复合锂金属负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种复合锂金属负极材料及其制备方法和应用。该复合锂金属负极材料包括碳基体和锂金属颗粒，锂金属颗粒分布于碳基体的内部和/或表面，且锂金属颗粒表面上形成有锂/碳复合层。该复合锂金属负极材料可以有效改善锂枝晶生长，减缓锂负极体积膨胀，进而具有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
复合锂金属负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种复合锂金属负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]整车续航是决定新能源汽车核心竞争力的关键指标之一，高能量密度动力电池的开发是提高整车续航的根本途径。目前已量产的镍钴锰811正极匹配石墨负极的动力电芯，能量密度可达到280Wh/kg以上。电芯能量密度需要通过正极材料、负极材料的改进，以及其他材料的匹配升级，实现电芯能量密度稳步提升。
[0003]尽管基于石墨负极的锂离子电池系统取得了巨大成功，但相对较低的理论能量密度限制了其作为下一代动力电池负极材料的进一步应用。相对于石墨负极，金属锂具有极高的比容量(3860mAh*g
‑1)和极低的还原电位(相对于标准氢电极为
‑
3.040V)，因此其推动了金属锂电池的潜在应用。然而，金属锂电极的广泛应用受到多方面挑战的严重阻碍，例如不受控制的枝晶状、粉末状锂的产生以及在沉积脱除过程中锂负极产生的较大体积膨胀。这些金属锂负极固有的缺点显着降低了电池的循环寿命，甚至导致灾难性的安全问题。
[0004]碳材料由于其独特且可控的特性而常用于作为锂金属的载体。首先，碳材料本身具有良好的化学、电化学稳定性以及足够的机械强度。其次，碳基载体的电导率、孔结构、表面积和亲锂位点可根据实际要求进行独立或者协调调节。其中，电导率和表面积能够改善电极本体的电流密度，抑制锂枝晶的形成。丰富的孔结构能为锂金属提供足够的空间限制或者消除循环前后的体积变化。具有亲锂位点的碳载体能调节锂离子电场的均一性，促进锂金属的均匀沉积。现有的改进方法主要集中于在锂负极表面加入物理或化学的保护膜，以及对锂负极基体结构进行改进。其中，物理保护膜手段简单易行，比如利用金属有机骨架得到的碳微球保护膜(CN109904391A)，但这种途径对膜的离子/电子导电性以及机械强度的要求很高，局域锂沉积的调控很难通过单纯的阻隔方法实现，并且采用非原位的合成手段，不易放大生产，在规模化制备过程容易出现材料一致性差或均匀性不可控的情况。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出了一种复合锂金属负极材料及其制备方法和应用。该复合锂金属负极材料可以有效改善锂枝晶生长，减缓锂负极体积膨胀，进而具有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。
[0006]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种复合锂金属负极材料。根据本专利技术的实施例，该复合锂金属负极材料包括碳基体和锂金属颗粒，所述锂金属颗粒分布于所述碳基体的内部和/或表面，且所述锂金属颗粒表面上形成有锂/碳复合层。
[0007]根据本专利技术实施例的包括碳基体和锂金属颗粒的复合锂金属负极材料，锂金属颗粒分布于碳基体的内部和/或表面，通过将锂金属颗粒分散于碳基体中，由于碳基体的抑制
作用，可以减少锂在充放电过程发生的体积膨胀，同时，锂金属颗粒表面上形成有锂/碳复合层，该锂/碳复合层可以降低有效电流密度，使离子通量均匀化，即锂金属颗粒表面的锂/碳复合层可以使锂金属颗粒周围的电势分布更均匀，锂离子可以均匀传输，进而抑制锂枝晶的产生，提高循环寿命。由此，该复合锂金属负极材料可以有效改善锂枝晶生长，减缓锂负极体积膨胀，进而具有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。
[0008]另外，根据本专利技术上述实施例的复合锂金属负极材料还可以具有如下技术特征：
[0009]在本专利技术的一些实施例中，所述碳基体的粒径为1
‑
50μm，所述锂金属颗粒的粒径为10
‑
300nm。由此，复合锂金属负极材料可以具有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。
[0010]在本专利技术的一些实施例中，所述锂/碳复合层厚度为5
‑
30nm。由此，复合锂金属负极材料可以具有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。
[0011]在本专利技术的一些实施例中，所述锂金属颗粒的质量占比为30～80％。由此，复合锂金属负极材料可以具有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。
[0012]本专利技术的再一个方面，本专利技术提出了一种制备上述复合锂金属负极材料的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：
[0013](1)将金属锂高温熔融，以便得到熔融锂；
[0014](2)在惰性气氛保护下将前驱体有机碳源和所述熔融锂分别同时喷雾到高温炉中混合碳化，以便得到复合锂金属负极材料。
[0015]通过在惰性气氛保护下将前驱体有机碳源和熔融锂分别同时喷雾到高温炉中，其中，液相前驱体有机碳源和熔融的金属锂通过喷雾后在高温炉中混合，同时液相前驱体有机碳源在高温下炭化，形成球形或块状碳基体，且熔融的金属锂微球颗粒分散于碳基体内部和/或表面，冷却降温后形成锂单质，通过碳基体的抑制作用，可以减少锂在充放电过程发生的体积膨胀；另一方面，由于锂金属和碳层的界面存在反应活性、温度等差异，使靠近锂金属的碳结晶度更高，结构更致密，且在该致密的碳结构中掺杂有少量的金属锂，因此，在锂金属颗粒表面上形成有结构致密的锂/碳复合层，该锂金属颗粒表面的锂/碳复合层可以使锂金属颗粒周围的电势分布更均匀，锂离子可以均匀传输，进而抑制锂枝晶的产生，提高循环寿命。由此，采用该方法可以制备得到能够有效改善锂枝晶生长，减缓锂负极体积膨胀的复合锂金属负极材料，且该方法属于原位复合制备法，可控性和重复性强，适合批量制备。
[0016]另外，根据本专利技术上述实施例的制备复合锂金属负极材料的方法还可以具有如下技术特征：
[0017]在本专利技术的一些实施例中，步骤(2)中，所述前驱体有机碳源包括有机小分子化合物。由此，复合锂金属负极材料可以具有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，所述有机小分子化合物包括苯、甲苯、对二甲苯、间二甲苯、苯酚、萘、蒽、菲、芘、苯乙烯、吡啶和氮甲基吡咯烷酮中的至少之一，优选吡啶、氮甲基吡咯烷酮。由此，复合锂金属负极材料可以具有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，步骤(2)中，所述碳化温度为500～1330℃，所述碳化时间为1～8h。由此，复合锂金属负极材料可以具有良好的储锂性能和优异的循环稳定性。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，步骤(2)中，所述喷雾方式包括喷涂、蒸镀、溅射、电镀、化学置换、液相化学沉积和气相化学沉积中的至少之一。
[0021]本专利技术的第三个方面，本专利技术提出了一种锂电池。根据本专利技术的实施例，该锂电池包括正极和负极，所述负极采用上述复合锂金属负极材料或上述方法制备的复合锂金属负极材料。由此，该锂电池具有高容量、高倍率性能和良好的循环稳定性。
[0022]本专利技术的第四个方面，本专利技术提出了一种车辆。根据本专利技术的实施例，该车辆包括上述锂电池。由此，该车辆具有较高的安全性能和较长使用寿命。
[0023]本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合锂金属负极材料，其特征在于，包括碳基体和锂金属颗粒，所述锂金属颗粒分布于所述碳基体的内部和/或表面，且所述锂金属颗粒表面上形成有锂/碳复合层。2.根据权利要求1所述的复合锂金属负极材料，其特征在于，所述碳基体的粒径为1
‑
50μm，所述锂金属颗粒的粒径为10
‑
300nm；任选地，所述锂/碳复合层厚度为5
‑
30nm。3.根据权利要求1所述的复合锂金属负极材料，其特征在于，所述锂金属颗粒的质量占比为30～80％。4.一种制备权利要求1
‑
3中任一项所述合锂金属负极材料的方法，其特征在于，包括：(1)将金属锂高温熔融，以便得到熔融锂；(2)在惰性气氛保护下将前驱体有机碳源和所述熔融锂分别同时喷雾到高温炉中混合碳化，以便得到复合锂金属负极材料。5.根据权利要求4所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋冉冉，杨慧敏，袁文静，李纪涛，张伯都，李雅楠，沈俊荣，
申请(专利权)人：北京新能源汽车股份有限公司蓝谷动力系统分公司，
类型：发明
国别省市：