一种锂金属电池负极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂金属电池负极及其制备方法，属于电池能源技术领域，在铜集流体表面构筑亲锂层，降低锂金属沉积时的形核过电位，改善电极极化情况，提高电池中电极反应的可逆性，延长锂金属电池的使用寿命。本发明专利技术使用的锂金属电池负极为修饰有一层亲锂层的复合集流体；首先采用空气氧化法将清洗干净的铜箔置于马弗炉中进行氧化，在集流体表面形成一层氧化层，再借助氧化锂的挥发性，将氧化的铜集流体利用热扩散的方法改性，最终得到一种复合集流体，组装电池对其电化学性能进行测试，结果表明不仅锂在电极表面的沉积稳定均匀，而且极大的提升锂金属电池的循环寿命和库伦效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属电池负极及其制备方法


[0001]本专利技术属于能源电池
，具体涉及一种锂金属电池负极及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，能源和环境问题对人类社会的威胁日益严重。为了减少化石燃料的消耗，汽车产业正逐步向电动汽车方向过渡。然而，由于目前的锂离子电池主要面向3C电子产品，当将目前的锂离子电池应用于电动汽车产业时，锂离子电池的容量问题给电动汽车的用户带来了里程焦虑。究其原因，基于传统的石墨负极的锂离子电池的低能量密度的限制 (299 W h kg
‑1)无法满足人们对储能产品越来越大的能量密度的需求，锂金属负极的研究重新得到了研究人员的关注。
[0003]锂金属具有最低的氧化还原电位
‑
3.04 V(vs SHE)和3862 mA h g
‑1的超高的负极理论比容量，锂金属电池因此被人们认为是最有希望成为下一代高能量密度电池的之一， 受到了人们广泛的关注。然而由于锂金属的固有特性，锂负极在充放电过程中会存在许多问题：锂枝晶的形成带来的锂的不均匀沉积、电极的腐蚀、死锂和体积膨胀；这些问题会导致锂金属电池在长时间运行后容量发生严重的损失甚至爆炸。早期的锂金属电池的研究探索集中在锂负极的可逆性上，但上述问题一直阻碍着锂金属电池的实际运用。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种锂金属电池负极及其制备方法，所述负极为铜箔集流体表面构建一层亲锂层，有利于锂金属在电极表面沉积，抑制锂枝晶形成，提高电池使用寿命。
[0005]为实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：一种锂金属电池负极，所述负极为铜箔集流体表面修饰有亲锂化合物的复合集流体，所述亲锂化合物为LiCuO，其表面修饰层厚度为300nm
‑
1μm。
[0006]一种锂金属电池负极的制备方法，包括以下步骤：（1）将铜箔放置在一定浓度的HCl中进行清洗；（2）将步骤（1）得到的铜箔先用蒸馏水反复清洗，再用乙醇清洗；（3）将步骤（2）中洗净后的铜箔烘干，然后置于空气气氛中高温氧化；（4）称取一定量的锂源，将称取的锂源置于惰性气体气氛中，高温下使锂蒸发，在氧化后的铜箔表面修饰亲锂层，冷却后得到改性铜集流体。
[0007]以上所述步骤中，步骤（1）中所述铜箔的厚度在5
‑
20μm，所述HCl浓度为0.1
‑
1mol/L；步骤（3）中所述高温氧化的升温速率为0.5
‑
10℃/min，温度为200
‑
300℃，保温时间为1
‑
3h；步骤（4）中所述锂源为氧化锂，氢氧化锂，碳酸锂中的一种；所述锂源质量相对于铜箔大小为0.1
‑
10 mg/cm2；所述高温的升温速率为1
‑
10℃/min，温度为500
‑
900℃，保温时间为1
‑
4h。
[0008]有益效果：本专利技术提供了一种锂金属电池负极及其制备方法，首先采用空气氧化法将清洗干净的铜箔置于马弗炉中进行氧化，在集流体表面形成一层氧化层，再借助氧化锂的挥发性，将氧化的铜集流体利用热扩散的方法改性，最终得到一种复合集流体，组装电池对其电化学性能进行测试，结果表明不仅锂在电极表面的沉积稳定均匀，而且极大的提升锂金属电池的循环寿命和库伦效率。本专利技术在铜集流体表面构筑亲锂层，此复合集流体表面和锂金属的亲和性有了极大的提升，降低了锂金属在电极上的形核过电位，得到稳定的锂沉积层，同时在电池循环过程中，电极的极化情况得到改善，提高电池中电极反应的可逆性，提高了电极界面稳定性，使锂金属电池的库伦效率和寿命都得到了提升。
附图说明
[0009]图1为本专利技术实施例中LiCuO/Cu复合集流体表面形貌图，(a)低倍率下形貌图，(b)高倍率下形貌图；图2 为本专利技术实施例中LiCuO/Cu复合集流体XRD测试结果图；图3 为本专利技术实施例中LiCuO/Cu复合集流体XPS测试结果图；图4为本专利技术实施例中锂沉积在Cu和LiCuO/Cu的时间
‑
电压曲线图：1 mA cm
‑2；图5为本专利技术实施例中不同容量和电流密度下电池的循环性能图，(a) 1 mA cm
‑
2 1 mA h cm
‑2, (b) 0.5 mA cm
‑
2 0.5 mA h cm
‑2；图6为本专利技术实施例中循环不同圈数后铜集流体表面锂沉积形貌图 (1 mA cm
‑
2 1 mA h cm
‑2)，(a) Cu 1 th，(b) Cu 25 th，(c) Cu 50 th，(d) Cu2O 1 th，(e) Cu2O 25 th，(f) Cu2O 50 th，(g) LiCuO/Cu 1 th，(h) LiCuO/Cu 25 th，(i) LiCuO/Cu 50 th。
具体实施方式
[0010]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明：一种锂金属电池负极，所述负极为铜箔集流体表面构建一层亲锂层，将LiCuO引入集流体表面，如图1所示，改性后铜集流体表面成功引入LiCuO，结合图1图2和图3，热处理后成功制备了LiCuO/Cu复合集流体，其表面修饰层厚度为300nm
‑
1μm。
[0011]实施例1一种锂金属电池负极的制备步骤如下：（1）量取一定量的浓盐酸放入蒸馏水中，稀释至1mol/L；（2）将铜箔放置在稀释好的盐酸中进行清洗，去除铜箔表面杂质和油脂，然后先用二次水反复洗涤3遍，再用无水乙醇清洗3遍，洗净后用吹风机吹干；（3）将步骤（2）所得铜箔直接放置在马弗炉中进行加热处理，以2℃/min的升温速率升温至250℃，保温时间为2h；（4）称取20mg氧化锂作为锂源置于瓷舟中；（5）将氧化后的铜箔裁剪为3 cm*6 cm并置于瓷舟上并固定；（6）将步骤（5）中的瓷舟放在高温反应炉中，通入氮气作为保护气体，以10℃/min的升温速率升温至600℃，保温4h，得到表面含有LiCuO的复合集流体。
[0012]实施例2一种锂金属电池负极，所述负极为铜箔集流体表面修饰上一层LiCuO亲锂层。
[0013]一种用锂金属电池负极的制备步骤如下：（1）量取一定量的浓盐酸放入蒸馏水中，稀释至1mol/L；（2）将铜箔放置在稀释好的盐酸中进行清洗，去除铜箔表面杂质和油脂，然后先用二次水反复洗涤3遍，再用无水乙醇清洗3遍，洗净后用吹风机吹干；（3）将步骤（2）所得铜箔直接放置在马弗炉中进行加热处理，以2℃/min的升温速率升温至200℃，保温时间为3h；（4）称取50mg氢氧化锂作为锂源置于瓷舟中；（5）将氧化后的铜箔裁剪为3 cm*6 cm并置于瓷舟上并固定；（6）将步骤（5）中的瓷舟放在高温反应炉中，通入氮气作为保护气体，以10℃/min的升温速率升温至700℃，保温2h，得到表面含有LiCuO的复合集流体。
[0014]实施例3一种锂金属电池负极，所述负极为铜箔集流体表面修饰上一层L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池负极，其特征在于，所述负极为铜箔集流体表面修饰有亲锂化合物的复合集流体。2.根据权利要求1所述的锂金属电池负极，其特征在于，所述亲锂化合物表面修饰层厚度为300nm
‑
1μm。3.根据权利要求1或2所述的锂金属电池负极，其特征在于，所述亲锂化合物为LiCuO。4.一种锂金属电池负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将铜箔放置在一定浓度的HCl中进行清洗；（2）将步骤（1）得到的铜箔先用蒸馏水反复清洗，再用乙醇清洗；（3）将步骤（2）中洗净后的铜箔烘干，然后置于空气气氛中高温氧化；（4）称取一定量的锂源，将称取的锂源置于惰性气体气氛中，高温下使锂蒸发，在氧化后的铜箔表面修饰亲锂层，冷却后得到改性铜集流体。5.根据权利要求4所述的锂金属电池负极的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述HCl浓度为0.1
‑
1m...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄现礼，左中正，庄冬梅，赵嫚嫚，王涛，何建平，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：