用于金属锂带表面非晶化处理的方法及其产品和应用技术

本发明专利技术提供用于金属锂带表面非晶化处理的方法及其产品和应用，该方法包括：采用选自热辐照、热传导和热对流中的至少一种以在175℃至1200℃的温度下将金属锂带表面熔融；和以50℃/s至1000℃/s的降温速率对表面熔融的所述金属锂带进行快速冷却至10℃至50℃的温度。所得到的具有表面非晶化层的金属锂带可以用作电池体系的金属锂负极，由于其表面锂原子完全无序排列，使得金属锂沉积时没有趋向性，因此当用于电池体系时，金属锂会均匀沉积，基本上没有锂枝晶产生，进而提高金属锂负极的循环寿命。此外，在本发明专利技术的金属锂带表面非晶化处理过程后，锂带表面粗糙度降低，且未引入杂质化学基团和杂原子，使得所得金属锂带的表面物理或化学状态一致性提高。理或化学状态一致性提高。理或化学状态一致性提高。

【技术实现步骤摘要】
用于金属锂带表面非晶化处理的方法及其产品和应用


[0001]本专利技术涉及金属表面处理和电池领域，更具体地涉及一种用于金属锂带表面非晶化处理的方法及其产品和应用。

技术介绍

[0002]金属锂因其高的比容量(3860mAh/g)和低的电极电势(
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3.04V相对于氢标准电极)，是制备高能量密度电池的理想材料。然而要实现金属锂的大规模应用，仍需要解决金属锂的枝晶生长问题。当作为负极用于电池体系时，在金属锂负极的循环过程中，由于金属锂表面锂离子的不均匀沉积，在金属锂负极表面会生成大量的锂枝晶。锂枝晶的存在不仅会消耗活性锂和电解液，导致电池容量降低，而且随着锂枝晶的生长，还会刺穿隔膜导致电池内部短路，发生安全事故。
[0003]目前，为了抑制锂枝晶的生长，一般有以下两种方法：(1)采用功能化添加剂、气相反应或液相反应在金属锂表面原位生成高弹性的固态电解质层(SEI)，生成的固态电解质层具有较高的机械强度，可以阻止枝晶的刺穿；如硝酸锂、含氟有机物等。然而，该方法在金属锂表面引入了大量的化学基团，使金属锂表面的物理或化学状态一致性下降。(2)表面合金化，通过磁控溅射等工艺在金属锂表面生成合金层，在降低金属锂表面反应活性的同时，还可诱导金属锂沉积。然而，该方法在使用合金后，电极整体的比容量下降，且合金元素的分布不受控，金属锂表面的物理或化学状态一致性不会得到有效改善。
[0004]因此，本领域仍然需要开发抑制锂枝晶生长的新方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种用于金属锂带表面非晶化处理以抑制锂枝晶生长的新方法，以及通过该方法获得的产品和应用。
[0006]为此，在一个方面，本专利技术提供了一种用于金属锂带进行表面非晶化处理的方法，所述方法包括：采用选自热辐照、热传导和热对流中的至少一种以在175℃至1200℃的温度下将金属锂带表面熔融；和以50℃/s至1000℃/s的降温速率对表面熔融的所述金属锂带进行快速冷却至10℃至50℃的温度，由此得到具有表面非晶化层的金属锂带。
[0007]在一些优选实施方案中，在进行所述熔融之前，对所述金属锂带进行裁切和表面清洁的前处理。
[0008]在一些优选实施方案中，所述热辐射使用激光器或红外线发射器进行；所述热传导通过使用热辊进行；所述热对流通过使用火焰发生器进行。
[0009]在一些优选实施方案中，所述快速冷却通过使用冷辊、液氮或其组合进行。
[0010]在另一个方面，本专利技术提供了一种通过上述方法获得的具有表面非晶化层的金属锂带。
[0011]在一些优选实施方案中，所述表面非晶化层的厚度为1～50微米。
[0012]在一些优选实施方案中，所述金属锂带是厚度为1
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100微米的超薄金属锂带。
[0013]在一些优选实施方案中，所述金属锂带包括含有选自Y、B、Ag、Al、Au、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、Zn、Zr、Pb、Pd、Sb和Cu中的至少一种元素的锂合金。
[0014]在另一个方面，本专利技术提供了上述金属锂带用于一次或二次电池体系的应用，其中所述具有表面非晶化层的金属锂带用作金属锂负极。
[0015]在一些优选实施方案中，所述一次或二次电池体系是锂系一次电池、锂离子电池、准固态锂电池、全固态锂离子电池、锂硫电池和锂氧电池中的一种或多种。
[0016]本专利技术通过对金属锂带(尤其是超薄金属锂带)表面进行熔融，然后以特定的冷却速率进行冷却而提供了一种用于金属锂带表面非晶化处理新方法。通过利用本专利技术的方法，经表面非晶化处理后的金属锂带表面的锂原子完全无序排列，使得金属锂沉积时没有趋向性；因此，当将所获得的具有表面非晶化层的金属锂带作为金属锂负极应用于电池体系时，金属锂会发生均匀沉积，显著抑制了锂枝晶生长(几乎不会有锂枝晶的产生)，进而提高金属锂负极的循环寿命。
[0017]此外，利用本专利技术方法获得的具有表面非晶化层的金属锂带作为金属锂负极应用于电池体系时，由于几乎不会有锂枝晶的产生，因而不会出现由于锂枝晶消耗活性锂和电解液而导致的电池容量降低的问题，以及由于锂枝晶生长导致的电池内部短路进而发生安全事故的问题。
[0018]此外，在本专利技术的金属锂带表面非晶化处理过程中，没有引入杂质化学基团和杂原子，使得所得金属锂带的表面物理或化学状态一致性提高。而且，与现有的表面合金化处理方法相比，由于本专利技术的非晶化处理没有引入额外的组分，因而没有改变金属锂带本身的组成，相应地不会导致整体比容量下降的问题以及由于合金元素分布受控导致的金属锂表面的物理或化学状态一致性不会得到有效改善的问题。
附图说明
[0019]图1是根据本专利技术方法获得的具有表面非晶化层的金属锂带的示意图。
[0020]图2是在根据本专利技术的表面非晶化处理之前的金属锂带表面(不具有表面非晶化层)的原子力显微镜(AFM)照片。
[0021]图3是在根据本专利技术的表面非晶化处理之后的金属锂表面(具有表面非晶化层)的原子力显微镜(AFM)照片。
[0022]图4实施例1制备具有10微米表面非晶化层的金属锂带的光学显微图像。
[0023]图5是分别根据本专利技术实施例1与对比例1获得的金属锂带用作金属锂负极时的电池循环曲线图。
具体实施方式
[0024]本专利技术人经过研究发现，为了抑制锂枝晶的生长并改善金属锂表面的物理或化学状态一致性，必须对金属锂本身进行改造，即对金属锂表面的物理或化学状态的一致性进行改造。特别地，金属锂枝晶趋向于<111>、<110>或<211>方向生长，其中首选趋向于<111>方向生长，所以在不改变金属锂表面晶格状态的情况下，金属锂枝晶的形成是不可避免的。
[0025]鉴于此，本专利技术人进行了深入且广泛的研究，出乎意料地发现了一种用于金属锂
带表面非晶化处理的新方法，其中通过对金属锂带(尤其是超薄金属锂带)表面进行熔融，然后以特定的冷却速率进行冷却，所获得的经表面非晶化处理后的金属锂带表面的锂原子完全无序排列，能够使得金属锂沉积时没有趋向性，因而当作为金属锂负极应用于电池体系时，金属锂会发生均匀沉积，能够显著抑制了锂枝晶生长(几乎不会有锂枝晶的产生)，进而提高金属锂负极的循环寿命。
[0026]本专利技术提供的用于金属锂带进行表面非晶化处理的方法包括将金属锂带的表面熔融，然后将表面熔融的金属锂带进行快速冷却，由此得到具有表面非晶化层的金属锂带，如图1所示。
[0027]在本专利技术中，金属锂带的表面熔融例如可以在手套箱中进行，并且优选地可以在惰性气氛如氩气气氛中进行。
[0028]在本专利技术中，通常，鉴于锂金属的熔点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于金属锂带表面非晶化处理的方法，所述方法包括：采用选自热辐照、热传导和热对流中的至少一种以在175℃至1200℃的温度下将金属锂带表面熔融；和以50℃/s至1000℃/s的降温速率对表面熔融的所述金属锂带进行快速冷却至10℃至50℃的温度，由此得到具有表面非晶化层的金属锂带。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行所述熔融之前，对所述金属锂带进行裁切和表面清洁的前处理。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热辐射使用激光器或红外线发射器进行；所述热传导通过使用热辊进行；所述热对流通过使用火焰发生器进行。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述快速冷却通过使用冷辊、液氮或其组合进行。5.一种通过权利要求1
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4中任一项所述的方法获得的具有表面非晶化层的金属锂带。6.根据权利要求5所述的金属锂带，其特征在于，所述表面非晶化层的厚度为1～50微米...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔德钰，郇庆娜，孙兆勇，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：