金属锂复合材料及其制备方法和锂金属电池负极的用途技术

本发明专利技术公开了一种金属锂复合材料及其制备方法和锂金属电池负极的用途，其中，该金属锂复合材料包括金属锂层和设置于所述金属锂层表面的成核层，所述成核层包括过渡金属碳化物MXenes。本发明专利技术还包括制备该金属锂复合材料的制备方法，该制备方法简单易行，从金属锂层表面成核的思路出发，避免了复杂的金属锂微观结构设计和制备，具有极好的实用性，得到的金属锂复合材料作为锂金属电池负极时，电池表现出优异的循环性能，经多次充放电后表面平整，没有明显的枝晶形成。没有明显的枝晶形成。没有明显的枝晶形成。

【技术实现步骤摘要】
金属锂复合材料及其制备方法和锂金属电池负极的用途
[0001]本申请是分案申请，其母案是申请日为2019年6月20日，申请号为201910536478.9、专利技术名称为“金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极及其制备方法”的专利技术专利申请。


[0002]本专利技术属于二次电池领域，具体涉及一种金属锂复合材料及其制备方法和锂金属电池负极的用途。

技术介绍

[0003]金属锂电池作为当今世界应用最广泛和最有发展前景的电池之一，具有比能量和放电性能高、工作和贮存寿命长、安全操作性能高和成本较低的优点。随着Li
‑
S电池、Li
‑
空气、Li
‑
二氧化碳电池等新型高容量锂电池的出现，锂金属负极的安全应用成为了下一代能量存储系统的决定因素。
[0004]锂金属一直被视作可再充锂电池的最理想的负极材料，它具有极高的理论比容量(3860mAh
·
g
‑1)，低密度(0.59g
·
cm
‑3)和最负的电化学电势(相比标准氢电极大约
‑
3.04V)等优异性能。然而由于锂金属负极充放电过程中存在的不可控沉积，其在重复充电/放电过程中存在枝晶生长、低库仑效率(CE)问题，导致基于锂金属负极的可充电电池至今尚未商业化。
[0005]最近，研究的关注已经转移到控制锂金属的沉积生长方式来抑制锂枝晶的生长，调节锂的循环行为。通过贵金属控制锂金属的成核已经成为一项新的研究方向。但是贵金属的成本和设计纳米结构的材料也限制了它们的实际应用。因此，发展必要的锂金属设计的简易策略，设计合成可能的复合电极来控锂金属的成核及生长行为，从而实现卓越的电化学表现及成本效益，是实现锂金属进一步工业化的必要手段。

技术实现思路

[0006]针对锂金属负极充放电过程中不可控沉积，导致在其在重复充电/放电过程中枝晶无序生长的科学技术问题。
[0007]本专利技术第一方面提供一种金属锂复合材料，所述金属锂复合材料包括金属锂层和设置于所述金属锂层的表面的成核层，所述成核层包括过渡金属碳化物MXenes。
[0008]在一些实施方式中，所述过渡金属碳化物MXenes包括：Ti3C2T
x
、Ti5C4、Ti4C3、Ti2C、Cr2TiC2、Hf2C、Mo2C、Mo2Ti2C3、Mo2TiC2、Mo2ScC2、Nb2C、Nb4C3、Nb5C4、V4C3、V2C、V3C2、Ta2C、Ta3C2、Ta4C3、Ta2C2、Ta5C4、Zr3C2、Zr2C、Sc2C、Cr2TiC2或带有空位和缺陷的MXenes中的一种或多种。
[0009]在一些实施方式中，上述过渡金属碳化物MXenes的厚度介于0.3nm至100nm，片径介于100nm至100μm。
[0010]在一些实施方式中，上述成核层设置于所述金属锂层的单面或双面。
[0011]在一些实施方式中，上述成核层为上述过渡金属碳化物MXenes单层分散于所述金
属锂层的表面。
[0012]在一些实施方式中，上述成核层为所述过渡金属碳化物MXenes多层层叠分散于上述金属锂层表面。
[0013]在一些实施方式中，上述成核层的厚度为0.3纳米至500微米。
[0014]在一些实施方式中，上述金属锂层的厚度为50纳米至500微米。
[0015]本专利技术第二方面包括：一种上述的金属锂复合材料用于金属锂电池负极的用途。
[0016]本专利技术第三方面包括：一种上述的金属锂复合材料的制备方法，步骤包括：将介质层从过渡金属碳化物MXenes的分散液中提拉，使过渡金属碳化物MXenes转移分散至所述介质层的表面形成成核层；将所述成核层转移至金属锂层表面。
[0017]在一些实施方式中，步骤更具体的还包括：将所述介质层插入至水溶液中；将所述过渡金属碳化物MXenes的乙醇分散液滴加至所述水溶液中，形成所述分散液；将所述介质层从所述分散液中提拉，使过渡金属碳化物MXenes转移分散至所述介质层的表面。
[0018]在一些实施方式中，步骤还包括：移除所述介质层。
[0019]本专利技术第四方面包括：一种上述的金属锂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：将过渡金属碳化物MXenes的分散于所述介质层的表面形成成核层；将所述金属锂辊压于所述成核层表面形成金属锂层得到。
[0020]在一些实施方式中，将过渡金属碳化物MXenes分散的方法为喷涂法或抽滤法。
[0021]本专利技术与现有技术相比具有的突出有益效果在于：
[0022](1)本专利技术金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极作为金属锂电池负极表现出优异的循环性能、良好的倍率性能、优异的深充深放性能和高的库伦效率，经多次充放电后表面平整，没有明显的枝晶形成。这是因为在充放电的过程中，过渡金属碳化物MXenes起到金属锂的成核剂作用。在锂沉积过程中，金属锂在负极材料表面的导电纳米片上可控成核生长，有效地控制了尖锐锂支晶的形成，从而避免了充放电过程中锂支晶生长刺破隔膜层，导致电池短路而引发的严重安全问题。
[0023](2)本专利技术金属锂可控成核及生长的锂金属复合电极中的成核层在锂金属复合电极中又能起到骨架的作用，在一定程度上抑制充放电过程中金属锂的体积膨胀，有益于提高锂金属复合电极的充放电过程中的库伦效率，延长电池的循环寿命。
[0024](3)此外本专利技术制备方法简单易行，从金属锂表面成核的思路出发，避免了复杂的金属锂微观结构设计和制备，具有极好的实用性，将制备得到的锂金属复合电极适用于金属锂基电池，在通讯设备、移动电子设备、交通工具及航天器上具有广阔的应用前景。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例的成核层在金属锂层和集流体层之间的锂金属复合电极的结构示意图；
[0026]图2为本专利技术实施例的金属锂层在成核层和集流体层之间的锂金属复合电极的结构示意图；
[0027]图3为本专利技术实施例的锂金属复合电极结构一种制备方法的示意图；
[0028]图4为本专利技术实施例的锂金属复合电极结构另一种制备方法的示意图；
[0029]图5为本专利技术实施例的Langmuir
‑
Blodgett法的实施过程的示意图；
[0030]图6为本专利技术实施例的锂金属复合电极用于组装电池的一种内部结构的示意图；
[0031]图7为本专利技术实施例的锂金属复合电极用于组装电池的另一种内部结构示意图；
[0032]图8为本专利技术实施例锂金属复合电极对称电池在1毫安每平方厘米的电流、0.5毫安时每平方厘米的面容量下进行电化学测试结果；
[0033]图9为本专利技术实施例的锂金属复合电极对称电池在1毫安每平方厘米的电流、35毫安时每平方厘米的面容量下进行电化学测试结果；
[0034]图10为本专利技术实施例的锂金属复合电极全电池与对比样电池在10C的倍率下进行恒电流充放电测试结果；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属锂复合材料，其特征在于，所述金属锂复合材料包括金属锂层和设置于所述金属锂层的表面的成核层，所述成核层包括过渡金属碳化物MXenes。2.如权利要求1所述的金属锂复合材料，其特征在于，所述过渡金属碳化物MXenes包括：Ti3C2T
x
、Ti5C4、Ti4C3、Ti2C、Cr2TiC2、Hf2C、Mo2C、Mo2Ti2C3、Mo2TiC2、Mo2ScC2、Nb2C、Nb4C3、Nb5C4、V4C3、V2C、V3C2、Ta2C、Ta3C2、Ta4C3、Ta2C2、Ta5C4、Zr3C2、Zr2C、Sc2C、Cr2TiC2或带有空位和缺陷的MXenes中的一种或多种。3.如权利要求1所述的金属锂复合材料，其特征在于，所述过渡金属碳化物MXenes的厚度介于0.3nm至100nm，片径介于100nm至100μm；和/或，所述成核层设置于所述金属锂层的单面或双面。4.如权利要求1所述的金属锂复合材料，其特征在于，所述成核层为所述过渡金属碳化物MXenes单层分散于所述金属锂层的表面；或，所述成核层为所述过渡金属碳化物MXenes多层层叠分散于所述金属锂层表面。5.如权利要求1至4中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，张迪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：