一种空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法与应用，其包括金属锂负极，以金属锂负极为基体，在基体的表面包覆一层低聚物构筑成低聚物涂层，实现金属锂负极的空气稳定性，低聚物分散在有机溶剂中，且低聚物分子量为1000～10000，有机溶剂是指锂二次电池电解液用有机溶剂中的一种或多种的组合，将包覆低聚物涂层的金属锂负极应用到锂金属二次电池中，在充放电过程中，低聚物涂层可溶于电解液中并在锂离子的诱导下阴离子原位电聚合，在金属锂负极表面构筑均匀稳定的固态电解质界面膜，从而本发明专利技术可以抑制枝晶生长并提高库伦效率，使电极化学性能得到明显改善，提高电池的循环稳定性。高电池的循环稳定性。高电池的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法与应用


[0001]本专利技术涉及锂金属二次电池领域，具体说是一种空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法与应用。

技术介绍

[0002]金属锂负极在空气中不稳定和枝晶生长问题是阻碍锂金属二次电池商业化应用的根本性问题。要开发一种在大气和电池环境中皆具有高稳定性的金属锂负极，必须先弄清楚在大气环境中水分、氧化性组分对金属锂负极腐蚀状态，以及电池在工作状态下锂枝晶如何形成与生长，才有可能建立高效的调控方法，但金属锂对水氧组分等极为敏感，反应产生的绝缘产物较为复杂，如果锂不慎与水接触，会发生剧烈的产氢、产热反应而发生燃烧爆炸，因此，需要明确金属锂负极在大气环境中的腐蚀过程，开展相应的疏水阻氧处理技术的研究；其次，锂枝晶的生长机理涉及电化学、晶体学、动力学、热力学等领域，十分复杂。近年来，虽有关锂枝晶生长的多种模型与理论被相继提出，如固态电解质(SEI)膜不稳定导致的不均匀沉积、晶须生长机制、离子浓度梯度影响机制、尖端诱导成核机制等，但迄今为止，锂枝晶生长机理仍未有明确定论，因此，进一步系统、深入研究锂枝晶的生长机理也至关重要。
[0003]为解决上述问题，近年来国内外科研人员针对锂负极改性展开了系列研究工作，包括：天津大学杨全红教授团队与清华大学深圳研究生院吕伟副研究员合作，通过简单的沾涂工艺在锂金属表面构建了一层石蜡与聚氧化乙稀(PEO)的复合保护涂层，获得了一种在环境和电池中均具有良好稳定性的金属锂负极；斯坦福大学崔屹教授团队将制备的锂合金(LixM)纳米颗粒包覆于具有优异疏水性能、低气体渗透性能的石墨烯(<10层)材料之中，随后将锂合金/石墨烯负极材料分别应用于以LiFePO4、V2O5、S为正极材料的锂电池中，并以锂金属负极、石墨烯负极做为参照实验，高电流密度充放电适用情况下，测试了电池的电化学性能，并对负极材料进行了SEM、TEM、XPS、柔韧性和强度、疏水性表征。结果表明：锂合金/石墨烯作为负极的电池，高电流密度下充放电循环400次后，电池依然能够保持初始容量的98％。
[0004]综上所述，国内外学者进行了大量研究并取得了积极进展，但仍缺乏应用场景下空气稳定性及枝晶抑制与电极过程可逆调控的基础研究成果，特别是，过去研究多聚焦于锂枝晶抑制方法，而忽视了规模化金属锂负极的制备与设计，可见，要解决锂的规模化应用和电极过程可逆性问题不仅要实现在大气中的稳定表现，而且要兼顾在电池充放电循环中枝晶的生长抑制，并大幅度提高其循环库仑效率。因此，探索大气及电池环境下稳定的新的锂负极材料设计思路并深刻理解其相应电极过程调控机制可为全面促进锂负极性能提升、推动其实用化进程奠定坚实理论与技术基础。

技术实现思路

[0005]针对上述
技术介绍
中提到的不足和缺陷问题，本专利技术提供一种简便的可行的锂金
属二次电池用空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法与应用。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法，所述高效金属锂负极包括金属锂负极，以所述金属锂负极为基体，在所述基体的表面包覆一层低聚物涂层；
[0007]所述高效金属锂负极的构筑方法具体包括以下步骤：
[0008]S1，通过加热、超声、搅拌处理将一定量的低聚物均匀分散到有机溶剂中，得到一定浓度的低聚物有机溶液；
[0009]S2，量取步骤S1制得的一定浓度的低聚物有机溶液，采用旋涂的方法将低聚物有机溶液均匀地涂覆在金属锂负极表面构筑疏水阻氧低聚物涂层；
[0010]S3，所述低聚物涂层在金属锂负极表面自然干燥，构筑包覆低聚物涂层的高效金属锂负极。
[0011]作为优选，所述低聚物的分子量为1000～10000。
[0012]作为优选，所述低聚物为丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲硅氧烷、聚酯和聚氨酯中的一种或几种的组合。
[0013]作为优选，所述丙烯酸树脂为聚甲基丙烯酸甲酯。
[0014]作为优选，所述环氧树脂为聚环氧乙烷。
[0015]作为优选，所述有机溶剂为环状碳酸酯或链状碳酸酯。
[0016]作为优选，所述低聚物在有机溶剂中的浓度为0.1mg/ml～100mg/ml；
[0017]所述步骤S1中超声的超声温度为30～70℃，超声时间为5～60min；
[0018]所述步骤2中旋涂速度为100rpm
‑
6000rpm，旋涂时间为1s～60s；
[0019]所述步骤S3中自然干燥的干燥时间为30min～2h。
[0020]一种空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法制得的包覆低聚物涂层的高效金属锂负极应用到锂金属二次电池，在充放电过程中，在一定的温度和电压下，低聚物涂层溶于电解液中并在锂离子的诱导下阴离子原位电聚合，在金属负极表面构筑一层均匀稳定的固态电解质界面膜。
[0021]作为优选，所述原位电聚合的温度为0
‑
90℃，电压为0.01
‑
5V。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]1、本专利技术首次采用具有疏水阻氧性能的低聚物将在金属锂负极表面构筑一层均匀的涂层作为保护层，得到在大气环境中高稳定性的高效金属锂负极；
[0024]2、本专利技术得到的空气稳定的高效金属锂负极可在应用过程中发生原位电聚合，在金属锂负极表面得到均匀稳定的固态电解质界面膜，起到稳定锂负极界面的作用，可以有效抑化学腐蚀和枝晶生长，提高库伦效率，相应的提高电池电化学性能；
[0025]3、本专利技术的制备方法过程中首次用低聚物涂层实现了金属锂负极在大气环境和电池中的双重稳定；
[0026]4、本专利技术的制备方法原料易得、操作简单、价格低廉、制备成本较低，有利于大规模的工业生产应用，便于广泛推广。
附图说明
[0027]图1为实施例1的低聚物涂层处理后的锂+聚甲基丙烯酸甲酯/锂+聚甲基丙烯酸甲
酯对称电池和对比例的锂/锂对称电池(CR2032)在室温(25℃)下电流密度为1mA cm
‑2,锂沉积量为1mAh cm
‑2的循环性能对比图；
[0028]图2为实施例1的低聚物涂层处理后的硫
‑
锂
‑
聚甲基丙烯酸甲酯全电池和对比例的硫
‑
锂全电池(CR2032)的循环性能对比图。
具体实施方式
[0029]下面将结合图1
‑
2详细说明本专利技术，在此本专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定，除非另有定义，本专利技术中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同，本专利技术中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围，除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或可通过现有方法制备得到。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法，其特征在于：所述高效金属锂负极包括金属锂负极，以所述金属锂负极为基体，在所述基体的表面包覆一层低聚物涂层；所述高效金属锂负极的构筑方法具体包括以下步骤：S1，通过加热、超声、搅拌处理将一定量的低聚物均匀分散到有机溶剂中，得到一定浓度的低聚物有机溶液；S2，量取步骤S1制得的一定浓度的低聚物有机溶液，采用旋涂的方法将低聚物有机溶液均匀地涂覆在金属锂负极表面构筑疏水阻氧低聚物涂层；S3，所述低聚物涂层在金属锂负极表面自然干燥，构筑包覆低聚物涂层的高效金属锂负极。2.根据权利要求1所述空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法，其特征在于：所述低聚物的分子量为1000～10000。3.根据权利要求1所述空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法，其特征在于：所述低聚物为丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲硅氧烷、聚酯和聚氨酯中的一种或几种的组合。4.根据权利要求3所述空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法，其特征在于：所述丙烯酸树脂为聚甲基丙烯酸甲酯。5.根据权利要求3所述空气稳定且无枝晶高效金属锂负极的构筑方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄为，
申请(专利权)人：湖南微升新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：