一种锂金属负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种锂金属负极材料及其制备方法，所述锂金属负极材料为锂金属一侧表面上还有一层界面层，所述界面层的厚度为100nm～100μm；所述界面层是由氟化碳和有机组分溶解于挥发性溶剂中，喷涂到锂金属表面后再经过原位锂化反应而得。将粘结剂与单离子导体混合均匀作为有机组分，然后将氟化碳和有机组分溶解于挥发性溶剂中，使用喷枪将其喷涂到120

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂电池
，具体涉及一种锂金属负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于具有比能量高，自放电小和无记忆效应等优点，而被广泛应用于电动汽车、智能电网和便携式电子设备等领域。但是随着当今能源技术的飞速发展，对锂离子电池的能量密度和功率密度提出了更高的要求。传统锂离子电池采用石墨作为负极材料，而石墨负极理论比容量低(372mAh/g)，其能量密度难以突破300Wh
·
kg
‑1这一极限值，严重限制了其进一步发展。因此开发更高比容量的负极材料对提高电池的能量密度尤为重要，例如硅基负极材料和锂金属负极材料。
[0003]锂金属被誉为负极材料中的“圣杯”，因为其具有极高的理论比容量(3860mAh/g)，最低的氧化还原电势(
‑
3.04V相对于标准氢电极)和低的密度(0.534g/cm3)等优点。因此，采用锂金属作负极材料能够显著提高锂离子电池的能量密度。此外，相比于锂离子电池，锂金属电池能够采用具有更高能量密度的正极材料(如硫、氧等)，因此能形成高比能量电池系统。但是，锂金属负极材料在使用过程中存在着一些问题，严重制约了其进一步发展。包括以下几点：一是锂金属表面生成的固体电解质界面膜(SEI)不均匀，引起锂金属不均匀的沉积和剥离；二是锂金属在沉积和剥离过程中存在大量的体积膨胀，进一步导致SEI的不稳定；三是锂金属与电解液高的反应活性，导致锂金属和电解液的不断消耗。
[0004]针对以上问题，研究者从不同的角度对其进行了研究，如电解液改性、集流体表面修饰和锂金属表面改性等方面。但究其而言，电化学反应与常规的化学反应最大的区别则是电化学反应都发生在界面中，对界面的调控能够对电化学反应起到决定性的影响。在对锂金属进行界面改性中，氟化SEI是公认对于锂金属负极有效的改性手段。例如陶新永课题组[Advanced Material2021,33(42),e2102134.]提出直接在电解液中添加多孔LiF以实现稳定和安全的锂金属电池。与传统设计的电解液不同，由于电解液溶剂分子与大量暴露的活性LiF(111)晶面之间的强相互作用，在多孔LiF中制备的电解质表现出不可燃性和高电化学性能。张强课题组[Angewandte Chemie International Edition2021,60(42),22683
‑
22687.]提出通过阴离子受体调节阴离子的电解质结构来构建稳定的阴离子衍生SEI，将具有缺电子硼原子的三(五氟苯基)硼烷阴离子受体与双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子相互作用，从而提高SEI中LiF的含量，提高了SEI的稳定性。
[0005]现有的研究成果能够看出构建氟化SEI确实能够有效促进锂金属的均匀沉积，并且最终提高锂金属电池的循环性能。但现有技术中使用的传统氟化SEI终归只是提高了SEI中无机组分的含量，无机组分在柔韧性方面有很多劣势。在一个完整的锂沉积过程中，锂离子在界面的去溶剂化、锂离子在SEI内部的传输和锂离子的成核对于锂金属沉积都是很重要的过程，而仅仅提高LiF的含量并不能对这些过程进行统筹调控。而且，现有技术构建氟化SEI的方式太过复杂，虽然实验操作的精细程度能够提高界面成分的调控力度，但这也增加了整体制备过程的复杂度，这不利于大规模生产应用。
[0006]从上述研究成果可以看出，对锂金属负极材料界面SEI的进一步改性以及提高实验方法的可拓展性是解决传统氟化SEI问题的关键。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种锂金属负极材料及其制备方法。
[0008]本专利技术提供了一种锂金属负极材料，所述锂金属负极材料为锂金属一侧表面上还有一层界面层，所述界面层的厚度为100nm～100μm；所述界面层是由氟化碳和有机组分溶解于挥发性溶剂中，喷涂到锂金属表面后再经过原位锂化反应而得，所述有机组分为将粘结剂加入单离子导体中混合均匀而得。
[0009]本专利技术同时提供了一种锂金属负极材料的制备方法，所述制备方法如下：将粘结剂与单离子导体混合均匀作为有机组分，然后将氟化碳和有机组分溶解于挥发性溶剂中，使用喷枪将其喷涂到120
‑
170℃加热状态下的锂金属一侧表面，待锂金属表面溶剂完全蒸发，在低电流条件下循环3
‑
5圈，即可获得所述锂金属负极材料。
[0010]进一步，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯，所述单离子导体为聚
‑
2丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸锂或锂化聚合硼酸酯；所述聚偏二氟乙烯和聚
‑
2丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸锂或锂化聚合硼酸酯按质量比为1:9混合均匀作为有机组分；所述氟化碳和有机组分的质量比为1
‑
4:1，所述挥发性溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮或四氢呋喃。
[0011]进一步，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯，所述单离子导体为聚
‑
2丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸锂；所述聚偏二氟乙烯和聚
‑
2丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸锂按质量比为1:9混合均匀作为有机组分；所述氟化碳和有机组分的质量比为2:1；所述挥发性溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮。
[0012]进一步，所述氟化碳和有机组分溶解于挥发性溶剂的质量浓度为1％～20％。
[0013]优选地，所述氟化碳和有机组分溶解于挥发性溶剂的质量浓度为10％。
[0014]进一步，所述喷枪喷涂的方法为：使用喷枪来回多次在锂金属一侧表面上进行喷涂，每次喷涂半分钟后需要停止半分钟，等待溶剂彻底挥发，如此往复将分散液全部喷完，喷枪喷涂时间为3min～8min。
[0015]优选地，所述喷枪喷涂时锂金属加热的温度为150℃。
[0016]进一步，所述低电流的电流密度为1mA cm
‑2。
[0017]优选地，在所述低电流条件下循环5圈。
[0018]本专利技术的有益效果：
[0019]1.本专利技术提供的锂金属电池负极材料，锂金属表面的界面层中含有氟化锂和有机组分，其中氟化锂是由喷涂上的氟化碳原位锂化所得，能够促进锂金属的均匀沉积，有机组分则能够促进锂离子的去溶剂化，提供稳定的锂离子流。这一界面层厚度高度可控，为100nm～100μm，能作为锂金属保护层。并且可以通过调节溶剂浓度和喷涂的时间来控制该层界面层的厚度，界面层的不同厚度可以适配锂金属电池的不同充放电条件。现有的锂金属负极材料使用时，锂枝晶的不可控生长不仅会生成死锂，导致电池容量衰退，并且有可能穿透隔膜，造成安全事故。而本专利技术的锂金属负极材料特有的界面层，氟化锂作为界面层的主要无机组分，拥有与锂最大的界面能，能够促进锂金属的均匀沉积，从而减少锂枝晶的生成。
[0020]2.本专利技术提供的锂金属负极材料的制备方法，是将氟化碳和所选择有机组分以一
定的比例溶解与挥发溶剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属负极材料，其特征在于，所述锂金属负极材料为锂金属一侧表面上还有一层界面层，所述界面层的厚度为100nm～100μm；所述界面层是由氟化碳和有机组分溶解于挥发性溶剂中，喷涂到锂金属表面后再经过原位锂化反应而得，所述有机组分为将粘结剂加入单离子导体中混合均匀而得。2.一种锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法如下：将粘结剂与单离子导体混合均匀作为有机组分，然后将氟化碳和有机组分溶解于挥发性溶剂中，使用喷枪将其喷涂到120
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170℃加热状态下的锂金属一侧表面，待锂金属表面溶剂完全蒸发，在低电流条件下循环3
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5圈，即可获得所述锂金属负极材料。3.根据权利要求2所述锂金属负极材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯，所述单离子导体为聚
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2丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸锂或锂化聚合硼酸酯；所述聚偏二氟乙烯和聚
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2丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸锂或锂化聚合硼酸酯按质量比为1:9混合均匀作为有机组分；所述氟化碳和有机组分的质量比为1
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4:1，所述挥发性溶剂为N
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甲基吡咯烷酮或四氢呋喃。4.根据权利要求3所述锂金属负极材料的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵金保，温志鹏，杨阳，
申请(专利权)人：厦门嘉钠新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：