一种锂金属负极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种锂金属负极及其制备方法和应用。所述锂金属负极包括金属锂片体相和分散于所述金属锂片体相中的无机物；所述金属锂片体相中的无机物为网络结构。所述制备方法包括如下步骤：(1)在金属锂片表面制备无机物，得到表面具有无机物的金属锂片；(2)将步骤(1)得到的表面具有无机物的金属锂片进行对折后挤压，得到所述锂金属负极。本发明专利技术通过采用包括金属锂片体相和分散于所述金属锂片体相中的无机物作为锂金属负极，同时解决了锂离子的不均匀沉积和不均匀剥离问题，制备得的锂离子电池具有较好的循环性能。池具有较好的循环性能。池具有较好的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属负极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池
，具体涉及一种锂金属负极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，锂离子电池已广泛应用于电子产品，并在电动汽车和电网储能领域显示出诱人的应用前景。然而，目前商品化的锂离子二次电池大多采用的石墨负极材料理论容量较低(372mAh/g)，无法满足对高能量密度储能不断增长的需求。与市售石墨相比，金属锂具有较高的理论比容量(3860mAh/g)、低电极电势(相对于氢标准电极为
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3.04V)和低密度(0.534g/cm3)，已被认为是下一阶段最理想的负极材料，被称作储能界的“圣杯”。特别是，基于金属锂负极的如Li
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S电池和Li
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Air电池，被认为是当前锂离子电池的理想替代品。
[0003]然而，自1960年至今，锂金属负极的实际应用仍存在着很大问题，其主要受到以下两个问题的阻碍：(1)在锂金属负极循环剥离与沉积过程中，不均匀的剥离与沉积会导致锂金属表面形成点蚀的凹坑与锂枝晶，锂枝晶的不断生长会刺穿隔膜从而引起了诸如内部短路甚至爆炸之类的安全问题，同时，锂枝晶会形成“死锂”，降低电池的库仑效率；(2)金属锂的活泼性很强，与电解液接触会立刻在金属锂负极的表面生成一层固体电解质中间相(SEI)，此外，锂金属负极在循环过程中会发生剧烈的体积膨胀和收缩，这使得SEI膜不断的破裂与重建，从而不断消耗电解液并导致库仑效率降低和循环寿命降低。
[0004]为了解决锂的不均匀沉积导致的锂枝晶等安全性问题，在锂负极表面的修饰和改性是目前最为常见的方法，即在锂负极表面形成一层稳定的物理保护膜。例如CN110416498A公开了一种锂金属电池的锂负极表面改性方法、改性锂负极及锂金属电池。该技术方案中通过采用一种双功能金属锂表面改性试剂与金属锂片反应，在锂片表面原位形成一层固态电解质保护层，从而抑制了枝晶生长，增强锂了金属负极的稳定性，所述双功能金属锂表面改性试剂为功能化的环氧化合物，其中环氧基团具有较大的环张力、易聚合形成具有锂离子传导性的聚环氧乙烷单元；此外，该环氧化合物还含有可交联聚合的功能基团，如双键、丙烯酸酯基、硅氧烷基、环氧基团等，通过交联聚合从而形成稳定的具有三维结构的固态电解质保护层。
[0005]CN110061191A公开了一种三维金属锂负极及其制备方法与应用。所述三维金属锂负极包括三维泡沫铜骨架，在泡沫铜的表面生长金属铜纳米线。利用铜纳米线修饰三维(3D)泡沫铜骨架，得到了“亲锂”性的表面，从而将金属锂熔融到金属骨架中，实现了三维金属锂负极。此外，在融锂的过程中，金属锂会和铜反应，形成Li
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Cu合金，抑制了金属锂负极枝晶锂的形成，实现金属锂负极的稳定循环。
[0006]但是，上面提到的方法都仅仅针对锂金属的不均匀沉积行为，对放电过程中锂金属负极中的不均匀剥离行为并不能起到理想的效果。此外，这些方法要么需要较为昂贵的处理试剂，要么需要较为复杂的处理工艺，同时很难实现大规模的负极生产。因此，如何提供一种既能解决锂离子的不均匀沉积的问题，又能解决锂金属负极中锂离子不均匀剥离的问题，已成为目前亟待解决的技术难题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种锂金属负极及其制备方法和应用。本专利技术通过采用包括金属锂片体相和分散于所述金属锂片体相中的无机物作为锂金属负极，同时解决了锂离子的不均匀沉积和不均匀剥离的问题，由此制备得到的锂离子电池具有较好的循环性能。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种锂金属负极，所述锂金属负极包括金属锂片体相和分散于所述金属锂片体相中的无机物；
[0010]所述金属锂片体相中的无机物为网络结构。
[0011]本专利技术中，采用包括金属锂片体相和分散于所述金属锂片体相中的无机物作为锂金属负极，且金属锂片体相中的无机物组成网络结构。本专利技术中，锂金属负极中无机物组成的网络结构可以作为锂离子的传输通道，一方面，在金属锂的剥离过程中，锂离子可以均匀的从整个锂金属负极的金属锂体相中剥离出来，而不仅仅是从锂金属负极的表面剥离，从而使锂离子剥离过程中的锂离子流更加均匀，而且防止了锂金属负极表面因锂离子的不均匀剥离而产生凹坑，同时避免了SEI膜的破裂与重构；另一方面，在锂离子的沉积过程中，锂离子同样可以沿着均匀分布的无机物网络结构进行传输，从而均匀沉积，避免了锂枝晶的产生。
[0012]以下作为本专利技术的优选技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的目的和有益效果。
[0013]作为本专利技术的优选技术方案，所述无机物选自氧化锂、氟化锂、氮化锂、氢氧化锂、多硫化锂或碳酸锂中的任意一种或至少两种的组合。
[0014]第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的锂金属负极的制备方法，包括如下步骤：
[0015](1)在金属锂片表面制备无机物，得到表面具有无机物层的金属锂片；
[0016](2)将步骤(1)得到的表面具有无机物的金属锂片进行对折后挤压，得到所述锂金属负极。
[0017]金属锂具有较好的延展性，本专利技术中，通过在金属锂片表面制备无机物，然后通过对表面具有无机物层的金属锂片进行反复对折和挤压，将无机物均匀分散于金属锂体相中，得到所述锂金属负极。
[0018]需要说明的是，步骤(1)中所述在金属锂片表面制备无机物时，可以是在金属锂片的两个表面制备无机物，也可以是在金属锂片的任意一面制备无机物，本专利技术对此不做任何特殊的限定，但若是在金属锂片的任意一面制备无机物，则在步骤(2)中进行对折、挤压时，需将无机物对折进去，即在首次对折后形成金属锂片
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无机物层
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金属锂片的结构，以免造成无机物的损失浪费。
[0019]同时，需要说明的是，由于金属锂具有很活泼的化学性质，因此，本专利技术中所述的制备方法均在手套箱中进行。
[0020]作为本专利技术的优选技术方案，步骤(1)所述制备无机物的方法包括原位反应和/或涂覆。
[0021]本专利技术中，对通过原位反应在金属锂表面制备无机物的方法不做任何特殊的限
制，示例性地包括但不限于：在手套箱中，将金属锂片浸渍在含氟离子液体中，或者将含氟离子液体涂抹在金属锂片表面，经氟化作用后取出，在金属锂片表面形成氟化锂。
[0022]优选地，所述涂覆的方法选自喷洒、涂布或溅射中的任意一种或至少两种的组合。
[0023]作为本专利技术的优选技术方案，步骤(1)所述金属锂片的厚度为250～450μm，例如可以是250μm、300μm、350μm、400μm或450μm等。
[0024]优选地，所述表面具有无机物层的金属锂片中无机物层的厚度为20～50μm，例如可以是20μm、22μm、24μm、26μm、28μm、30μm、32μm、34μm、36μm、38μm、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属负极，其特征在于，所述锂金属负极包括金属锂片体相和分散于所述金属锂片体相中的无机物；所述金属锂片体相中的无机物为网络结构。2.根据权利要求1所述的锂金属负极，其特征在于，所述无机物选自氧化锂、氟化锂、氮化锂、氢氧化锂、多硫化锂或碳酸锂中的任意一种或至少两种的组合。3.一种如权利要求1或2所述的锂金属负极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)在金属锂片表面制备无机物，得到表面具有无机物层的金属锂片；(2)将步骤(1)得到的表面具有无机物的金属锂片进行对折后挤压，得到所述锂金属负极。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述制备无机物的方法包括原位反应和/或涂覆；优选地，所述涂覆的方法选自喷洒、涂布或溅射中的任意一种或至少两种的组合。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述金属锂片的厚度为250～450μm；优选地，所述表面具有无机物层的金属锂片中无机物层的厚度为20～50μm。6.根据权利要求3
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5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述对折和挤压的次数均为10～100次，优选为20～50次。7.根据权利要求3
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6任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)所述制备无机物前...

【专利技术属性】
技术研发人员：周天易，江鹏，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：