锂成核位点，成核位点为纳米金属颗粒(如纳米银/纳米钛/纳米金颗粒/纳米锡等)。包封在金属锂芯四周的包封层包括耐高温的多孔保护层3和外部封装层4。内部的多孔保护层的主要作用是：在低温(低于150℃)时起到减缓热传导或隔绝热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐高温金属锂负极，其特征在于，所述耐高温金属锂负极包括：/n金属锂芯；/n与所述金属锂芯接触的极耳；以及/n用于包封所述金属锂芯的包封层，/n其中：/n所述金属锂芯由支撑骨架和负载在支撑骨架上的金属锂或锂合金形成，具有上下两个主表面和位于两个主表面之间的侧表面；/n所述包封层包括多孔保护层和外部封装层，所述多孔保护层由耐高温材料形成，与所述金属锂芯接触并且包封所述金属锂芯的除极耳接触部分以外的全部结构；所述外部封装层为固态电解质层，形成于所述多孔保护层的与金属锂芯主表面相反的表面上，或者形成在所述多孔保护层的全部外表面上。/n

【技术特征摘要】
1.一种耐高温金属锂负极，其特征在于，所述耐高温金属锂负极包括：
金属锂芯；
与所述金属锂芯接触的极耳；以及
用于包封所述金属锂芯的包封层，
其中：
所述金属锂芯由支撑骨架和负载在支撑骨架上的金属锂或锂合金形成，具有上下两个主表面和位于两个主表面之间的侧表面；
所述包封层包括多孔保护层和外部封装层，所述多孔保护层由耐高温材料形成，与所述金属锂芯接触并且包封所述金属锂芯的除极耳接触部分以外的全部结构；所述外部封装层为固态电解质层，形成于所述多孔保护层的与金属锂芯主表面相反的表面上，或者形成在所述多孔保护层的全部外表面上。


2.如权利要求1所述的耐高温金属锂负极，其特征在于，所述支撑骨架具有由导电纤维或改性不导电纤维形成的三维多孔结构，其中，所述改性不导电纤维用导电剂处理而具有导电功能。


3.如权利要求2所述的耐高温金属锂负极，其特征在于，所述支撑骨架表面用纳米金属颗粒进行表面处理。


4.如权利要求1所述的耐高温金属锂负极，其特征在于，所述多孔保护层具有小于10微米的平均孔隙直径，由选自耐高温高分子材料、耐高温无机材料和耐高温金属有机框架材料的耐高温材料形成。


5.一种制备如权利要求1至4中任一项所述的耐高温金属锂负极的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔德钰，郇庆娜，孙兆勇，刘承浩，陈强，牟瀚波，
申请(专利权)人：天津中能锂业有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12