一种锂金属负极保护层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂金属负极保护层及其制备方法，属于锂离子电池技术领域，解决LiPON薄膜作为人工SEI膜存在的脆性强，无法做成多层电芯，实用性不高技术问题；本发明专利技术包括含锂离子的醋酸铜纤维、粘结剂和LiPON层，所述LiPON层覆盖于含锂离子的醋酸铜纤维表面，所述含锂离子的醋酸铜纤维、粘结剂和LiPON层的质量比为（4

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属负极保护层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种锂金属负极保护层及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂金属的理论比容量可达3860mA h g
‑1，是石墨的理论比容量的10倍多，被认为是下一代锂金属电池的理想的负极材料，但是锂金属化学性质活泼，当它与电解液接触后，会与电解液发生不可逆的化学反应，消耗了宝贵的电解液和锂金属，另外，反应产物是无机物和有机物组成的一层膜，该层膜是锂离子导体，是电子绝缘体，具有固体电解质的性质，因此被称之为固体电解质界面膜（SEI膜）。其化学成分分布不均匀，机械性能差，这导致锂离子通过该膜时，锂离子通量不均匀，容易在锂金属负极表面形成锂枝晶，且该膜无法适应充放电过程中锂金属负极的体积变化，容易破裂，使锂金属与电解液又发生接触，形成新的不可逆的反应，如此反复，导致电池的库伦效率下降，内阻变大，甚至导致短路，发生安全问题。
[0003]用人工SEI膜可以改善上述问题，解晶莹研究团队在金属锂上镀一层均匀的LiPON薄膜（ACS Appl. Energy Mater. 2018, 1, 4, 1674
–
1679），该膜一方面与锂接触时具有良好的化学稳定性，另一方面提供了均匀的锂离子通量，能够诱导锂离子在锂金属负极表面均匀沉淀，抑制了锂枝晶的生长。但是LiPON薄膜是玻璃态的金属氧化物，脆性强，无法做成多层电芯，因此实用性不高。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决LiPON薄膜作为人工SEI膜存在的脆性强，无法做成多层电芯，实用性不高技术问题，目的在于提供一种锂金属负极保护层及其制备方法，在具有高锂离子传导率的同时具有良好的弹性，可以做成多层电芯，实用性强。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：本专利技术提供一种锂金属负极保护层，包括含锂离子的醋酸铜纤维、粘结剂和LiPON层，所述LiPON层覆盖于含锂离子的醋酸铜纤维表面，所述含锂离子的醋酸铜纤维、粘结剂和LiPON层的质量比为（4
‑
10）:1:2。
[0006]本专利技术保护锂金属负极的原理如下：将LiPON包覆在含锂离子的醋酸铜纤维表面，含锂离子的醋酸铜纤维具有高弹性和高锂离子传导率，可以在不降低LiPON锂离子传导能力的情况下使LiPON具有弹性，从而能够适应锂金属负极在充放电过程中的体积变化，粘结剂可以将表面覆盖有LiPON的含锂离子的醋酸铜纤维粘结在一起，形成一个稳定保护层，能够做成多层电芯，具有较高的实用价值。
[0007]进一步的，所述含锂离子的醋酸铜纤维为纳米尺寸，长度为5
‑
100nm，纳米尺寸更有利于扩大电化学反应面积，提高电极的电化学动力学能力，且该长度设计科学合理，如果太短的话，会导致薄膜弹性下降，如果太长的话，会导致锂离子传导率下降。
[0008]进一步的，所述含锂离子的醋酸铜纤维由醋酸铜纤维在电解液浸泡后干燥制成；所述醋酸铜纤维由醋酸纤维与四羟基合铜酸钠溶液反应制成，所述四羟基合铜酸钠溶液的质量浓度为10%
‑
20%，所述醋酸纤维与四羟基合铜酸钠的质量比为1：（1
‑
10）。
[0009]进一步的，所述LiPON层的厚度为1
‑
20nm，LiPON层的厚度太厚会导致薄膜整体弹性下降，如果太薄的话，会导致锂离子传导率下降。
[0010]进一步的，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、聚氨酯橡胶中的任意一种。
[0011]进一步的，所述的锂金属负极保护层厚度为30nm
‑
1um，这个厚度可以在保护锂金属的前提下，尽量减少锂金属负极的体积。
[0012]本专利技术还提供一种锂金属负极保护层的制备方法，包括以下步骤：S1、将醋酸纤维加入到四羟基合铜酸钠溶液中，使铜离子与醋酸纤维反应，然后将醋酸纤维用去离子水反复冲洗，干燥，得到醋酸铜纤维；S2、将醋酸铜纤维磨成粉状；S3、将粉状醋酸铜纤维用电解液（酯类电解液或醚类电解液）浸泡，使锂离子进入到醋酸铜纤维中，真空干燥，得到含锂离子的醋酸铜纤维；S4、利用磁控溅射在含锂离子的醋酸铜纤维表面覆盖一层LiPON，得到表面覆盖LiPON的含锂离子的醋酸铜纤维；S5、将粘结剂溶解到有机溶剂中，得到含有粘结剂的有机溶剂，并将表面覆盖LiPON的含锂离子的醋酸铜纤维加入其中，研磨，形成均匀的浆料；S6、将浆料均匀地涂抹到无机基底上，真空干燥形成一层厚度均匀的复合薄膜，即为锂金属负极保护层。
[0013]进一步的，S2中，醋酸铜纤维研磨或球磨成粉状，得到纳米尺寸的醋酸铜纤维。
[0014]进一步的，S5中的有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、丙酮中的任意一种。
[0015]进一步的，S6中的无机基底为碳化硅、刚玉或氧化锆中的任意一种。
[0016]本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本专利技术制备的锂金属负极保护层与锂接触时，具有稳定的电化学性能，可以在锂金属和电解液之间建立稳定的界面，表面覆盖LiPON的含锂离子的醋酸铜纤维一方面具有高锂离子传导率，可以为锂离子传输提供通道，另一方面具有良好的弹性，可以适应充放电过程中锂金属负极体积的变化，可以做成多层电芯，使本专利技术具有较高的实用价值。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：图1是本专利技术表面覆盖LiPON的含锂离子的醋酸铜纤维的结构示意图；图2是本专利技术制备的锂金属负极保护层的结构图；图3是对比例1锂负极的极化电压变化图；
图4是对比例2锂负极的极化电压变化图；图5是对比例3锂负极的极化电压变化图；图6是实施例1锂负极的极化电压变化图；图7是未用保护层保护的锂金属负极在循环100次后的表面图；图8是利用LiPON做保护层的锂金属负极在循环100次后的表面图；图9是利用实施例1做保护层的锂金属负极在循环100次后的表面图；图10是表面覆盖LiPON的含锂离子的纳米尺寸的铜配位纤维在钴酸锂全电池测试中第300个循环的充放电曲线图；图11是表面覆盖LiPON的含锂离子的纳米尺寸的醋酸铜纤维在钴酸锂全电池测试中第300个循环的充放电曲线图；图12是表面覆盖LiPON的含锂离子的纳米尺寸的醋酸铜纤维在钴酸锂全电池测试中第200个循环的充放电曲线。
[0018]附图中标记及对应的零部件名称：100
‑
表面覆盖LiPON的含锂离子的醋酸铜纤维，101
‑
含锂离子的醋酸铜纤维，102
‑
LiPON层，200
‑
粘结剂，300
‑
锂金属负极保护层。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属负极保护层，其特征在于，包括含锂离子的醋酸铜纤维(101)、粘结剂(200)和LiPON层(102)，所述LiPON层(102)覆盖于含锂离子的醋酸铜纤维(101)表面，所述含锂离子的醋酸铜纤维(101)、粘结剂(200)和LiPON层(102)的质量比为（4
‑
10）:1:2。2.根据权利要求1所述的一种锂金属负极保护层，其特征在于，所述含锂离子的醋酸铜纤维(101)为纳米尺寸，长度为5
‑
100nm。3.根据权利要求1所述的一种锂金属负极保护层，其特征在于，所述含锂离子的醋酸铜纤维(101)由醋酸铜纤维在电解液浸泡后干燥制成；所述醋酸铜纤维由醋酸纤维与四羟基合铜酸钠溶液反应制成，所述醋酸纤维与四羟基合铜酸钠的质量比为1：（1
‑
10）。4.根据权利要求1所述的一种锂金属负极保护层，其特征在于，所述LiPON层(102)的厚度为1
‑
20nm。5.根据权利要求1所述的一种锂金属负极保护层，其特征在于，所述粘结剂(200)为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、聚氨酯橡胶中的任意一种。6.根据权利要求1所述的一种锂金属负极保护层，其特征在于，所述的锂金属负极保护层(300)厚度为30nm
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，周咏，石建建，
申请(专利权)人：成都工业学院，
类型：发明
国别省市：