一种锂金属电池负极材料及其制备方法和锂金属电池技术

本发明专利技术公开了一种锂金属电池负极材料及其制备方法和锂金属电池，其中锂金属电池负极材料包括基底，所述基底的表面设置有锂金属梯度材料层，所述锂金属梯度材料层含有除锂元素外的合金元素，靠近隔膜侧的合金元素含量最高，靠近基底侧的合金元素含量为零，且靠近基底侧到隔膜侧的合金元素含量逐渐递进。通过锂金属梯度材料层的设计，一方面提高了电池能量密度，另一方面减少了锂沉积过程中的锂枝晶的产生，提高了电池的循环性能和稳定性。提高了电池的循环性能和稳定性。提高了电池的循环性能和稳定性。

A lithium metal battery cathode material and its preparation method and lithium metal battery

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属电池负极材料及其制备方法和锂金属电池


[0001]本专利技术涉及锂金属电池
，特别涉及一种锂金属电池负极材料及其制备方法和锂金属电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池对日常生活产生了深远的影响，商业化锂电池使用碳负极现已基本接近其理论容量(370mAh/g)，难以满足电动汽车等大规模能量存储方面的应用要求。在可用作锂电池负极的材料中，金属锂具有极大的理论比容量(3860mAh/g)和最低的电化学势(相对于标准氢电极为
‑
3.04V)，因此其推动了金属锂电池的发展。但由于金属锂具有沉积不均匀的特点，充放电过程中易在反应界面形成锂枝晶，会降低电池循环性能，甚至刺穿隔膜，造成失火等安全事故，因此使用金属锂复合电极是一种减少锂枝晶，提高电池循环性能、增加电池安全性的有效手段。
[0003]现有技术中，金属锂复合电极材料有采用碳与金属锂进行复合，如专利号为CN109686921A中，公开了一种含有金属锂和碳骨架材料，在碳骨架材料的外表面包覆有一层锂碳复合界面层，该复合界面层的结构为金属锂原子插入到碳骨架材料层间中形成的锂碳插层结构，该金属锂复合电极材料虽然能够改善锂枝晶的生长，但在电池循环中，锂碳的体积膨胀系数不同，非常容易造成结构破坏，导致材料失效。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种锂金属电池负极材料及其制备方法和锂金属电池，解决了锂金属电池锂离子沉积不均匀导致锂枝晶生长而影响电池寿命的问题。
[0005]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0006]一种锂金属电池负极材料，包括基底，所述基底的表面设置有锂金属梯度材料层，所述锂金属梯度材料层含有除锂元素外的合金元素，靠近隔膜侧的合金元素含量最高，靠近基底侧的合金元素含量为零，且靠近基底侧到隔膜侧的合金元素含量逐渐递进。
[0007]作为优选，所述基底为铜片或复合铜箔。
[0008]作为优选，所述合金元素包括银(Ag)、锌(Zn)、镁(Mg)、锡(Sn)、铟(In)中的一种或多种。
[0009]作为优选，所述锂金属梯度材料层至少包括锂金属层、第一合金层和第二合金层，所述锂金属层靠近所述基底侧，所述第一合金层位于所述第二合金层的外侧。
[0010]作为优选，所述第二合金层中的合金元素含量高于所述第一合金层中的合金元素含量。
[0011]作为优选，所述锂金属层的厚度为10μm
‑
50μm。
[0012]作为优选，所述第一合金层和/或第二合金层的厚度为0.1μm
‑
10μm。
[0013]锂金属电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014]S1、将锂片或锂带压制在铜基底的上表面，或者将锂材料镀在铜基底的上表面，初
步在铜基底上完成锂金属梯度材料层的锂金属层半成品或锂金属层；
[0015]S2、通过将步骤S1中得到的具有锂金属层半成品的铜基底浸泡在含合金元素的盐溶液中，在锂金属层半成品的表层得到第一合金层半成品或者第二合金层，初步制备得到锂金属负极材料半成品；或者采用蒸镀的方式，同时沉积锂金属和合金元素，进而在锂金属层表面形成第一合金层半成品或者第二合金层，初步制备得到锂金属负极材料半成品；
[0016]S3、采用浸泡的方式，将含有第一合金层半成品的锂金属负极材料半成品浸泡在含合金元素的盐溶液中，使第一合金层半成品中的锂金属进一步与合金元素置换形成第一合金层，并在第一合金层内部形成第二合金层，制备得到锂金属负极材料；或者采用蒸镀的方式，在含有第二合金层的锂金属负极材料半成品表面同时沉积锂金属和合金元素，在第二合金层表面形成第一合金层，制备得到锂金属负极材料。
[0017]作为优选，所述步骤S2和/或步骤S3中蒸镀温度为大于342℃且大于合金元素的沸点温度。
[0018]一种锂金属电池，包括上述锂金属电池负极材料。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的一种锂金属电池负极材料及其制备方法和锂金属电池优点在于：
[0020](1)相比于直接采用锂合金的负极材料，硬度太高，难以加工至合适厚度，本专利技术具有易于加工性的特点。
[0021](2)本专利技术采用梯度材料压延的方式，两层金属之间由于柯肯达尔效应产生自扩散，结合力增强。
[0022](3)通过锂金属梯度材料层的设计，一方面提高了电池能量密度，另一方面减少了锂沉积过程中的锂枝晶的产生，提高了电池的循环性能和稳定性。
[0023](2)外层的含锂合金在放电过程中，锂迁移至正极，含锂合金会形成多孔结构，电解液渗透，会在锂金属层和含锂合金层之间形成电势差，内层的锂金属层会补足含锂合金层中损失的锂。同时由于梯度的存在产生了电势差，靠近基底侧的电势较低，充电过程中，锂会优先沉积在内部的孔隙中，平衡锂金属的体积变化。
附图说明
[0024]图1为本实施例中锂金属电池负极材料的结构示意图。
[0025]图中，1、基底；21、锂金属层；22、第一合金层；23第二合金层。
具体实施方式
[0026]以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。
[0027]实施例1、
[0028]锂金属电池负极材料，如图1所示，包括基底1，基底1的表面设置有锂金属梯度材料层，锂金属梯度材料层含有除锂元素外的合金元素，靠近隔膜侧的合金元素含量最高，靠近基底1侧合金元素含量为零，且靠近基底1侧到隔膜侧的合金元素含量逐渐递进。其中合金元素包括银(Ag)、锌(Zn)、镁(Mg)、锡(Sn)、铟(In)中的一种或多种。
[0029]锂金属梯度材料层至少包括锂金属层21、第一合金层22和第二合金层23，锂金属层21靠近基底1侧，第二合金层23位于第一合金层22的外侧。锂金属层21的厚度为10μm
‑
50μ
m。第一合金层22、第二合金层23的厚度为0.1μm
‑
10μm。第二合金层23中的合金元素含量高于第一合金层22中的合金元素含量。
[0030]具体地，基底为铜片或复合铜箔，厚度为5
‑
10μm。
[0031]锂金属电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0032]S1、将锂片或锂带压制在铜基底的上表面，或者将锂材料镀在铜基底的上表面，初步在铜基底上完成锂金属梯度材料层的锂金属层半成品或锂金属层；
[0033]S2、通过将步骤S1中得到的具有锂金属层半成品的铜基底浸泡在含合金元素的盐溶液中，在锂金属层半成品的表层得到第一合金层半成品或者第二合金层，初步制备得到锂金属负极材料半成品；或者采用蒸镀的方式，同时沉积锂金属和合金元素，进而在锂金属层表面形成第一合金层半成品或者第二合金层，初步制备得到锂金属负极材料半成品；
[0034]S3、采用浸泡的方式，将含有第一合金层半成品的锂金属负极材料半成品浸泡在含合金元素的盐溶液中，使第一合金层半成品中的锂金属进一步与合金元素本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池负极材料，其特征在于：包括基底，所述基底的表面设置有锂金属梯度材料层，所述锂金属梯度材料层含有除锂元素外的合金元素，靠近隔膜侧的合金元素含量最高，靠近基底侧的合金元素含量为零，且靠近基底侧到隔膜侧的合金元素含量逐渐递进。2.根据权利要求1所述的锂金属电池负极材料，其特征在于：所述基底为铜片或复合铜箔。3.根据权利要求1所述的锂金属电池负极材料，其特征在于：所述合金元素包括银(Ag)、锌(Zn)、镁(Mg)、锡(Sn)、铟(In)中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的锂金属电池负极材料，其特征在于：所述锂金属梯度材料层至少包括锂金属层、第一合金层和第二合金层，所述锂金属层靠近所述基底侧，所述第一合金层位于所述第二合金层的外侧。5.根据权利要求4所述的锂金属电池负极材料，其特征在于：所述第一合金层中的合金元素含量高于所述第二合金层中的合金元素含量。6.根据权利要求4所述的锂金属电池负极材料，其特征在于：所述锂金属层的厚度为10μm
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50μm。7.根据权利要求4所述的锂金属电池负极材料，其特征在于：所述第一合金层和/或所述第二合金层的厚度为0.1μm
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10μm。8.锂金属电池负极材料的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：许晓雄，崔言明，秦晨阳，林久，戈志敏，
申请(专利权)人：浙江锋锂新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：