抗拉伸超薄锂箔及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种抗拉伸超薄锂箔，所述抗拉伸超薄锂箔包括：由无机纤维材料形成的导电的多孔抗拉伸层，其中所述多孔抗拉伸层的孔隙尺寸为1纳米至200微米，并且孔隙率为10％至85％；和位于所述多孔抗拉伸层的孔隙中的不连续金属锂材料，其中所述不连续金属锂材料以离散金属锂材料的形式分散在所述多孔抗拉伸层的孔隙中；以及任选的位于所述多孔抗拉伸层上的表面保护层。

【技术实现步骤摘要】
抗拉伸超薄锂箔及其制备方法
本专利技术属于金属锂加工领域，尤其涉及一种抗拉伸超薄锂箔及其制备方法。
技术介绍
金属锂作为密度最小的金属材料，一直是制作轻质合金和金属锂电池的关键材料。特别是在新能源领域，金属锂因具有高的比容量(3860mAh/g)和最负的化学势(-3.04VvsH/H+)等诸多优势，有潜力成为单独部件，即作为金属锂负极，对提高电池的能量密度起到决定性作用。但是金属锂质软，当加工成超薄(厚度＜20微米)的箔材时，箔材边缘和内部易开裂。因此，超薄的金属锂箔材无法进行连续的加工成型。而为了提高电池的能量密度，要求金属锂箔材的厚度小于20微米，有时甚至要求箔材厚度小于5微米。因此，在目前的加工水平下，如不对超薄锂箔进行抗拉伸处理，是无法完成以上目标的，这也将大大阻碍金属锂负极在新能源领域的应用。此外，常规金属锂负极在电池循环过程中还存在体积膨胀和枝晶沉积的问题。而这些问题可能导致影响电池的稳定性和循环寿命。另外，金属锂化学性质活泼，加工、存储和使用过程中均易发生有害反应。金属锂箔表面存在的大量氢氧化锂、氮化锂、碳酸锂等杂质会急剧缩短箔材的保质期，并且这些杂质的存在也会影响金属锂负极的性能，导致金属锂电池副反应增多，电极循环寿命降低。随着锂电池应用领域的细化和扩展，超薄锂箔在电池领域的应用还面临着诸多挑战。在储能领域，要求电池具有更长的循环寿命和高低温性能。在动力电池领域，除要求较好的高低温性能外，还要求电池具有较大的倍率性能和安全性能，而对电池的循环寿命要求并不是很高。因此，必须对超薄锂箔产品进行功能化设计，来满足如此多样的市场需求。综上所述，超薄锂箔的产业化应用仍然任重而道远。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种克服上述现有技术问题的抗拉伸超薄锂箔。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：在本专利技术的一个方面，提供了一种抗拉伸超薄锂箔，所述抗拉伸超薄锂箔包括：由无机纤维材料形成的导电的多孔抗拉伸层，其中所述多孔抗拉伸层的孔隙尺寸为1纳米至200微米，并且孔隙率为10％至85％；位于所述多孔抗拉伸层的孔隙中的不连续金属锂材料，其中所述不连续金属锂材料以离散金属锂材料的形式分散在所述多孔抗拉伸层的孔隙中；以及任选的位于所述多孔抗拉伸层上的表面保护层。优选地，所述多孔抗拉伸层的孔隙尺寸为5纳米至100微米，更优选10纳米至50微米。优选地，所述多孔抗拉伸层的孔隙率为15％至80％，更优选25％至70％。在一些实施方案中，所述无机纤维材料包括选自碳纳米管、碳纤维、金属纤维、半导体纤维和无机氧化物纤维中的至少一种。例如，金属纤维可以包括Ni、Pt、Au、Al或不锈钢纤维，半导体纤维可以包括InP、Si或GaN纤维，无机氧化物纤维可以包括SiO2或TiO2纤维。在一些实施方案中，所述无机纤维材料是通过气相沉积、磁控溅射、电镀、原子掺杂、原子刻蚀或其组合进行改性的无机纤维材料。例如，所述表面处理可以包括表面石墨化、氨基化、酸蚀、包覆聚氧化乙烯或沉积纳米氧化铝，并且所述原子掺杂可以包括纳米银颗粒掺杂、石墨烯掺杂或导电石墨掺杂。在一些实施方案中，所述无机纤维材料的直径为1纳米至30微米，优选5纳米至10微米。在一些实施方案中，所述无机纤维材料的长度为10纳米以上，优选50纳米以上。在一些实施方案中，所述抗拉伸超薄锂箔的平均厚度为0.1微米至200微米，优选1微米至50微米，更优选5微米至20微米。在一些实施方案中，所述抗拉伸超薄锂箔的表面粗糙度小于等于5微米。在一些实施方案中，所述抗拉伸超薄锂箔的拉伸模量在1MPa至300MPa的范围内，优选在10MPa至300MPa的范围内，更优选在100MPa至300MPa的范围内。在一些实施方式中，所述金属锂材料为金属锂或锂与选自以下各项中的至少一种的合金：Ag、Al、Au、B、Ba、Be、Bi、C、Ca、Cd、Co、Cr、Cs、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、K、Mg、Mn、Mo、N、Na、Nb、Ni、Pt、Pu、Rb、Rh、S、Se、Si、Sn、Sr、Ta、Te、Ti、V、Y、Zn、Zr、Pb、Pd、Sb和Cu。在一些实施方案中，所述表面保护层的厚度为5纳米至100微米，更优选10纳米至50微米。在一些实施方案中，所述表面保护层的材料包括选自有机高分子和无机化合物中的至少一种。例如，所述有机高分子可以包括聚氧化乙烯、油酸或PVDF，所述无机化合物可以包括磷酸锂、碳化锂、氟化锂、氧化物固态电解质或玻璃陶瓷。在一些实施方案中，所述表面保护层可以设置在所述多孔抗拉伸层的一个表面上，或者可以设置在所述多孔抗拉伸层的两个表面上。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种制备如上所述的抗拉伸超薄锂箔的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：将无机纤维材料、粘结剂、造孔剂和任选的无机填料混合以制作浆料，并且涂布所述浆料并在300-3000℃的温度对其进行高温碳化处理以形成导电的多孔抗拉伸层，所述多孔抗拉伸层的孔隙尺寸为1纳米至200微米，并且孔隙率为10％至85％；步骤2：将金属锂材料附着在所述多孔抗拉伸层的孔隙中以形成不连续金属锂材料，所述不连续金属锂材料以离散金属锂材料的形式分散在所述多孔抗拉伸层的孔隙中；以及步骤3：任选地在所述多孔抗拉伸层上施加表面保护层。在一些实施方案中，所述造孔剂包括碳酸氢铵、萘、聚苯乙烯和碳酸铵中的至少一种。在一些实施方案中，所述造孔剂的尺寸为10纳米至10微米，更优选20纳米至5微米。在一些实施方案中，所述粘结剂包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、聚偏氟乙烯、聚环氧树脂、聚苯乙烯、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、蔗糖、聚苯硫醚和聚苯氧树脂中的至少一种。在一些实施方案中，所述无机填料包括导电石墨、炭黑、科琴黑、石墨烯、金属纳米颗粒、金属氧化物和无机固态电解质中的至少一种。在一些实施方案中，所述高温碳化处理的温度优选为400-2000℃。在一些实施方案中，所述方法还包括在步骤1之前通过气相沉积、磁控溅射、电镀、原子掺杂、原子刻蚀或其组合对所述无机纤维材料进行改性的步骤。在一些实施方案中，将金属锂材料附着在所述多孔抗拉伸层的孔隙中包括通过熔体浸渍、熔体渗透或粉体吸附的方式将金属锂材料附着在所述多孔抗拉伸层的孔隙中。相比于现有技术，本专利技术提供的抗拉伸超薄锂箔具有以下优势：(1)用于形成多孔抗拉伸层的骨架材料可选，且具有很好的机械强度，制备的超薄锂箔强度高、质量轻，可用于制备高能量密度的电池器件；(2)所采用的导电骨架材料比表面大，可有效分散电流密度，金属锂沉积时缓解枝晶生长；(3)骨架材料包围在不连续的金属锂材料周围，且形成稳定的结构，可有效抑制金属锂的膨胀，维持电极结构稳定，提高电池的循环性能；(4)与平面锂或块状锂相比，不连续的金属锂表面不规整，比表面积更本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗拉伸超薄锂箔，其特征在于，所述抗拉伸超薄锂箔包括：/n由无机纤维材料形成的导电的多孔抗拉伸层，其中所述多孔抗拉伸层的孔隙尺寸为1纳米至200微米，并且孔隙率为10％至85％；/n位于所述多孔抗拉伸层的孔隙中的不连续金属锂材料，其中所述不连续金属锂材料以离散金属锂材料的形式分散在所述多孔抗拉伸层的孔隙中；以及/n任选的位于所述多孔抗拉伸层上的表面保护层。/n

【技术特征摘要】
1.一种抗拉伸超薄锂箔，其特征在于，所述抗拉伸超薄锂箔包括：
由无机纤维材料形成的导电的多孔抗拉伸层，其中所述多孔抗拉伸层的孔隙尺寸为1纳米至200微米，并且孔隙率为10％至85％；
位于所述多孔抗拉伸层的孔隙中的不连续金属锂材料，其中所述不连续金属锂材料以离散金属锂材料的形式分散在所述多孔抗拉伸层的孔隙中；以及
任选的位于所述多孔抗拉伸层上的表面保护层。


2.根据权利要求1所述的抗拉伸超薄锂箔，其特征在于，所述无机纤维材料包括选自碳纳米管、碳纤维、金属纤维、半导体纤维和无机氧化物纤维中的至少一种，其中所述无机纤维材料任选地通过气相沉积、磁控溅射、电镀、原子掺杂、原子刻蚀或其组合进行改性。


3.根据权利要求1所述的抗拉伸超薄锂箔，其特征在于，所述无机纤维材料的直径为1纳米至30微米，并且所述无机纤维材料的长度为10纳米以上。


4.根据权利要求1所述的抗拉伸超薄锂箔，其特征在于，所述抗拉伸超薄锂箔的平均厚度为0.1微米至200微米。


5.根据权利要求1所述的抗拉伸超薄锂箔，其特征在于，所述抗拉伸超薄锂箔的拉伸强度在1MPa至300MPa的范围内。


6.根据权利要求1所述的抗拉伸超薄锂箔，其特征在于，所述金属锂材料为金属锂或锂与选自以下各项中的至少一种的合金：Ag、Al、Au、B、Ba、Be、Bi、C、Ca、Cd、Co、Cr、Cs、Fe、Ga、Ge、Hf、Hg、In、Ir、K、Mg、Mn、Mo、N、Na、Nb、Ni、Pt、Pu、Rb、Rh、S、Se、Si、Sn、Sr、Ta、Te、T...

【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